2.周國強(qiáng)-顆粒物自動(dòng)監(jiān)測原理及運(yùn)行維護(hù)

2024年第七期環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測運(yùn)維與質(zhì)控培訓(xùn)班大氣顆粒物（AtmosphericParticulateMatters）大氣顆粒物：大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱。各種顆粒狀物質(zhì)均勻地分散在空氣中構(gòu)成一個(gè)相對穩(wěn)定的龐大的懸浮體系，即氣溶膠體系，因此大氣顆粒物也稱為大氣氣溶膠（AtmosphericAerosols）。大氣顆粒物（AtmosphericParticulateMatters）天然源和人為源釋放到大氣中直接造成的，例如土壤粒子、海鹽粒子、燃燒煙塵等。由大氣中的污染氣體組分（如SO2、NOX、碳?xì)浠衔锏龋┲g，或這些組分與大氣中的正常組分（如氧氣）之間通過光化學(xué)氧化反應(yīng)、催化氧化反應(yīng)或其他化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成的顆粒物，例如二氧化硫轉(zhuǎn)化生成硫酸鹽。大氣顆粒物的粒徑分布大氣顆粒物（AtmosphericParticulateMatters）PM10：是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10μm的顆粒物，可通過呼吸進(jìn)入人體上、下呼吸道，故稱可吸入顆粒物。PM2.5：是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物。細(xì)顆粒物—灰霾成因與影響（消光）細(xì)粒子的消光（反射/散射/吸收）作用，導(dǎo)致能見度下降細(xì)顆粒物—灰霾成因與影響（能見度）細(xì)顆粒物—灰霾成因與影響（人體健康）PM2.5顆粒物直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20，與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。顆粒本身既是一種污染物，又是重金屬、多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)的載體。細(xì)顆粒物—灰霾成因與影響（人體健康）1952年（12月5~9日）倫敦?zé)熿F事件，逆溫、大量污染物排放造成污染事件，

據(jù)部分專家統(tǒng)計(jì)，這場煙霧在當(dāng)年12月導(dǎo)致約4,000人死亡，并且有后續(xù)影響。細(xì)顆粒物—灰霾成因與影響（人體健康）全球PM10污染的總體格局全球PM2.5污染的總體格局中國沿海地區(qū)城區(qū)典型的霧霾過程（2011年）2017年近年來我國顆粒物濃度下降顯著以廣東為例：2015年，廣東全省和珠三角首次實(shí)現(xiàn)PM2.5達(dá)標(biāo)，并連續(xù)九年保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。2020年，廣東全省和珠三角PM2.5為22微克/立方米和21微克/立方米，首次達(dá)到WHO-II階段目標(biāo)，并連續(xù)四年保持穩(wěn)定。PM2.5（微克/立方米）2014201520162017201820192020202120222023全省38312930292722222021珠三角39323032302821211921備注：WHO-I階段目標(biāo)：35微克/立方米；WHO-II階段目標(biāo)：25微克/立方米；WHO-III階段目標(biāo)：15微克/立方米。測量方法一、β射線法監(jiān)測原理：β射線是一種高速電子流，具有較強(qiáng)的穿透力，當(dāng)它穿透物質(zhì)后，部分被吸收，導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。在一定條件下，其衰減量的大小僅與吸收物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)，而與吸收物質(zhì)的其他物理特性（如顆粒物材質(zhì)、顏色、光澤、形狀等）無關(guān)，因此能直接測量大氣顆粒物的質(zhì)量。儀器多采用低能量C14作β射線源（≤100μCi），在顆粒物采集過程中，根據(jù)β射線被吸收的變化量，利用朗伯-比爾定律計(jì)算出顆粒物的質(zhì)量。為減少樣品中揮發(fā)、半揮發(fā)性物質(zhì)因過度加熱而損失，該類儀器通常帶有動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)（DHS），代表性儀器廠家包括天虹、藍(lán)盾、先河、聚光、Metone、賽默飛等等。測量方法--小時(shí)出值監(jiān)測儀以恒定的β射線源先后穿過空白濾膜和采集有顆粒物樣品的濾膜，比較其吸收量的變化，便可求得顆粒物樣品的質(zhì)量（）。若測量的時(shí)間相同

，前后兩次測量的總計(jì)數(shù)分別為N1和N2。β射線穿過吸收物質(zhì)后，其強(qiáng)度的衰減可由下式計(jì)算：式中：I——β源輻射穿過物質(zhì)后的強(qiáng)度；I0——β源的輻射強(qiáng)度；?MT——吸收物質(zhì)單位面積（cm2）總質(zhì)量（mg）；K——質(zhì)量吸收系數(shù)。測量方法--連續(xù)出值β射線衰減測量法原理：采樣泵吸入的環(huán)境空氣經(jīng)濾膜過濾后，顆粒物沉淀在采樣濾膜上，當(dāng)β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時(shí)，β射線能量產(chǎn)生衰減，利用對β射線衰減量的測定而計(jì)算出采樣期間增加的顆粒物質(zhì)量BetaAttenuationMethodBetaMass13000

3500300012000250011000BetBetaCounts(1/s)1000070000700009000100080005000510

1520Time(h)測量方法光散射法?光散射法原理：利用光與微小顆粒作用時(shí)發(fā)生散射現(xiàn)象研制出各種能定量測定煙塵和可吸入顆粒的分析儀器。由激光二極管發(fā)出的激光光源，經(jīng)聚焦的光束沿x方向穿過一個(gè)三維檢測腔。在該三維檢測腔交匯處，被測樣品由z方向?qū)?，并與激光光束發(fā)生作用，使部分光產(chǎn)生散射。未散射的光沿原方向投射在黑體上被吸收，而散射光的方向被改變，其中一部分經(jīng)由y方向射到一個(gè)光度計(jì)，由光度計(jì)測量其光通量，其余散射光被黑體吸收。途經(jīng)三維檢測腔交匯處的樣品由真空泵抽出。測量方法光散射法光源發(fā)出一定波長的光束照射到進(jìn)入光室的顆粒物后產(chǎn)生散射光，檢測器檢測到散射光，光強(qiáng)數(shù)值可以對應(yīng)出重量法校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值。內(nèi)部腔體涂覆黑色物質(zhì)吸收反射光β射線法顆粒物監(jiān)測儀的采樣流路示意圖測量方法二、振蕩天平法測量原理：樣品空氣在抽氣泵的作用下，將切割器分離出的待測顆粒物沉積在采樣濾膜上，振蕩天平稱量質(zhì)量增量后，與該時(shí)段內(nèi)的樣品氣體積計(jì)算得出基礎(chǔ)質(zhì)量濃度。具有揮發(fā)性補(bǔ)償裝置的振蕩天平法顆粒物監(jiān)測儀還要在下一個(gè)時(shí)段使樣品氣先通過恒溫的零氣過濾器，再通過采樣濾膜，該時(shí)段內(nèi)的質(zhì)量濃度的變化量作為參考質(zhì)量濃度（負(fù)值）。最終濃度為基礎(chǔ)質(zhì)量濃度減去參考質(zhì)量濃度。為了能對樣品中因揮發(fā)、半揮發(fā)而損失的物質(zhì)予以補(bǔ)償測量，該類儀器通常帶有膜動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)（FDMS），生產(chǎn)廠家包括天虹、賽默飛等。測量原理圖如下式：如下式：物理特性非常穩(wěn)定（材料、結(jié)構(gòu)、封裝），受溫度影響極小，KO變化小于1%（30→50℃）

振蕩天平法儀器質(zhì)量傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，樣氣通過濾膜和振子的中空部分，由采樣泵帶走，樣氣中的顆粒物被濾膜截留并附著在濾紙上，從而使整個(gè)振蕩體的質(zhì)量發(fā)生變化，振蕩體的振蕩頻率發(fā)生變化，則振蕩體的質(zhì)量變化與振蕩頻率的變化的關(guān)系FDMS工作原理A、B狀態(tài)等時(shí)間切換（如6-15min），從而解決了樣品因濕度、揮發(fā)（半揮發(fā)）物質(zhì)損失對顆粒物準(zhǔn)確測量的問題。FDMS工作原理B狀態(tài)采樣流路A狀態(tài)采樣流路工作流量常見的顆粒物監(jiān)測儀設(shè)計(jì)的采樣流量為16.67L/min，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榍懈铑^（粒徑分離器）需要此流量來把符合尺寸的微粒從氣流中分開。粒徑分離使用微粒在運(yùn)動(dòng)中的慣性原理，將那些超過一定尺寸（切割點(diǎn)）的微粒分出來，這樣它們就不會(huì)被儀器測量。流量要求維持在16.67L/min的±5%內(nèi)，因此顆粒物監(jiān)測儀必須定期執(zhí)行流量校準(zhǔn)。流量類型設(shè)定：標(biāo)況，或?qū)崨r（體積）各測量方法的特點(diǎn)β射線衰減法時(shí)間分辨率低準(zhǔn)確性好，不依賴顆粒物特性光散射法時(shí)間分辨率高準(zhǔn)確度低，依賴顆粒物特性精密度高微量振蕩天平法直接測量顆粒物質(zhì)量，準(zhǔn)確度高各測量方法的特點(diǎn)β射線法+光散射法：使得測量結(jié)果既準(zhǔn)確又精密，并且可以達(dá)到秒級出數(shù)。β射線法

光散射法

β射線法+光散射法國家對統(tǒng)一監(jiān)測方法的要求β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀主要由4個(gè)部件組成：切割器采樣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)監(jiān)測儀主機(jī)β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成一、切割器切割器是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的，用于分離不同直徑的顆粒物，切割效率流量為16.67×（1±5%）L/min。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成一、切割器?50%切割粒徑PM10切割器：10μm±0.5μm空氣動(dòng)力學(xué)直徑；PM2.5切割器：2.5μm±0.2μm空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)直徑。捕集效率曲線在50%捕集效率曲線處，對應(yīng)下來的空氣動(dòng)力學(xué)直徑（此處約為2.5μm）

即為此切割器的Da50，若Da50=2.5μm，我們就稱該切割器為PM2.5

切割器。捕集效率曲線（反S型）非常接近理想曲線（Z型）β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成一、切割器PM10切割器：沖擊式切割原理；PM2.5切割器：旋風(fēng)式切割原理；?切割器效率流量要求.PM10

PM2.5β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成二、采樣系統(tǒng)采樣系統(tǒng)主要包括采樣管路、控流系統(tǒng)、采樣泵等組成，主要保證采樣流量穩(wěn)定在16.67×（1±5%）L/min。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成三、動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)（DynamicHeatedlySystem簡稱DHS)：根據(jù)外界溫濕度的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱方式，使樣品的溫濕度控制在合適的范圍內(nèi)，減少持續(xù)加熱時(shí)間，降低不穩(wěn)定成分的揮發(fā)，以保證顆粒物測量的準(zhǔn)確性。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的組成四、監(jiān)測儀主機(jī)監(jiān)測儀主機(jī)由中控系統(tǒng)，內(nèi)部集成有流量控制模塊、機(jī)械傳動(dòng)組件、信號(hào)檢測與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)等組成。人機(jī)交換界面實(shí)現(xiàn)對整套系統(tǒng)的運(yùn)行控制。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的日常維護(hù)《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范》（HJ817-2018）。關(guān)于印發(fā)《國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)城市站運(yùn)行管理辦法》的通知（環(huán)辦監(jiān)測〔2020〕15號(hào)）。國控網(wǎng)運(yùn)維記錄檢查表。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的日常維護(hù)檢查采樣頭、采樣管的完好性，及時(shí)清理緩沖瓶內(nèi)積水。檢查各監(jiān)測儀器工作參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)是否正常。檢查采樣紙帶位置是否正常，采樣斑點(diǎn)是否圓滑、均勻、完整，檢查紙帶使用情況，如即將用完應(yīng)及時(shí)更換。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的日常維護(hù)至少清潔一次采樣切割頭，受植物飛絮、飛蟲影響的季節(jié)，應(yīng)增加清潔頻次。若遇重污染天氣或沙塵天氣，污染結(jié)束時(shí)立即清潔。（清潔時(shí)，應(yīng)完全拆開采樣切割器，用蒸餾水或無水乙醇清潔，完全晾干或用風(fēng)筒吹干后重新安裝，同時(shí)檢查密封圈的密封情況。）檢查采樣管加熱裝置是否正常工作，加熱溫度是否正常。檢查監(jiān)測儀的壓頭及紙帶下墊塊的清潔情況，如臟污需使用棉簽棒蘸無水乙醇進(jìn)行清潔。流量檢查。當(dāng)實(shí)測流量與設(shè)定流量（16.67L/min）誤差超過±5%，或示值流量與實(shí)測流量誤差超過±2%時(shí)，須對流量進(jìn)行校準(zhǔn)。氣路檢漏。檢漏時(shí)儀器示值流量≤1.0L/min時(shí)，通過檢查。否則，應(yīng)檢查并修復(fù)漏點(diǎn)。檢查儀器顯示數(shù)據(jù)和數(shù)采儀之間的一致性情況。定期整理歸檔運(yùn)行維護(hù)記錄；備份監(jiān)測數(shù)據(jù)。β射線法顆粒物監(jiān)測儀的日常維護(hù)環(huán)境溫度傳感器檢查。儀器顯示溫度與實(shí)測溫度相差應(yīng)≤±2℃，否則應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。大氣壓傳感器檢查。儀器顯示大氣壓與實(shí)測大氣壓相差應(yīng)≤±1KPa，否則應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。環(huán)境濕度傳感器檢查。儀器顯示濕度與實(shí)測濕度相差應(yīng)≤±4%RH，否則應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。每半年對配有外置校準(zhǔn)膜的監(jiān)測儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)膜檢查，檢查結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)膜的標(biāo)稱值相差應(yīng)在±2%以內(nèi)。儀器內(nèi)部的氣體濕度傳感器應(yīng)每半年檢查一次，儀器示值與標(biāo)準(zhǔn)濕度計(jì)的讀數(shù)的誤差應(yīng)

≤±4%RH，否則應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。每半年清潔采樣平臺(tái)一次，使用棉簽棒蘸無水乙醇進(jìn)行清潔。每年對采樣管至少進(jìn)行一次清潔，污染較重地區(qū)可增加清潔頻次，采樣管清潔后需進(jìn)行氣密性檢查和流量校準(zhǔn)。

5.每年對監(jiān)測儀、采樣泵等進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。顆粒物監(jiān)測儀量值溯源主要主要的校準(zhǔn)設(shè)備及校準(zhǔn)工作外置標(biāo)準(zhǔn)膜校準(zhǔn)(零膜、跨度膜應(yīng)成套使用，不能與其他混用；應(yīng)關(guān)掉加熱系統(tǒng))※防止溫濕度計(jì)傳感器被太陽※防止溫濕度計(jì)傳感器被太陽直曬※避免太陽暴曬傳感器顆粒物監(jiān)測儀※儀器進(jìn)氣口穩(wěn)定≥1h切割頭的維護(hù)采樣管路清潔每年至少清潔一次，污染較重地區(qū)可增加清潔頻次，采樣管清潔后需進(jìn)行氣密性檢查和流量校準(zhǔn)。采樣泵刮片的更換刮板泵一般工作12個(gè)月后，應(yīng)做預(yù)防性維護(hù)，需對泵刮片進(jìn)行更換，同時(shí)清潔泵抽氣內(nèi)腔的灰塵和碳粉；如果使用的是活塞泵，則使用12個(gè)月后需更換活塞件。濾紙采樣斑點(diǎn)檢查斑點(diǎn)上如果有白塊，應(yīng)屬于非正常狀態(tài)，考慮與采樣平臺(tái)不清潔有關(guān)；塵斑邊緣如果出現(xiàn)不清晰的邊界，有邊界模糊或滲出現(xiàn)象等，則可能由于測量平臺(tái)密封不好，沒有壓緊造成的，多與采樣平臺(tái)的安裝和維護(hù)有關(guān)系。與環(huán)境濕度較大也可能有