粒子计数器(PNC)校准技术及溯源体系研究_刘俊杰.docx

第二十二届大气污染防治技术研讨会论文集

粒子计数器(PNC)校准技术及溯源体系研究

刘俊杰1，齐天缘2，王静文2，刘涛2

(1中国计量科学研究院，北京100029；2中国石油大学(北京)，北京102249)

摘要：为应保证汽车尾气中颗粒数量PN测量数据的可靠性，开展气溶胶静电计FCE和PNC的校准技术研究，并建立了我国粒子计数器PNC(或凝结核粒子计数器CPC)的量值溯源体系。通过将FCE响应电流与标准电流的准确比对，使得FCE测量结果可溯源至国家电流标准，校准结果的不确定度优于1.3%，k=2。通过气溶胶稀释器研制、多电荷效应评价等技术研究建立PNC校准装置，校准结果不确定度优于2.8%，k=2。

关键词：粒子计数器；凝结核；气溶胶静电计；校准

0.前言

PM2.5的来源包括燃煤、机动车排放、建筑尘、扬尘、生物质燃烧、二次硫酸盐和硝酸盐及有机物等。然而在我国的很多大中型城市，汽车尾气排放贡献所占比例要在30%左右，甚至更高。汽车尾气排放已成为PM2.5颗粒物的最主要来源之一。鉴于此原因，提高轻型车污染物排放控制水平、降低单车的污染排放量成为治理大气颗粒污染物污染的主要途径和方法之一。针对该目标，环境保护部适时启动了GB183525.5的修订工作，并于2016年正式出版《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(第六阶段)》国家标准。在新标准中对颗粒物粒子数量PN提出测量和限值要求，并规定需使用测量范围广的粒子计数器PNC(也称凝结核粒子计数器CPC)作为主要测量仪器。为保证测量结果的可靠性，近年来中国计量科学研究院开展了粒子计数器PNC(或CPC)的校准技术研究，通过国家计量标准和国家计量校准规范的制订，建立了国家的粒子计数器PNC计量溯源体系，可为国家标准的顺利实施、我国环境保护政策法规的执行提供可靠的技术支撑。

1.PNC的工作原理及校准溯源方法

PNC主要由饱和腔、冷凝腔、光学检测器(激光束、棱镜、检测腔、检测器)及流量控制系统四部分组成。其工作原理为：当气溶胶通过饱和腔和冷凝腔体时，由于工作液过饱和蒸汽在颗粒表面的凝结，颗粒粒径会相应增大，当其以一定速度流经激光检测区域时，通过测量单位时间内颗粒散射光信号，计算得到气溶胶中的颗粒数量浓度。然而由于PNC设计缺陷、背景噪声及使用中光腔室污染等原因，使得仪器在不同粒径段内的颗粒计数效率发生变化而需要定期校准。

目前，国际公认的PNC的上级计量标准是气溶胶静电计FCE[1-4](也称法拉第杯气溶胶静电计FCAE)，其测量结果可溯源至电流。FCE工作原理为：当带有单一电荷的颗粒气溶胶进入采样入口后，颗粒被截流在法拉第杯内的高效滤筒，由于空间电荷效应，颗粒表面

基金项目：质检总局质量技术监督能力提升项目《尘埃粒子计数器校准能力的提升及完善》，编号：

31-ANL1702。

作者简介：刘俊杰(1975-)，男，副研究员，主要从事粒度、浊度计量研究。E-mail:

liujj@nim.ac.cn.

153

第二十二届大气污染防治技术研讨会论文集

的电荷会被释放于法拉第杯中，形成可测量的电流，该电流值与颗粒数量浓度的关系：

qI

C==

etQeQ

(1)

式中，C为颗粒数量浓度，单位/cm3；q为电量，单位C；t为采样时间，单位s；Q为采样流速，单位cm3/s；I为电流，单位A；e为电子电量，量值1.6×10-19C。

由于FCE测量结果的可溯源性及在不同粒径段内粒子计数器效率的一致性，其被认为是气溶胶颗粒计数的最高测量标准。当通入特定粒径的单分散气溶胶颗粒后，通过将已校准的FCE与被校PNC的比较，可实现对PNC不同粒径段内计数效率的校准。

2.气溶胶静电计FCE的校准研究

2.1校准装置的设计搭建

由公式1可以看到，影响FCE浓度测量结果的主要参数是响应电流及流量。因此本实验主要对仪器的响应电流、流量进行了校准研究。

FCE的原始信号为fA级(10-15A)电流，然而国际上还未建立fA级电流的计量标准。在本研究中，FCE响应电流的校准中使用直流电压源、高值电阻、气溶胶静电计和屏蔽箱等。其中：采用FLUKE741B多功能过程校准器作为直流电压源，其可输出(0~15V)直流电压，该仪器通过中国计量科学研究院电磁处计量校