重量法测量环境空气PM2.5滤膜干扰控制研究

李　军　臧春华　纪红刚

（广东省珠海市质量计量监督检测所珠海519060）

重量法测量环境空气PM2.5滤膜干扰控制研究

李军臧春华纪红刚

（广东省珠海市质量计量监督检测所珠海519060）

通过对滤膜转移、滤膜保存和称量环境的控制以及电子天平的正确安装和使用，实现用重量法对环境空气PM10和PM2.5的精确测量。

重量法 PM10PM2.5测量 电子天平

一、引言

用重量法测量环境空气PM10和PM2.5时，由于清洁滤膜和采样后的滤膜质量都很小，因此测量结果的相对不确定度比较大；因滤膜表面积较大导致的吸潮和静电问题以及滤膜转移过程中的二次污染和颗粒物丢失等问题，也会影响测量的准确性，因此，必须严格控制实验过程，以确保测量结果的准确。

二、称量环境温湿度的控制

环境的温度和湿度是影响称量准确性的重要因素。

HJ 618-2011《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》规定，滤膜在称量前需放在恒温恒湿箱（室）中平衡24h。如果称量环境温度过高或过低，也就是当滤膜的温度与天平称量室的温度不相同，这个温度差就会导致滤膜外侧产生流动的气流，此气流产生一个向上或向下的作用力，在这个力的作用下就会产生错误的称量结果，具体表现为天平的显示值朝正方向缓慢变化（滤膜温度比室温低）或者朝负方向缓慢变化（滤膜温度比室温高）。为了解决样品和容器的温度影响，在称量时，要使称量室与滤膜具有相同的温度后再进行称量；要使用镊子夹取滤纸，尽可能避免手进入天平称量室，引起称量室温度升高，并避免手温对滤膜的影响。

其次由于滤膜表面积较大，如果环境湿度与恒温箱中湿度相差过大，则很容易由于滤膜的吸湿性或挥发性导致天平显示值的变化。如果称量环境湿度大于恒温恒湿箱中的湿度，由于滤膜吸湿，天平显示值会越来越大；反之，由于滤膜水分的释放，天平显示值会越来越小。

因此，使称量环境与恒温恒湿箱的温湿度相同，可以大大提高测量的准确性。

在实际测量分析过程中，在正确使用温湿度计量仪表观测环境的同时，可以通过以下方法检验环境温湿度的符合性。将滤膜放在恒温恒湿箱（室）中平衡24小时，平衡条件为：温度取15～30℃中任何一点，相对湿度控制在45～55％范围内（为了使称量环境容易与恒温恒湿箱环境达成一致，可以根据季节将恒温恒湿箱的温湿度调至室内环境容易控制达到的温湿度），记录平衡温度与湿度。在上述平衡条件下，用电子分析天平称量滤膜，记录滤膜重量。将该滤膜在恒温恒湿箱中相同条件下再平衡1小时后再次称重，对于PM10和PM2.5颗粒物样品滤膜，两次重量之差应分别小于0.4mg或0.04mg。同时用标准滤膜检查称量条件是否符合要求：取清洁滤膜若干张，在恒温恒湿箱中按平衡条件平衡24小时并称重。每张滤膜非连续称量10次以上，求每张滤膜的测量平均值作为该张滤膜的原始质量。以上述一组滤膜作为“标准滤膜”。每次称量样品滤膜的同时，先称量两张“标准滤膜”，若标准滤膜称出的重量在其原始质量±5mg（大流量），±0.5mg（中流量和小流量）范围内，则认为该批样品滤膜称量合格，数据可用，否则应检查称量条件是否符合要求，并重新称量该批样品滤膜。

同时，为了称量过程不受气流和温湿度变化等环境影响，可以配用专用的滤纸称量组件进行测量。目前，METTLER TOLEDO微量电子天平已有部分型号可选配滤纸称量组件。滤纸称量组件要满足以下要求：首先要有直径大于滤膜直径的称量盘，确保滤膜可以放在称量盘中间，减少偏载影响；其次开关门动作要轻，尽量配有自动门开关，关门后能相对密封，以尽量减少外部环境温湿度波动以及二次污染的影响；同时，称量组件内部空间要尽量小，确保称量过程中与滤膜接触的可流动空气体积小。

三、滤膜的转移和保存

为确保滤膜在采样后放入恒温恒湿箱的过程以及从恒温恒湿箱中取出进行称量的过程中，不受环境的二次污染，并确保颗粒物不损失，首先要做好实验室的防尘清洁工作，确保转移环境和称量环境的清洁。同时，采样结束后，要用镊子取出滤膜，将有尘面两次对折，放入专用的样品盒或纸袋，并做好采样记录。滤膜采集后，如不能立即称重，应在4℃条件下冷藏保存。严禁用手触摸滤膜，尽量减少滤膜与环境空气的不必要接触，并避免其他化学反应。

四、电子天平的使用

电子天平是整个滤膜称量过程中使用的主要设备，因此电子天平的正确安装和合理使用对确保测量数据准确具有决定性作用。

1、电子天平的安装

电子天平，尤其是高精度电子天平的安装情况，对天平的正常使用和性能发挥影响非常大。安装电子天平要严格注意以下几点。首先，安装电子天平的房间应避免阳光直射，最好选择阴面房间或采用遮光措施，窗户越少越好，最好使用荧光灯；安装高精度电子天平最好选用底层房间；应远离空调、风扇等风源；应远离震源（如动力设备、机动车辆等），无法避免时应采取防震措施；应远离热源和高强电磁场等环境；工作室内温度应恒定，以20℃左右为佳；工作室内的相对湿度应在45％～75％之间；工作室内应清洁干净，避免有害气体、腐蚀性气体及灰尘的侵入；避免在空气直接流通的通道上，避免气流的影响；安装平台应水平、稳定、平坦、坚固，避免震动；安装平台以采用混凝土结构为好，天平与台面接触处可铺设弹性硬橡胶垫来减少震动；天平与墙壁之间及周围其他物品之间应有相当的间隔，确保不受干扰，保证操作方便。其次，电子天平在使用前应调整水平仪气泡至中间位置，由于电子天平在称量过程中会因为摆放位置不平而产生测量误差，天平精度越高，摆放位置不平引起的相对测量误差就越大，因此，电子天平使用前必须调节水平。需要注意的是，由于水准泡位置会因为天平的细小位移以及防震垫变形等因素而变化，即使电子天平没有搬动，在使用中也要经常检查水准泡是否在平衡位置。

2、称量前的预热

电子天平在称量前要充分预热。

电子天平是通过电磁力与被测物体的重力相平衡的原理来进行测量。秤盘通过支架连杆与线圈连接，线圈置于磁场内。在称量范围内，被测重物的重力mg通过连杆支架作用于线圈上，这时在磁场中若有电流通过，线圈将产生一个电磁力F，方向向上，可用F=KBLI表示，其中K为常数（与使用单位有关），B为磁感应强度，L为线圈导线的长度，I为通过线圈导线的电流强度。电磁力F和秤盘上被测物体重力mg大小相等、方向相反而达到平衡，同时在弹性簧片的作用下使秤盘支架回复到原来的位置。由F=KBLI可知，电磁力F的大小与B、L、I正比。当天平处于预热阶段时，随着天平内部温度的升高，磁感应强度B会逐渐下降，同时，流经线圈中的电流强度I也会减小，这样就导致了电磁力F变小，天平失去平衡，因此，天平的显示会向正的方向漂移。只有天平经过充分预热，使磁钢达到热平衡，这一变化过程才结束，天平才真正达到平衡。因此，预热过程经常会使天平的显示数值偏离零位，需利用天平的回零/去皮功能，使天平显示回零，此时天平才处于可正常使用的状态。

大部分高精度电子天平上的“ON/OFF”键只是显示器开关，只要给天平插上电源通电，不用按“ON/OFF”键（此时天平显示器上无显示），天平也处于预热状态。因此用于经常称量滤膜的高精度电子天平，在条件许可的情况下，可以长期不断电（接通电源，关闭“ON/OFF”键，使天平显示器上无显示），或者周一上班插上电源后，周五下班时拔下电源，让天平始终保持通电预热状态，可以大大节省预热时间。对于实际分度值d=0.01mg的电子天平，预热时间至少为1小时，低精度的电子天平可以适当减少预热时间，实际分度值d≤0.001mg的高精度电子天平，预热时间则需延长。

3、正式称量前的预加载

像压力试验机等许多测力仪器一样，电子天平预热好以后，不要立即进行称量，要进行预加载，这往往是许多用户在称量滤膜时所忽视的一项操作。由于电子天平的传感器通常是由簧片构成的弹性支承体，在天平较长时间停止称量时，天平传感器处于休眠状态，簧片也处于休止状态，此时簧片恢复性能不好，若这时进行称量，就会造成天平加载后回零不好，示值稳定性不好，重复性差等。预加载可以使电子天平的簧片进入工作状态，从而可以大大提高电子天平示值的稳定性和重复性。

预加载的方法是：用相当于电子天平最大称量的砝码或物体加载到称盘上，然后再卸载（在预加载时不需在意电子天平的加载示值和是否回零），这样反复10次左右，让簧片从休眠状态逐渐进入工作状态，从而得到好的称量效果。为了使天平稳定地称量，这是必不可少的一步。

实际测量滤膜时，对实际分度值d≥0.1mg的天平，可以减少加载和卸载次数；实际分度值d≤0.01mg的微量天平，必须进行预加载，否则得不到稳定的称量结果，而且，当这类天平较长时间停止称量，在重新开始称量前也需要再进行一次短暂的预加载。

4、滤膜称量前的校准

天平在使用前一般都应进行校准操作。电子天平开机预热后显示零点，不能说明天平称量的数据准确，只能说明天平零位稳定性合格。在检定中我们会发现，对天平进行首次计量时误差较大，究其原因，相当一部分仪器在较长的时间间隔内未进行校准，误认为天平开机后显示零位便可直接称量。

电子天平的工作原理，是通过测量传感器承受的物体重力F而得出相应的质量m，因此，同一物体虽然质量不变，但是如果移动后，重力加速度变化，根据F=mg，天平受到的力F也会变化；如果移动天平后未经重新校准，电子天平会默认原来位置的重力加速度g，因此根据m=F/g，F变化了，g不变，从而测得的质量也变化了，也就是，同一物体移动位置后，用电子天平测出的质量改变了，这与“物体的质量是不变的”相矛盾。为了确保质量具有统一性，对于移动过的电子天平，必须通过已知重量的相应精度标准砝码进行校准。

同时，存放时间较长、环境变化及温度的波动等，都会直接影响天平传感器自身的温度变化，从而导致磁通量φ和流经线圈中的电流I也随之发生变化，电磁力F也发生变化。因此用于测量的电子天平，即使未经搬动，也要经常进行校准。这里的校准，区别于计量部门对电子天平的计量检定，前者是对重量符合性的调校，而后者是对天平示值误差、偏载、重复性等综合性能的周期检定，后者包括前者。

校准方法分为内校准和外校准两种，有的天平同时兼有内校和外校功能可供选择。对电子天平进行外校，必须配备相应等级的标准砝码进行，不同厂家生产的不同型号的电子天平校准方法通常不同，校准时必须严格按照说明书操作。对于新购买的具有内校功能的电子天平，配备的内置砝码通常能符合校准要求，可以用内置砝码进行校准，但长期使用后，由于环境变化等各种因素，内置砝码质量会发生变化，但又难以进行检定和表面清洁处理，从而易于造成电子分析天平的校准误差，这时，可参照计量部门周期检定时给出的建议，分析内置砝码校准是否能达到测量PM10和PM2.5滤膜的准确度要求，如达不到要求，则需要配备相应等级的外校标准砝码，启用外校功能进行校准。

5、消除静电

由于滤膜表面积比较大，而且工作环境比较干燥，实验过程中很容易产生静电，一旦称量容器有了静电，会导致天平显示值长时间不稳定，无法显示准确稳定的称量结果，重复性也很差。

为了消除滤膜的静电，有多种方法可以选择，最直接的方法可以通过使用小型U形去静电装置等专门消除静电的装置消除静电；要确保三芯电源插座的接地端与大地有良好的接触，这样静电可经由称量盘，通过接地端泄放到大地；如果要使用称量容器，应尽量避免用塑料容器，塑料容器极易产生静电，玻璃容器的防静电性能优于塑料容器，最好采用金属制品作为容器。

除此以外，保持良好的称量习惯，轻拿轻放，不超量程使用；随时关闭天平防风门、保持天平洁净；天平内放置变色硅胶等干燥剂并定期更换；读数时关闭天平防风门；同一个实验使用同一台天平进行称量，以免因称量而产生误差等，都是得到PM10和PM2.5准确测量结果的不可缺少的因素。

［1］HJ 618－2011《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》［S］.

［2］GB 3095－2012《环境空气质量标准》［S］.

［3］HJ/T 194－2005《环境空气质量手工监测技术规范》［S］.

［4］JJG 1036－2008《电子天平检定规程》［S］.

［5］赵亚军.电子天平的检定与维修［M］.中国质检出版社.作者简介

李军，男，工程师。工作单位：广东省珠海市质量计量监督检测所。

臧春华：广东省珠海市质量计量监督检测所（珠海519060）。

纪红刚：广东省珠海市质量计量监督检测所（珠海519060）。

Research on the Disturbance Control of Filter Measuring Ambient Air PM2.5by Gravimetric Method

Li JunZang ChunhuaJi Honggang
（Guangdong Zhuhai Supervision Testing Institute of Quality and MetrologyZhuhai519060）

To realize the accurate measurement of ambient air PM10and PM2.5by using the gravimetric method，through controlling the membrane transfer，the membrane preservation，the weighing environment，and the correct installation and use of electronic balance.

Gravimetric methodPM10PM2.5MeasurementElectronic balance

X851；X830.2

B

160808-7356