一种低浓度粉尘仪检定装置的建立与应用*

沈正生 张国城 范人杰 施伟雄 张庆暖

(1.北京市计量检测科学研究院，北京 100029；2.常熟市矿山机电器材有限公司，常熟 215500； 3.张家港朗亿机电设备有限公司，张家港 215600)



一种低浓度粉尘仪检定装置的建立与应用*

沈正生1张国城1范人杰2施伟雄3张庆暖1

(1.北京市计量检测科学研究院，北京 100029；2.常熟市矿山机电器材有限公司，常熟 215500； 3.张家港朗亿机电设备有限公司，张家港 215600)

利用Wright系统作为发尘装置，设计了锥形过渡到圆柱形的扩散系统，以滤膜称重法作为溯源方法，建立了低浓度粉尘仪检定装置。实验结果表明，该检定装置具有连续工作时间长，响应时间快，均匀性和稳定性好，智能化、易于清洗、检测成本低等特点，能实现粉尘仪在线无损检测，可用于各类型低浓度粉尘仪、烟尘测试仪的计量检测工作。

低浓度；粉尘仪；检定装置；均匀性；稳定性

0 引言

粉尘仪监测结果的准确性，对于环保部门公布的大气污染情况，及评价环保政策和措施的效果，具有重要意义，甚至影响政府部门的公信力。要实现粉尘仪的量值溯源，无论是现行的JJG 846—1993《光散射式数字粉尘测试仪检定规程》[1]，还是正在修订中的《粉尘仪检定规程》，都是得建立在粉尘仪检定装置上。但是，目前无论是国内还是国外，都没有成型的低浓度粉尘仪检定装置，导致国内很多省份粉尘仪的计量检测工作不能开展起来。

粉尘仪检定装置的难点在于，颗粒物的再悬浮和扩散过程。目前典型的再悬浮系统是Wright粉尘喂料系统和流化床系统[2]。后者适用的粒径范围和粉尘材质广，但是存在均匀性、稳定性不够理想的缺点[3-4]，且系统不容易清洗[2,5]。为此，我们利用Wright系统作为发尘装置，建立了低浓度粉尘仪检定装置。

1 检定装置工作原理

所建立的装置为LYFJ-50型低浓度粉尘仪检定装置，结构如图1所示，主要可分为发尘部分、扩散腔、检测腔和除尘部分。该装置高约4m，其中检测腔长度和宽度分别为0.9m。

1.发尘装置；2.尘箱；3.被检粉尘仪；4.滤膜采样装置；5.风机图1 低浓度粉尘检定装置

发尘装置采用Wright原理，即利用旋转的刷子以一个恒定的速度磨蚀压缩的尘柱，形成大量分散颗粒物，再被高压气流带出进入稀释腔；同时有一管路为洁净空气，可对粉尘浓度进一步稀释。粉尘气溶胶经过2m多长的沉降和稀释混匀过程，进入检测腔。检测腔面积足够大，底部安装有稀疏横竖排列的铁架，用于安放多个被检测粉尘仪和安装滤膜采样装置(其截面积与检测腔横截面相比可忽略不计，可认为对检测腔内气溶胶气流没有干扰)。在装置底部安装一个风机，产生一定的负压，一方面为过滤过的洁净空气进入稀释腔提供动力，另一方面将穿过检测器的粉尘气溶胶吸走，避免因粉尘在底部的吸附和累积对产生的粉尘气溶胶产生干扰。

2 检定装置的特点

1)将传统的稀释腔分成了稀释腔和检测腔两部分。粉尘由细管路进入锥形结构，运输空间慢慢扩大，有利于粉尘气溶胶的缓慢稀释和扩散，再过渡到圆柱形结构，有利于粉尘气溶胶的进一步混匀并稳定下来。

2)通过风机维持内部处于负压状态，起稀释作用的洁净空气通过负压源源不断进入稀释腔。稀释气体的进入和稀释过程是缓慢的，对于风机的风量功率，经过大量实验优化，设定为60m3/h，内部气溶胶下降速度较慢，在0.03m/s左右(由风量换算得到)，有利于维持粉尘气溶胶的稳定性和均匀性。

2.1 实现在线无损检测

国内常见的粉尘检定装置中，被检粉尘仪和滤膜采样装置放置在粉尘稀释腔外，然后，通过一定长度的塑胶管与稀释腔内的等速采样头相连接。由于塑胶管对粉尘有吸附作用，且连接的管路具有一定的弯曲角度，甚至可能出现若干近似90°角的弯曲，这造成粉尘，特别是大颗粒粉尘，在运输过程中损失很大。

相比之下，该检定装置的检测腔面积大，且可打开操作，可放置多个被测粉尘仪和滤膜采样装置，不会对粉尘气溶胶的稳定性产生显著影响，避免了管路运输造成的损失，有利于提高检定结果的准确性。

为了避免偶尔产生的大颗粒物的干扰，滤膜采样装置上方装有百叶窗结构，避免大颗粒物直接垂直进入滤膜。

2.2 适用范围广

检测腔有三面为玻璃窗结构，便于观察内部被检测粉尘仪的数据；其中有一面为可拉开式结构，方便对检测腔内部仪器进行摆放、安装、调试等操作。同时另两面的玻璃窗可根据被检仪器的需要进行适当改造，如为一些具有长探头烟尘测试仪的安装提供窗口。所以，该检定装置能适合于各种尺寸粉尘仪或烟尘测试仪的计量检测，适用范围广。

2.3 智能化

2.3.1 目标浓度的快速设置

由于风机的风量相对固定，尘柱损耗的质量与发尘装置中刷子的转速成线性关系，如图2所示。所以，只要在初次实验时，确定发尘转速与粉尘浓度的关系，就能在后期的实验中，通过调整发尘转速，快速产生目标浓度附近的粉尘气溶胶。

图2 发尘转速与粉尘浓度的关系

2.3.2 粉尘浓度监测的记录和存储

该装置检测腔可放置数字粉尘监测仪，监测腔内粉尘浓度的变化，并可将数据线传输到电脑，实现记录并存储监测数据。对于需要长时间采样的低浓度实验，可通过监测数据查看采样期间的粉尘稳定性情况，以判断检测结果的科学性。

2.3.3 定时关闭功能

通过设置采样时间或总采样体积，可实现滤膜采样装置的定时关闭，同时可设置整套装置的关闭时间。这特别适用于无人值守的长时间采样，提高了粉尘仪检测效率。同时可通过监测仪的数据记录，对期间装置的运行情况进行复查。

2.3.4 自我保护功能

对于发尘装置，由于尘柱处于封闭状态不可见，如果尘柱消耗完而未来得及更换，将导致发尘装置的损坏。为此，该系统可设置尘柱长度和粉尘剩余预警，当尘柱长度小于预警长度时，将发出警报并停止发尘装置的运作，实现装置的自我保护。

2.4 易于清洁

对于流化床发尘装置，特别是TOPAS公司生产的SAG410/L履带式发尘装置[2]、SAG410/U载圈式发尘装置[5]，清洗时甚至需要拆开多个管路和精密部件，不仅耗费大量时间，而且容易损坏部件。本装置采用的Wright发尘系统，由于尘柱处于封闭状态，在消耗完之前无需更换和打开清洗，即使需要也可快速更换；设计的扩散腔和检测腔由于空间大，方便清洗，甚至可通过增大装置内部负压，实现装置的简单自动化清洗，这都将显著提高粉尘仪计量检测效率。

2.5 检测成本低

该装置采用的颗粒物标物是经气流粉碎制备的烟煤，原料成本低；Wright发尘系统的粉尘标物利用率很高，除了少于剩余预警部分需舍弃外，其他均能转化为粉尘气溶胶。而流化床发尘装置，往往得加入过量的粉尘标物，且不再回收利用，导致粉尘标物的大量浪费。因此，本检定装置将大大降低粉尘仪计量检测成本。

3 检定装置性能指标

3.1 粒径范围

本装置所用的烟煤颗粒物标准物质，经JL-1177型激光粒度测试仪测得的粒径D50=1.265μm(D50是指粒径在该值之下占总体积50%，下同)，D75=2.140μm，D84=2.709μm，体积平均粒径为1.698μm，如图3所示。所以，该颗粒物标准物质的粒径80%在2.5μm以下，99%在10μm以下，不仅能胜任各种粉尘仪的计量检测，还可以用于PM10和PM2.5监测仪的计量检测。

图3 所用粉尘的粒径分布图

3.2 浓度范围

该检定装置的最佳发尘浓度范围为0～50mg/m3，但实际最高浓度可达到200mg/m3，而浓度过高时，容易造成粉尘浓度不稳定，且容易在内部管壁上发生吸附和沉积，此时建议改用高浓度粉尘仪检定装置。

3.3 均匀性

在检测腔正中间安装1#滤膜采样装置，位置保持不变；在操作平台内距离1#采样装置相邻和东、西、南、北各28cm处安装2#滤膜采样装置。发尘浓度保持在5mg/m3左右，两个装置的采样流量均为20L/min，采样时间均为20min，以2#和1#测量结果之差除以两者平均值作为相对偏差，来考核装置的均匀性；每个位置各测量2次，检测结果如表1，满足任意两点相对偏差≤5%的稳定性要求。

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表1 均匀性数据

3.4 稳定性

采用常熟矿山机电器材有限公司生产的CLD-50数字粉尘测量仪作为监测仪器，该仪器位置放于中心位置保持不变，数据1min采集一次(该数据为1min内的平均值)，假设该仪器重复性足够好，其示值变化能反映检测腔内粉尘浓度的变化。等粉尘浓度调整到目标值并至少稳定5min后，保持检定装置各参数不变，用监测仪持续采集一定时间，再把该时间均匀分成6段(多余的舍弃)，每段时间内的数据取平均值，得到6个数据，再计算相对标准偏差，用来作为评价检定装置稳定性的依据。

3.4.1 短期稳定性

目标浓度分别设置为1mg/m3、2mg/m3、3mg/m3和4mg/m3左右，分别采集20min，结果如图4所示。以每3min数据取平均，得到6个数据的相对标准偏差，结果分别为：2.8%、2.3%、2.3%和2.4%。

图4 不同粉尘浓度下的短期稳定性曲线

3.4.2 长期稳定性

目标浓度设置为1mg/m3，稳定后粉尘测量仪持续采集数据150min，结果如图5所示。以每25min数据取平均，得到6个数据：0.968、0.953、0.947、0.936、0.908、0.857(mg/m3)，计算得到相对标准偏差为4.3%。以上结果表明，装置的稳定性满足连续6次测量结果相对标准偏差≤5%的要求。

图5 粉尘浓度长期稳定性曲线

响应时间为粉尘浓度从低浓度调整到高浓度，从调整到达到90%目标浓度所需要的时间。粉尘浓度分别由2mg/m3调整到5mg/m3、10mg/m3和15mg/m3左右，粉尘测量仪1min采集一个数据，结果如图6所示，该装置响应时间≤5min。

图6 检定装置响应时间

3.6 持续运行时间

由于该装置各部件可连续运行，所以，持续发尘时间主要取决于发尘装置中压缩尘柱的消耗情况。压缩的尘柱长度8cm，直径1.6cm，重量约19g左右；风机抽气风量为60m3/h。如果发尘浓度为5mg/m3，可持续发尘63h；如果发尘浓度为0.5mg/m3，可持续26天。

4 应用案例

利用该检定装置对Thermo的PMCEM在线烟尘测试仪进行检测，以滤膜称重(采样流量：20L/min)结果作为参考标准值，以采样时间内烟尘测试仪测量结果平均值作为仪器示值，检测结果如表2所示：

表2 Thermo烟尘测试仪检测结果

以浓度为3mg/m3左右的数据来考察仪器的稳定性，共得到6个数据为：3.49、3.43、3.30、3.33、3.39、3.26(mg/m3)，计算得到相对标准偏差为2.5%。结果表明，该烟尘测试仪性能指标良好，该检定装置能用于粉尘和烟尘测试仪的计量检测工作。

5 结论

综上所述，LYFJ-50型低浓度粉尘仪检定装置通过Wright发尘装置和锥形-圆筒形扩散腔的结合，提高了发尘浓度的均匀性和稳定性，具有响应时间快、连续工作时间长的特点，且检测腔的设计，可实现被检测粉尘仪和滤膜采样装置的在线无损耗检测，提高了检测结果准确性；同时该系统还具有易于清洁、检测成本低和智能化设置的有点，可适用于各类型低浓度粉尘仪、烟尘测试仪的计量检测。

[1] JJG 846—1993 光散射式数字粉尘测试仪检定规程.北京：中国计量出版社，1993

[2] 黄玉虎，等.颗粒物再悬浮和检测系统的性能指标.过程工程学报，2009(9)

[3] 刘龙波，王旭辉，张自禄.投料式流化床气溶胶发生器的研制及应用.过程工程学报，2002，2(增刊)

[4] 李永旺，赵长遂，吴新，等.新型流化床气溶胶发生装置及其特性.东南大学学报(自然科学版)，2005，35(5)

[5] 沈正生，张国城.大气颗粒物在线监管技术体系研究.计量学报，2010，31(5A)

*国家质检总局科技计划项目(2011QK041)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.13