2.周国强-颗粒物自动监测原理及运行维护

2024年第七期环境空气自动监测运维与质控培训班大气颗粒物（AtmosphericParticulateMatters）大气颗粒物：大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称。各种颗粒状物质均匀地分散在空气中构成一个相对稳定的庞大的悬浮体系，即气溶胶体系，因此大气颗粒物也称为大气气溶胶（AtmosphericAerosols）。大气颗粒物（AtmosphericParticulateMatters）天然源和人为源释放到大气中直接造成的，例如土壤粒子、海盐粒子、燃烧烟尘等。由大气中的污染气体组分（如SO2、NOX、碳氢化合物等）之间，或这些组分与大气中的正常组分（如氧气）之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其他化学反应转化生成的颗粒物，例如二氧化硫转化生成硫酸盐。大气颗粒物的粒径分布大气颗粒物（AtmosphericParticulateMatters）PM10：是指环境空气中空气动力学直径小于或等于10μm的颗粒物，可通过呼吸进入人体上、下呼吸道，故称可吸入颗粒物。PM2.5：是指环境空气中空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称为细颗粒物。细颗粒物—灰霾成因与影响（消光）细粒子的消光（反射/散射/吸收）作用，导致能见度下降细颗粒物—灰霾成因与影响（能见度）细颗粒物—灰霾成因与影响（人体健康）PM2.5颗粒物直径还不到人的头发丝粗细的1/20，与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。细颗粒物—灰霾成因与影响（人体健康）1952年（12月5~9日）伦敦烟雾事件，逆温、大量污染物排放造成污染事件，

据部分专家统计，这场烟雾在当年12月导致约4,000人死亡，并且有后续影响。细颗粒物—灰霾成因与影响（人体健康）全球PM10污染的总体格局全球PM2.5污染的总体格局中国沿海地区城区典型的雾霾过程（2011年）2017年近年来我国颗粒物浓度下降显著以广东为例：2015年，广东全省和珠三角首次实现PM2.5达标，并连续九年保持稳定达标。2020年，广东全省和珠三角PM2.5为22微克/立方米和21微克/立方米，首次达到WHO-II阶段目标，并连续四年保持稳定。PM2.5（微克/立方米）2014201520162017201820192020202120222023全省38312930292722222021珠三角39323032302821211921备注：WHO-I阶段目标：35微克/立方米；WHO-II阶段目标：25微克/立方米；WHO-III阶段目标：15微克/立方米。测量方法一、β射线法监测原理：β射线是一种高速电子流，具有较强的穿透力，当它穿透物质后，部分被吸收，导致强度衰减。在一定条件下，其衰减量的大小仅与吸收物质的质量有关，而与吸收物质的其他物理特性（如颗粒物材质、颜色、光泽、形状等）无关，因此能直接测量大气颗粒物的质量。仪器多采用低能量C14作β射线源（≤100μCi），在颗粒物采集过程中，根据β射线被吸收的变化量，利用朗伯-比尔定律计算出颗粒物的质量。为减少样品中挥发、半挥发性物质因过度加热而损失，该类仪器通常带有动态加热系统（DHS），代表性仪器厂家包括天虹、蓝盾、先河、聚光、Metone、赛默飞等等。测量方法--小时出值监测仪以恒定的β射线源先后穿过空白滤膜和采集有颗粒物样品的滤膜，比较其吸收量的变化，便可求得颗粒物样品的质量（）。若测量的时间相同

，前后两次测量的总计数分别为N1和N2。β射线穿过吸收物质后，其强度的衰减可由下式计算：式中：I——β源辐射穿过物质后的强度；I0——β源的辐射强度；∆MT——吸收物质单位面积（cm2）总质量（mg）；K——质量吸收系数。测量方法--连续出值β射线衰减测量法原理：采样泵吸入的环境空气经滤膜过滤后，颗粒物沉淀在采样滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线能量产生衰减，利用对β射线衰减量的测定而计算出采样期间增加的颗粒物质量BetaAttenuationMethodBetaMass13000

3500300012000250011000BetBetaCounts(1/s)1000070000700009000100080005000510

1520Time(h)测量方法光散射法•光散射法原理：利用光与微小颗粒作用时发生散射现象研制出各种能定量测定烟尘和可吸入颗粒的分析仪器。由激光二极管发出的激光光源，经聚焦的光束沿x方向穿过一个三维检测腔。在该三维检测腔交汇处，被测样品由z方向导入，并与激光光束发生作用，使部分光产生散射。未散射的光沿原方向投射在黑体上被吸收，而散射光的方向被改变，其中一部分经由y方向射到一个光度计，由光度计测量其光通量，其余散射光被黑体吸收。途经三维检测腔交汇处的样品由真空泵抽出。测量方法光散射法光源发出一定波长的光束照射到进入光室的颗粒物后产生散射光，检测器检测到散射光，光强数值可以对应出重量法校准的标准值。内部腔体涂覆黑色物质吸收反射光β射线法颗粒物监测仪的采样流路示意图测量方法二、振荡天平法测量原理：样品空气在抽气泵的作用下，将切割器分离出的待测颗粒物沉积在采样滤膜上，振荡天平称量质量增量后，与该时段内的样品气体积计算得出基础质量浓度。具有挥发性补偿装置的振荡天平法颗粒物监测仪还要在下一个时段使样品气先通过恒温的零气过滤器，再通过采样滤膜，该时段内的质量浓度的变化量作为参考质量浓度（负值）。最终浓度为基础质量浓度减去参考质量浓度。为了能对样品中因挥发、半挥发而损失的物质予以补偿测量，该类仪器通常带有膜动态测量系统（FDMS），生产厂家包括天虹、赛默飞等。测量原理图如下式：如下式：物理特性非常稳定（材料、结构、封装），受温度影响极小，KO变化小于1%（30→50℃）

振荡天平法仪器质量传感器的基本结构如图所示，样气通过滤膜和振子的中空部分，由采样泵带走，样气中的颗粒物被滤膜截留并附着在滤纸上，从而使整个振荡体的质量发生变化，振荡体的振荡频率发生变化，则振荡体的质量变化与振荡频率的变化的关系FDMS工作原理A、B状态等时间切换（如6-15min），从而解决了样品因湿度、挥发（半挥发）物质损失对颗粒物准确测量的问题。FDMS工作原理B状态采样流路A状态采样流路工作流量常见的颗粒物监测仪设计的采样流量为16.67L/min，这一点非常重要，因为切割头（粒径分离器）需要此流量来把符合尺寸的微粒从气流中分开。粒径分离使用微粒在运动中的惯性原理，将那些超过一定尺寸（切割点）的微粒分出来，这样它们就不会被仪器测量。流量要求维持在16.67L/min的±5%内，因此颗粒物监测仪必须定期执行流量校准。流量类型设定：标况，或实况（体积）各测量方法的特点β射线衰减法时间分辨率低准确性好，不依赖颗粒物特性光散射法时间分辨率高准确度低，依赖颗粒物特性精密度高微量振荡天平法直接测量颗粒物质量，准确度高各测量方法的特点β射线法+光散射法：使得测量结果既准确又精密，并且可以达到秒级出数。β射线法

光散射法

β射线法+光散射法国家对统一监测方法的要求β射线法颗粒物监测仪的组成β射线法大气颗粒物监测仪主要由4个部件组成：切割器采样系统动态加热系统监测仪主机β射线法颗粒物监测仪的组成一、切割器切割器是根据空气动力学原理设计的，用于分离不同直径的颗粒物，切割效率流量为16.67×（1±5%）L/min。β射线法颗粒物监测仪的组成一、切割器➢50%切割粒径PM10切割器：10μm±0.5μm空气动力学直径；PM2.5切割器：2.5μm±0.2μm空气动力学动力学直径。捕集效率曲线在50%捕集效率曲线处，对应下来的空气动力学直径（此处约为2.5μm）

即为此切割器的Da50，若Da50=2.5μm，我们就称该切割器为PM2.5

切割器。捕集效率曲线（反S型）非常接近理想曲线（Z型）β射线法颗粒物监测仪的组成一、切割器PM10切割器：冲击式切割原理；PM2.5切割器：旋风式切割原理；➢切割器效率流量要求.PM10

PM2.5β射线法颗粒物监测仪的组成二、采样系统采样系统主要包括采样管路、控流系统、采样泵等组成，主要保证采样流量稳定在16.67×（1±5%）L/min。β射线法颗粒物监测仪的组成三、动态加热系统动态加热系统（DynamicHeatedlySystem简称DHS)：根据外界温湿度的变化实时调节加热方式，使样品的温湿度控制在合适的范围内，减少持续加热时间，降低不稳定成分的挥发，以保证颗粒物测量的准确性。β射线法颗粒物监测仪的组成四、监测仪主机监测仪主机由中控系统，内部集成有流量控制模块、机械传动组件、信号检测与数据处理、数据传输和控制系统等组成。人机交换界面实现对整套系统的运行控制。β射线法颗粒物监测仪的日常维护《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统运行和质控技术规范》（HJ817-2018）。关于印发《国家环境空气质量监测网城市站运行管理办法》的通知（环办监测〔2020〕15号）。国控网运维记录检查表。β射线法颗粒物监测仪的日常维护检查采样头、采样管的完好性，及时清理缓冲瓶内积水。检查各监测仪器工作参数和运行状态是否正常。检查采样纸带位置是否正常，采样斑点是否圆滑、均匀、完整，检查纸带使用情况，如即将用完应及时更换。β射线法颗粒物监测仪的日常维护至少清洁一次采样切割头，受植物飞絮、飞虫影响的季节，应增加清洁频次。若遇重污染天气或沙尘天气，污染结束时立即清洁。（清洁时，应完全拆开采样切割器，用蒸馏水或无水乙醇清洁，完全晾干或用风筒吹干后重新安装，同时检查密封圈的密封情况。）检查采样管加热装置是否正常工作，加热温度是否正常。检查监测仪的压头及纸带下垫块的清洁情况，如脏污需使用棉签棒蘸无水乙醇进行清洁。流量检查。当实测流量与设定流量（16.67L/min）误差超过±5%，或示值流量与实测流量误差超过±2%时，须对流量进行校准。气路检漏。检漏时仪器示值流量≤1.0L/min时，通过检查。否则，应检查并修复漏点。检查仪器显示数据和数采仪之间的一致性情况。定期整理归档运行维护记录；备份监测数据。β射线法颗粒物监测仪的日常维护环境温度传感器检查。仪器显示温度与实测温度相差应≤±2℃，否则应进行校准。大气压传感器检查。仪器显示大气压与实测大气压相差应≤±1KPa，否则应进行校准。环境湿度传感器检查。仪器显示湿度与实测湿度相差应≤±4%RH，否则应进行校准。每半年对配有外置校准膜的监测仪进行标准膜检查，检查结果与标准膜的标称值相差应在±2%以内。仪器内部的气体湿度传感器应每半年检查一次，仪器示值与标准湿度计的读数的误差应

≤±4%RH，否则应进行校准。每半年清洁采样平台一次，使用棉签棒蘸无水乙醇进行清洁。每年对采样管至少进行一次清洁，污染较重地区可增加清洁频次，采样管清洁后需进行气密性检查和流量校准。

5.每年对监测仪、采样泵等进行预防性维护。颗粒物监测仪量值溯源主要主要的校准设备及校准工作外置标准膜校准(零膜、跨度膜应成套使用，不能与其他混用；应关掉加热系统)※防止温湿度计传感器被太阳※防止温湿度计传感器被太阳直晒※避免太阳暴晒传感器颗粒物监测仪※仪器进气口稳定≥1h切割头的维护采样管路清洁每年至少清洁一次，污染较重地区可增加清洁频次，采样管清洁后需进行气密性检查和流量校准。采样泵刮片的更换刮板泵一般工作12个月后，应做预防性维护，需对泵刮片进行更换，同时清洁泵抽气内腔的灰尘和碳粉；如果使用的是活塞泵，则使用12个月后需更换活塞件。滤纸采样斑点检查斑点上如果有白块，应属于非正常状态，考虑与采样平台不清洁有关；尘斑边缘如果出现不清晰的边界，有边界模糊或渗出现象等，则可能由于测量平台密封不好，没有压紧造成的，多与采样平台的安装和维护有关系。与环境湿度较大也可能有