三种测试颗粒物方法的原理及应用

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引言：随着社会的发展，人们对空气质量和噪声监测的要求越来越高，随之而来的就是针对各种原理的探索和发展创新。当下，测试大气颗粒物的主要方法有三种：光散射法，β射线法和微量振荡天平法，本文将针对这三种方法的原理进行深入研究探讨并针对每种方法整理出一些市场上现有的产品，供大家一起学习参考和比较。
关键词：光散射法 大气颗粒物 对比试验 应用
  
（一）原理：
  首先先大致介绍下大气颗粒物的分类及分析方法如图：

                                        分析方法
颗粒物分类        缩写        定义                       
                        手工分析                自动分析
                                               
                                               
                        环境空气中空气动力学当量直径        重量法               
总悬浮颗粒物        TSP                               
                        ≤100μm 颗粒物        GB/T15432               
                                               
                        环境空气中空气动力学当量直径                        β射线法、微量震荡
可吸入颗粒物        PM10                重量法 HJ618               
                        ≤10μm 颗粒物                        天平法
                                               
                        环境空气中空气动力学当量直径                        β射线法、微量震荡
细颗粒物                PM2.5                重量法 HJ618               
                        ≤2.5μm 颗粒物                        天平法
                                               
1.β射线法
  β射线仪则是利用 Beta 射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β 射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。
  β射线法颗粒物监测仪由 PM10 采样头、PM2.5 切割器、样品动态加热系统、采样泵和仪器主机组成。流量为 1m3/h 的环境空气样品经过 PM10 采样头和 PM2.5 切割器后成为符合技术要求的颗粒物样品气体。在样品动态加热系统中，样品气体的相对湿度被调整到 35%以下，样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。在仪器中滤膜的两侧分别设置了 Beta 射线源和 Beta 射线检测器。随着样品采集的进行，在滤膜上收集的颗粒物越来越多，颗粒物质量也随之增加，此时 Beta 射线检测器检测到的 Beta 射线强度会相应地减弱。由于 Beta 射线检测器的输出信号能直接反应颗粒物的质量变化，仪器通过分析 Beta 射线检测器的颗粒物质量数值，结合相同时段内采集的样品体积，最终得出采样时段的颗粒物浓度。配置有膜动态测量系统后，仪器能准确测量在这个过程中挥发掉的颗粒物，使最终报告数据得到有效补偿，理接近于直实值。
2.光散射法
  光散射是指光线通过不均匀的介质而偏离其原来的传播方向，散幵到所有方 向的现象。如果在均匀介质中掺入一些大小为波长数量级且杂乱分布的颗粒物质，它们 的折射率与周围均匀介质的折射率不同，原来均匀介质的光学均匀性遭到破坏， 这些不均匀无规则分布的颗粒物就会引起光的散射。在这些散射光中，携带了有关散射颗粒物的很多信息，诸如颗粒的大小、粒度分布、浓度等。要想从散射光中得到这些信息，就必须运用一套光散射理论，对所接收到的散射光进行分析、 处理。
  光散射法基于光散射原理。当光束入射到颗粒（不管是固体颗粒、液滴或气泡）上时将向空间四周散射，光的各个散射参数则与颗粒的粒径密切相关，这就为颗粒测量提供了一个尺度。可用于确定颗粒粒径的散射参数有：散射光强的空间分布、散射光能的空间分布、透射光强度相对于入射光的衰减、散射光的偏振度等。通过测量这些与颗粒粒径密切相关的散射参数及其组合，可以得到粒径大小和分布，因此使得光散射式颗粒测量仪的生产方式也多种多样。
3.微量振荡天平法
  微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。
  
（二）应用
  下面为大家介绍几种市场上针对这三种原理的相关的仪器。
1.LW5014i β射线法监测系统
  5014i是一台自动连续测量空气中颗粒物的监测仪， 应用β射线衰减测量技术，并结合成熟的i系列平台 设计，该仪器准确、可靠，可用导轨固定于机柜上。

2.ZS4T型扬尘噪声监测设备
  智能型在线扬尘噪声监测仪基于光散射原理，采用第五代嵌入式集成技术，可选TSP监测或PM10 PM2 5同步监测，数据准确，可拓展气象五参数、高清摄像机及户外LED显示屏。技术、性能及兼容性。

3.LW3700振荡天平监测系统
  采用微量振荡天平法，是近年发展起来的颗粒物浓度测量方法，其测量精度和测试实时性上是传统方法无法比拟的。主要用于实验室科学研究，其他设备监测数据参考标准设备，需要极高精度。


（三）β射线法监测大气污染的误差来源及注意事项
   β射线测尘仪在工作过程中，可能受到种种因素的制约而使监测精度受到影响。这些因素或与检测系统有关，或与采集系统有关。我们应了解这些因素产生的原因及带来的不良后果，进而采取相应的措施，提高β 射线测尘仪的监测精度。
3.1 采样滤纸的位移
   一般射线测尘仪监测时，采样滤纸要经计数门计数(未采样时，射线β辐射)，再经采样门采样(该滤纸上采集尘样)，返回计数门计数(采样后β射线辐射)的过程，实质是将某一面积的滤纸进行2次Β射线辐射从而求出采样后的粉尘浓度。若这一过程中，滤纸位移误差存在，势必影响测量精度， 故应用机械方法准确定位，保证准确传送滤纸。
3.2 β源及检测装置的影响
   在保证β源装入测尘仪中, 在对人体绝对安全的前提下, β源和探测器之间的空气密度的变化会引起β计数频率的变化, 减少空气间隙的长度可以提高精度, 采用参数β粒子探测器可以补偿空气密度变化的影响。β 源和探测器的准直度会对测量结果带来误差, 故使β源和探测器之间具有高准直度, 可使吸收曲线更接近指数规律衰减, 提高测量精度。
4.3 采样点及采样管
   若采样点设置不当, 则采集的空气粉尘样品不能反映大气粉尘的真实情况, 应将采样点设置在粉尘较多的场合, 并且最好实行全方位采集。采集管内粉尘的吸附会使尘样损失, 导致测量结果变低。为此, 要求采样管长度不能超过5 m; 要直, 若有弯管, 则其弯曲半径要大于管径5~10倍;内壁要光滑, 无吸附; 整个采样管路应密封。
4.4 采样气体体积的影响
   一般β射线测尘仪采用过滤方法收集尘样, 流量会随粉尘收集量的增加而减少, 使采集气体体积变小, 从而使测量结果变低。此时可通过流量调节装置使流量保持恒定, 具体可采用具有恒流措施的采样泵。
4.5 注意β辐射涨落现象
   由于β辐射强度存在涨落现象, 即可能存在2 次β粒子计数的不确定性, 从而产生统计误差, 影响测尘精度。为消除这种影响, 可延长计数时间( 计数时间大于1 min) , 提高计数速率( 频率大于1 kHz)。

（四）其他常用方法
称重法其原理是分别通过一定切割特征的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出颗粒物浓度。必须注意的是，计量颗粒物的单位ug/m3中分母的体积应该是标准状况下（0℃、101.3kPa）的体积，对实测温度、压力下的体积均应换算成标准状况下的体积。此方法需要人工称重，程序比较繁琐而费时。因此这种方法及仪器不太应用于实时监测。

（五）总结
随着自动化及信息技术的迅速发展，环境监测也由人工采样和实验分析为主，向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展；由较窄领域监测向全方位监测领域发展。监测仪器也逐步向高质量、多功能、集成化、自动化系统化和智能化的方向发展。社会需要大量的精确、使用方法操作简单的的大气颗粒物监测仪器、监控设备，应重点发展用于在线监测污染源烟尘、工业粉尘排放量（浓度和总量），包括测量相关参数：流量、含湿量、温度等，实现污染源排放浓度货总量检测以及监测和监控一体化的监测仪器，特别是适用于细微颗粒物（PM2.5和PM10）的采样和监测仪器。
要适应这样的发展，我们必须加强环境监测仪器和监测技术的的现代化的研究，同时研究大气颗粒物浓度各种性质对监测仪器的影响，反过来也根据这些影响探索更多的领域方面的仪器的研发和应用，不断自我创新，研发出新的仪器。

参考文献：
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