0 引　言

颗粒物切割器是粉尘浓度监测仪器进气口前端的重要部件，利用不同大小的颗粒物惯性不同，可实现颗粒物筛分，从而提高后续粉尘浓度测量单元检测结果的准确性。按照原理不同，切割器可分为旋风式、撞击式、虚拟撞击式等；按照筛分粒径不同，可分为PM₁、PM_2.5和PM₁₀切割器^[1]。由于目前切割器的加工过程高度依赖国外的图纸，且各生产厂家的加工能力良莠不齐，加工精度差别较大，导致切割器的性能水平不一。为提高环境监测数据的准确性，需要对市场上的切割器性能进行评价^[2-3]。之前已有研究人员对切割器的性能测试方法进行了相关的研究^[4-5]，HJ 93—2013《环境空气颗粒物（PM₁₀和 PM_2.5）采样器技术要求及检测方法》中^[6]，在切割器性能测试方法部分提到了使用气溶胶粒径谱仪测量单分散固态气溶胶的粒径和浓度，但并未对选用何种工作原理的粒径谱仪进行说明，而使用不同工作原理的粒径谱仪检测切割器的性能，得到的结果是否一致，目前也暂未见到相关的研究。

本课题组前期利用空气动力学粒径谱仪，搭建了静态箱法PM_2.5/PM₁₀切割器检测装置，研究了采样流量等因素对检测结果的影响，并通过将单分散颗粒物混合、多分散的ISO超细试验粉尘用于切割器的检测，验证了使用这两种颗粒物对切割器性能的评价结果与标准方法差异不大，但可极大提高检测效率，同时降低检测成本^[7-11]。根据HJ 93—2013，切割器的性能检测需采用8种粒径的单分散聚苯乙烯微球，密度为1.05 g/cm³，因此可认为其光学粒径与动力学粒径基本相同。在绘制PM_2.5切割器的捕集效率曲线时，横坐标一般直接采用标准物质微球的粒径标称值^[12]。因此，从理论上分析，光散射法和空气动力学法粒径谱仪对切割器的性能评价结果应当是一致的。本研究通过向测试舱内发生不同粒径的颗粒物气溶胶，形成浓度均匀、稳定的气溶胶环境，下方使用粒径谱仪分别对切割器上、下游的颗粒物数浓度进行测量，对同一个PM_2.5切割器的性能进行评价，并对两种评价结果进行对比分析。

1 实验方法 1.1 实验设备

静态箱：对PM_2.5切割器的性能评价依托静态箱法切割器评价装置开展，该装置在之前的研究内容中已有涉及，包括雾化器、扩散腔、检测舱、粒径谱仪等^[7-11]。光散射法粒径谱仪，PALAS公司Promo3000型。空气动力学粒径谱仪，TSI公司APS3321型。PM_2.5切割器，BGI公司VSCC型，对应采样流量16.67 L/min。

1.2 检测过程

将待评价的PM_2.5切割器安装在静态箱内，分别使用1.7~3.9 μm范围内的8种粒径的聚苯乙烯微球或混合聚苯乙烯微球，或多分散亚利桑那A1尘进行雾化，待检测舱内的浓度稳定后，使用粒径谱仪分别测量切割器上、下游的颗粒物浓度，从而计算得出某粒径对应的捕集效率，最终将多个粒径下的捕集效率进行拟合，绘制出捕集效率曲线，再计算Da₅₀和几何标准偏差。

2 测量结果 2.1 同一粒径颗粒物测量结果的差异

为了对比不同原理的粒径谱仪对同一粒径颗粒物的粒径识别结果，选取1.7 μm和2.5 μm的单分散聚苯乙烯微球，形成单分散颗粒物气溶胶，对其粒径谱图进行分析，识别结果对比如图1所示。可以看出空气动力学粒径谱仪识别出的粒径准确性更高，单一性更好；在光散射法粒径谱仪得到的粒径谱图中，虽然数量最多的通道与发生的颗粒粒径一致，但在相邻的其他通道识别出的颗粒物数量也较多，对颗粒粒径识别的单一性不理想。

2.2 测量重复性的差异

以粒径为1.7 μm和2.5 μm的颗粒物为例，3次测量的数据如表1所示。从表1的结果可以看出，使用空气动力学粒径谱仪测得的3次捕集效率重复性较好，差别不大，在1.7 μm和2.5 μm时的相对标准偏差RSD分别为0.4%和1.7%。而使用光散射法粒径谱仪测得的3次捕集效率波动性较大，重复性较差，在1.7 μm和2.5 μm时的相对标准偏差RSD分别为6.0%和5.6%。在同样的气溶胶环境条件下，使用空气动力学粒径谱仪得到的RSD较小，说明静态箱中粒子浓度足够均匀稳定，而光散射法粒径谱仪得到的超差的重复性是由仪器性能引起的。

2.3 测量结果的差异

使用光散射法粒径谱仪和空气动力学粒径谱仪评价同一个PM_2.5切割器得到的8个粒径下的捕集效率如表2所示，表中各粒径下的捕集效率都是3次测量结果的平均值。

从表2的结果可以看出，使用空气动力学粒径谱仪测出的结果重复性较好，而使用光散射法粒径谱仪测出的结果重复性虽然也在HJ 93—2013要求的10%以内，但明显比空气动力学粒径谱仪的测量重复性差。

从表2还可以看出，除了重复性差异，两种原理粒径谱仪测量得到的捕集效率结果差异也很大。例如粒径为2.7 μm时，空气动力学粒径谱仪检测得到捕集效率为32.2%，而光散射法粒径谱仪为41.8%；在粒径为3.0 μm时，使用空气动力学粒径谱仪检测得到捕集效率下降到14.4%，而光散射法粒径谱仪仍然高达23.4%，两者的差值非线性关系。

2.4 捕集效率曲线的差异

2.4.1 两种粒径谱仪评价结果对比

为了更加直观地体现两种方案所得结果的区别，根据以上数据绘制出了使用聚苯乙烯微球评价PM_2.5切割器的捕集效率曲线，如图2所示。通过图2中的捕集效率曲线，可根据HJ 93—2013中的公式计算出切割器的50%切割粒径Da₅₀和几何标准偏差。由空气动力学粒径谱仪的曲线可得出Da₅₀为2.52 μm，几何标准偏差σ_g分别为Da₅₀/Da₈₄和Da₁₆/Da₅₀，其值为1.13和1.18；而使用光学粒径谱仪得出的Da₅₀为2.57 μm，几何标准偏差σ_g分别为Da₅₀/Da₈₄和Da₁₆/Da₅₀，其值为1.23和1.20，按照HJ 93—2013中的性能指标：Da₅₀=（2.5±0.2） µm，σ_g=1.2±0.1，使用两种粒径谱仪评价得到的此切割器的性能结果均符合要求。

前期研究中，通过把8个粒径的单分散聚苯乙烯微球混合，可进一步提高检测效率，且对于动力学粒径谱仪，单独检测和混合检测差异不大^[13]。但是对于光散射粒径谱仪，混合后得到的结果如图3所示，Da₅₀=2.53 μm，Da₅₀/Da₈₄和Da₁₆/Da₅₀分别为1.49和1.34。粒子混合后，虽然得到捕集效率曲线任然是反S型，Da₅₀变化不大，但是曲线两端向中间偏移，及曲线倾斜度变小，导致得到的几何偏差增大而不合格。

2.4.2 不同种类颗粒物评价结果对比

在评价PM_2.5切割器时，为了缩短评价时间、降低所用颗粒物的成本，可以使用亚利桑那超细粉尘（以下简称“A1尘”）对切割器进行评价，能够一次性得到捕集效率曲线，且成本较低。在之前的研究成果中，对比了使用这两种不同种类的颗粒物及空气动力学粒径谱仪评价PM_2.5切割器得到的捕集效率曲线^[10]，结果较为接近，如图4（a）所示。可以看出，使用两种颗粒物评价得到的曲线重合度较高，关键指标也比较接近^[10]。

使用A1尘和光学粒径谱仪评价同一台切割器，和使用聚苯乙烯微球得到的结果进行对比，如图4（b）所示。可以看出使用A1尘和光散射法粒径谱仪评价得到的曲线已经不符合反向非对称S形状，与使用聚苯乙烯微球评价得到的曲线差别较大，而且使用A1尘评价时，在粒径为4.0 μm处捕集效率仍高至25%，以至于无法计算出Da₁₆，也无法得到几何标准偏差。在本研究团队之前的研究成果中，分析过两种颗粒物的密度、材质、三维形貌等因素的差别^[10]。出现该现象的原因可能是A1尘的主要成分为SiO₂，密度为2.7~2.9 g/cm³，光学粒径谱仪对其粒径和数浓度的识别出现了偏差，从而导致了捕集效率测量结果的差异。

3 讨　论 3.1 两种仪器检测原理的差异

3.1.1 光散射法粒径谱仪

光散射法仪器对粒径的识别原理如图5所示，仪器测量单元中的激光照射经过的粒子，产生的散射光由多元探测器收集，光信号被转换成电信号，通过确定信号的脉冲高度，结合仪器自身的校准功能，可将粒径分配到不同通道，从而得到粒径分布。

光学粒径谱仪对颗粒物粒径谱图的测试结果依赖于得到的激光的信号值，该信号值可能是综合的结果。之前也有研究人员发现^[14]，颗粒物的叠加会导致光学粒径谱仪对粒径的识别不准确，如图6所示。当几个颗粒物叠加在一起时，可能会被当作整体，识别为一个大粒径的颗粒物，从而影响最终的粒径识别结果。或者粒子经过检测区时，只是被部分照射，或者接收到其他粒子散射光而发再发生散射，此时光强变弱，仪器会识别为一个更小的粒子。因此，对单分散粒子进行检测时，得到的结果并非只有一个粒径，而是比较宽的峰，粒径有大有小，这是由仪器检测原理决定的。仪器测量结果受浓度影响较大，且滞后性较强，容易出现波动，导致测试结果重复性不好。因此，光散射法粒径谱仪对不同粒径颗粒物的多次测量结果存在差异，重复性较差；对同一粒径颗粒物在不同浓度下的测量结果也存在差异。使用光散射法粒径谱仪用来检测PM_2.5切割器时，需要考虑到颗粒物浓度变化对测试结果的影响，而空气动力学粒径谱仪的检测不存在此类问题。

3.1.2 空气动力学粒径谱仪

粒子的空气动力学粒径决定了它的加速度，由于惯性增加，较大的粒子加速更慢，通过记录粒子在两束激光之间的飞行时间，再结合校准曲线，即可得到粒子的空气动力学直径^[15]，如图7所示。空气动力学粒径谱仪使用两束平行激光产生一个双波峰光信号，每个粒子通过这两束激光，都会产生一个具有两个波峰的单一连续信号。只有一个波峰信号的粒子或具有两个以上波峰信号的粒子都不用于粒径分布计算。由此可知，空气动力学粒径谱仪的粒径识别结果是一个非常精确的计数分布，几乎不受背景噪声的影响。在空气动力学法粒径谱仪测量原理中，粒子飞行时间与粒子动力学直径正相关，与周围粒子数量、粒子在通道所处位置无关，因此该方法具有对不同粒径粒子、同一粒子不同浓度测量结果的差异小、测量重复性好等优点。

3.2 仪器原理对测量结果的影响

通过对比空气动力学粒径谱仪和光学粒径谱仪评价同一个PM_2.5切割器进行检测时，发现当使用单分散聚苯乙烯微球检测时，两种仪器测量结果虽然有差异，但是不显著，测量结果均符合要求。对于动力学粒径谱仪，测量粒子的种类对测量结果影响不大，均能得到预期的PM_2.5捕集效率曲线。但是对于光散射粒径谱仪，粒子种类对测量结果影响显著，当把8个粒径单分散聚苯乙烯微球混合后检测，虽然也能得到反S型曲线，Da₅₀差异不大，但是曲线倾斜度变小，导致几何偏差不合格；如果进一步替换为多分散的A1尘时，得到的曲线倾斜度更小，反S型形状消失，Da₅₀也变化到3 μm左右。

这是因为用单分散聚苯乙烯微球检测时，微球的粒径是确定的，所以捕集效率曲线以粒子粒径为横坐标，以粒径谱仪峰值对应的粒子数来计算捕集效率得到纵坐标，此时即使光学粒径谱仪得到的粒径峰值和粒子粒径不一致，相邻粒径通道也有显著数值，也不影响捕集效率的计算，所以可以得到预期的PM_2.5捕集效率曲线。

当将8个粒径多分散聚苯乙烯微球混合时，此时相邻粒径粒子的效应不可忽略，光学粒径谱仪上难以得到8个独立的单峰，所以以光学粒径谱仪上粒径通道为横坐标，对应粒子浓度计算得到的捕集效率为纵坐标，得到捕集效率曲线。虽然相邻粒径有影响，但是只有8种粒径粒子，影响没那么显著，所以还能得到反S型曲线，但是曲线倾斜度变小，几何偏差不合格。因为聚苯乙烯微球的光学直径和动力学直径基本一致，所以得到的Da₅₀也符合要求。

当使用A1尘时，由于颗粒物粒径是连续分布的，且相邻粒径粒子不再限于8种，而是几十上百种，此时相邻粒径粒子干扰影响更为显著，某粒径通道的粒子数，是各粒子在光散仪器测试得到信号累加的结果，不能真实反应该粒径的粒子数，所以得到的捕集效率也是失真的，导致反S型形状消失，曲线倾斜度更小。又因为A1尘的动力学直径大于光学直径，而光散射粒径谱仪检测得到的是光学直径，导致某光学粒径通道对应的捕集效率偏小，即曲线发生左移，即理论上Da₅₀应该变小。但是又因为曲线倾斜度变小，大粒径对应的捕集效率偏高，Da₅₀变大，综合结果造成Da₅₀变化到3 μm左右。

4 结束语

本研究对比了两种原理的粒径谱仪对同一个旋风式PM_2.5切割器的捕集效率测量结果的差异，发现使用单分散聚苯乙烯微球测量得到的结果，两种仪器得到的结果类似，都能得到预期的PM_2.5捕集效率曲线。使用多分散A1尘时，两种仪器测量结果差异显著，其中粒子种类对动力学粒径谱仪测量结果影响不大，而光散射粒径谱仪得到的曲线未能反映PM_2.5切割器的切割特征。

如果把8个粒径单分散聚苯乙烯微球混合，或者使用多分散的A1尘，对于动力学粒径谱仪，测量结果没有显著差异，都能得到预期的PM_2.5捕集效率曲线，相关参数符合要求。对于光散射粒径谱仪，则结果差异显著，混合聚苯乙烯微球虽然也能得到反S型曲线，Da₅₀变化不大，但是曲线倾斜度变小，导致几何偏差不合格；使用A1尘使得曲线倾斜度进一步变小，反S型形状消失，相关参数都不合格。

这是由两种仪器检测原理决定的，动力学法测得的粒径只与颗粒运动时间有关，不受相邻颗粒物的干扰，真实反映颗粒的动力学粒径，不受颗粒物类型影响。而光散射法粒径是某个瞬间检测腔内各种光散射综合结果，容易造成粒径测量结果偏大或偏小，光散射仪器得到峰更宽，重复性差，相邻粒子和其他粒径粒子干扰显著。

因此，如果依据HJ 93—2013分别采用8个粒径单分散聚苯乙烯微球检测PM_2.5切割器时，光散射法和动力学法粒径谱仪都适用。但是如果通过混合聚苯乙烯微球或多分散A1尘来提高检测效率时，只有动力学粒径谱仪适用。