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        氣溶膠觀測(cè)業(yè)務(wù)中的問(wèn)題及處理

        2015-04-05 05:56:48吳有恒李可為吳世美
        中低緯山地氣象 2015年5期
        關(guān)鍵詞:氣溶膠顆粒物儀器

        吳有恒,李可為,吳世美

        (貴州省貴陽(yáng)市氣象局,貴州 貴陽(yáng) 550001)

        氣溶膠觀測(cè)業(yè)務(wù)中的問(wèn)題及處理

        吳有恒,李可為,吳世美

        (貴州省貴陽(yáng)市氣象局,貴州 貴陽(yáng) 550001)

        貴陽(yáng)站于2013年1月1日起正式開(kāi)展氣溶膠觀測(cè)業(yè)務(wù),觀測(cè)人員按照《大氣成分觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范(試行)》及技術(shù)操作手冊(cè)的規(guī)定做好日常的觀測(cè)與維護(hù)工作。結(jié)合運(yùn)行過(guò)程中GRIMM180顆粒物監(jiān)測(cè)儀出現(xiàn)的問(wèn)題,分析故障成因,以圖文形式展現(xiàn)處理方法。

        GRIMM180;氣溶膠觀測(cè);故障;處理

        1 引 言

        氣溶膠質(zhì)量濃度是指單位體積大氣中所含氣溶膠的質(zhì)量,單位為毫克每立方米(mg/m3),或微克每立方米(μg/m3)。PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤ 2.5 μm的顆粒物,它能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中,其質(zhì)量濃度越高,就代表空氣污染越嚴(yán)重。氣溶膠質(zhì)量濃度觀測(cè)系統(tǒng)包括硬件及軟件系統(tǒng),本站使用的硬件是GRIMM180顆粒物分析儀,該設(shè)備可以實(shí)時(shí)測(cè)量 31 個(gè)粒徑通道的顆粒物數(shù)字濃度和PM10、PM2.5及PM1值,軟件包括前端數(shù)據(jù)下載程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及質(zhì)量控制信息采集系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)儀從2013年1月正式投入使用以來(lái)整體性能比較穩(wěn)定,但有時(shí)也出現(xiàn)了硬件和軟件故障,筆者對(duì)近2 a運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析,結(jié)合故障處理過(guò)程中的維護(hù)經(jīng)驗(yàn),提出相應(yīng)的解決措施。

        2 測(cè)量原理及觀測(cè)流程

        2.1 測(cè)量原理

        GRIMM180顆粒物分析儀的抽氣泵以恒定流量1.20 L/m 將環(huán)境空氣吸入樣氣室。半導(dǎo)體激光源以高頻率產(chǎn)生激光照射樣氣室,其頻率足夠快,保證在樣氣中的顆粒物不會(huì)錯(cuò)過(guò)激光的照射。如果在某一時(shí)刻,測(cè)量室中沒(méi)有顆粒物,激光就會(huì)穿過(guò)樣品室到達(dá)吸收井被吸收;如有顆粒物存在,激光照在上面會(huì)發(fā)生散射,散射光經(jīng)反射鏡(與激光照射方向成90°角)聚焦后到達(dá)對(duì)面的檢測(cè)器,根據(jù)檢測(cè)器接收到脈沖信號(hào)的頻次和強(qiáng)弱,可得出顆粒物的數(shù)量和所屬粒徑范圍,進(jìn)而得出顆粒物的濃度[1](圖1)。

        圖1 顆粒物濃度測(cè)量原理

        2.2 觀測(cè)流程

        ①由于氣溶膠觀測(cè)時(shí)制采用世界時(shí),首先要把計(jì)算機(jī)的時(shí)區(qū)更改為“(UTC)協(xié)調(diào)世界時(shí)”,開(kāi)啟GRIMM180后再在計(jì)算機(jī)上打開(kāi)前端數(shù)據(jù)下載軟件,該軟件自動(dòng)連接儀器并與計(jì)算機(jī)校時(shí),儀器自檢無(wú)誤后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),要等到正五分[1](5、10、15………)時(shí),儀器將自動(dòng)啟動(dòng),此時(shí)前端數(shù)據(jù)下載軟件開(kāi)始下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

        ②數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)讀取前端數(shù)據(jù)下載軟件生成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采集生成對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的小時(shí)數(shù)據(jù)文件,即質(zhì)量濃度多要素(PMMUL)和數(shù)濃度譜(NSD)的小時(shí)數(shù)據(jù),2種數(shù)據(jù)的分辨率都是5 min(每個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)文件里有12條分鐘數(shù)據(jù)),不同的是PMMUL是通過(guò)串口實(shí)時(shí)傳送到業(yè)務(wù)機(jī)上,而NSD是先保存到儀器的存儲(chǔ)卡上,等待下個(gè)定時(shí)(每3 h)軟件發(fā)出指令再推送到業(yè)務(wù)機(jī)上。

        ③數(shù)據(jù)傳輸軟件會(huì)在每個(gè)正點(diǎn)后5 min上傳上1個(gè)時(shí)次的PMMUL及NSD小時(shí)數(shù)據(jù)以及在每日的02時(shí)30分[2](北京時(shí)10時(shí)30分)上傳上1日由人工錄入值班記錄而形成的質(zhì)量控制信息文件到省局信息中心。(圖2)

        圖2 觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸流程

        3 故障與處理

        3.1 通訊故障

        3.1.1 故障現(xiàn)象 GRIMM180自2012年12月10日開(kāi)機(jī)試運(yùn)行之后就存在軟件不能自動(dòng)獲取NSD數(shù)據(jù)的問(wèn)題,表現(xiàn)為只能在第1次打開(kāi)前端下載軟件時(shí)下載NSD數(shù)據(jù),在之后的若干小時(shí)內(nèi),軟件都不能自動(dòng)獲取該數(shù)據(jù),除非重新啟動(dòng)前端下載軟件,但也只是重新啟動(dòng)后第1次能夠下載到數(shù)據(jù)。

        3.1.2 分析處理 ①由于PMMUL數(shù)據(jù)下載正常,僅是下載NSD數(shù)據(jù)異常,首先排除了通訊數(shù)據(jù)線接觸不良問(wèn)題;②儀器開(kāi)機(jī)后指示燈狀態(tài)正常并順利通過(guò)自檢,表明儀器運(yùn)行正常;③更換業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī),重設(shè)前端下載軟件參數(shù),儀器開(kāi)機(jī)后問(wèn)題依舊,說(shuō)明原計(jì)算機(jī)串口正常;④懷疑是軟件安裝問(wèn)題,在與軟件的作者聯(lián)系后確認(rèn)軟件安裝無(wú)誤,此時(shí)問(wèn)題仍然存在,排除軟件運(yùn)行問(wèn)題;⑤既然硬件與軟件都運(yùn)行正常,那么只剩下通訊數(shù)據(jù)線的問(wèn)題,數(shù)據(jù)線能正常傳輸PMMUL數(shù)據(jù)但軟件定時(shí)(每3 h)發(fā)出的指令卻沒(méi)有傳送給儀器,導(dǎo)致無(wú)法傳輸NSD數(shù)據(jù),在與儀器公司說(shuō)明該情況后,于12月27日收到了重新定做的通訊數(shù)據(jù)線,更換后該問(wèn)題得到解決。

        3.2 溫濕度傳感器故障及處理

        3.2.1 故障現(xiàn)象 2013年11月3日10時(shí)10分,值班員在巡視GRIMM180顆粒物監(jiān)測(cè)儀時(shí)發(fā)現(xiàn)LCD屏上顯示的濕度值為18%,與自動(dòng)氣象站采集的濕度值(92%)相差太大,且維持長(zhǎng)時(shí)間不變,溫濕度傳感器的電壓值 Ue2 =41,Dryer指示燈熄滅,因?yàn)閮x器內(nèi)設(shè)的除濕啟動(dòng)值為 40%,而溫濕度傳感器采集到的環(huán)境濕度低于40%,除濕泵停止運(yùn)行。

        3.2.2 分析處理 在環(huán)境空氣濕度大的情況下,顆粒物表面可能會(huì)凝結(jié)水,GRIMM180使用除濕系統(tǒng)在NAFION管的內(nèi)外壁產(chǎn)生壓差,使水分子從高壓的內(nèi)管通過(guò)壁膜進(jìn)入低壓的外管[1](圖3),以達(dá)到干燥樣氣的目的。由于沒(méi)有備件更換,故先將除濕啟動(dòng)值設(shè)為0%,使除濕泵保持開(kāi)啟狀態(tài),待更換溫濕度傳感器后,重新調(diào)整除濕啟動(dòng)值,濕度數(shù)據(jù)采集恢復(fù)正常。(注:由于濕度對(duì)氣溶膠質(zhì)量濃度的影響相對(duì)簡(jiǎn)單[4]。隨著濕度的增加,吸濕性和溶解性氣溶膠粒子的尺度將隨之增大,這種增大一方面依賴于大氣中水汽的含量;另一方面,它還依賴于氣溶膠粒子的物理特性和化學(xué)成分,所以除濕泵開(kāi)啟前后數(shù)據(jù)并無(wú)可對(duì)比性)。

        圖3 GRIMM180除濕系統(tǒng)工作原理

        3.3 除濕泵故障及處理

        3.3.1 故障現(xiàn)象 2014年12月5日13時(shí)05分,值班員發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀Dryer指示燈為紅色,LCD屏上顯示“Dry Not OK!”,除濕系統(tǒng)負(fù)壓不正常,顯示值約為-20,但儀器仍在運(yùn)行,而除濕泵停止工作。

        3.3.2 分析處理 ①重啟GRIMM180,開(kāi)機(jī)顯示“Self Test Not OK!”和“VACUUM NOT OK! PLEASE CHECK”同時(shí)Dryer指示燈一直為紅色,查閱技術(shù)手冊(cè)[1],說(shuō)明除濕氣路有彎折、堵塞或漏氣現(xiàn)象;②儀器關(guān)機(jī)并取出采樣管,仔細(xì)查看除濕氣路(圖4中紅色管路),并無(wú)彎折或破損;③把除濕管對(duì)接,注意圖4與圖5中白色方框內(nèi)紅色管路對(duì)接前后變化,開(kāi)機(jī)后儀器仍然顯示“Self Test Not OK!”,壓力表示值不在-40~-60之間,說(shuō)明除濕泵故障; ④更換除濕泵,開(kāi)機(jī)后儀器通過(guò)自檢,顯示“Self Test OK!”,運(yùn)行恢復(fù)正常。

        圖4 除濕氣路圖

        圖5 除濕泵故障顯示圖

        3.4 塵過(guò)濾器故障及處理

        3.4.1 故障現(xiàn)象 2013年6月3日19時(shí)20分,儀器發(fā)出間歇性鳴叫,觀測(cè)人員查看到儀器屏幕上顯示“CHECK DUSTFILTER AND AIR PASSAGE”字樣。

        3.4.2 分析處理 查閱技術(shù)手冊(cè)[1],說(shuō)明需要更換塵過(guò)濾器,由于本站并未配置多余的塵過(guò)濾器,在第一時(shí)間便向儀器公司反映該故障,鑒于儀器在報(bào)警后仍能照常工作,軟件下載、采集和傳輸正常,所以待塵過(guò)濾器到位后按照?qǐng)D6白色箭頭指示的方向安裝新的過(guò)濾器。更換后儀器運(yùn)行正常,不再報(bào)警。

        圖6 塵過(guò)濾器故障處理示意圖

        3.5 系統(tǒng)時(shí)間錯(cuò)誤及處理

        3.5.1 錯(cuò)誤描述 GRIMM180正常運(yùn)行期間每3 h就會(huì)在前端下載軟件的命令下與計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí),但是觀測(cè)人員在值班期間曾多次發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)時(shí)間會(huì)突然自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)次,由于采集軟件會(huì)在小時(shí)數(shù)據(jù)文件名上加注時(shí)間以表明是哪個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù),如果不及時(shí)改正系統(tǒng)時(shí)間那么就會(huì)導(dǎo)致該時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)容與時(shí)次不符的現(xiàn)象。

        3.5.2 分析處理 計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)時(shí)間非人為自動(dòng)跳時(shí),而不是發(fā)生在重啟計(jì)算機(jī)后,且該計(jì)算機(jī)是新配置的氣溶膠觀測(cè)業(yè)務(wù)專用機(jī),首先排除主板電池的問(wèn)題。使用殺毒軟件掃描,未發(fā)現(xiàn)病毒。由于市局網(wǎng)絡(luò)地址的劃分,所有需要上傳觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)IP地址都被分配到了內(nèi)網(wǎng)段,不能對(duì)外訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng),考慮360安全衛(wèi)士需要訪問(wèn)外網(wǎng)升級(jí),嘗試全部卸載該類軟件后該問(wèn)題得到解決。

        3.6 質(zhì)控信息錯(cuò)誤及處理

        3.6.1 錯(cuò)誤描述 2013年3月5日10時(shí)30分,傳輸軟件開(kāi)始報(bào)警,提示當(dāng)日質(zhì)控信息文件不存在導(dǎo)致上傳失敗,接班員在查詢上一班日志后及時(shí)補(bǔ)填了該條信息,根據(jù)規(guī)定[3],若能挽回記錄可不統(tǒng)計(jì)錯(cuò)情,否則統(tǒng)計(jì)15個(gè)錯(cuò)情。

        3.6.2 分析處理 質(zhì)控信息是在人工錄入觀測(cè)項(xiàng)目的相關(guān)信息后生成的數(shù)據(jù)文件,按照規(guī)定[3]必須每天生成當(dāng)日質(zhì)控信息文件。詢問(wèn)值班員得知3月4日(北京時(shí)3月4日08時(shí)—3月5日08時(shí))全天無(wú)天氣現(xiàn)象,儀器運(yùn)行狀態(tài)正常,無(wú)維護(hù)維修活動(dòng)和周邊活動(dòng),導(dǎo)致觀測(cè)員認(rèn)為一切正常無(wú)需錄入信息,但正確的做法應(yīng)該是在開(kāi)始時(shí)間輸入0:00,結(jié)束時(shí)間輸入23:59,4個(gè)部分的編碼均選用默認(rèn)編碼,保存后生成該日質(zhì)控信息文件(圖7)。還需注意的是必須在該日日界00時(shí)(北京時(shí)08時(shí))之前錄入,否則生成的是下一日的質(zhì)控信息文件。

        4 小結(jié)

        本文簡(jiǎn)要介紹了氣溶膠觀測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量原理及觀測(cè)流程,結(jié)合故障實(shí)例從硬件、軟件及人為操作3個(gè)方面分析了各類故障成因,總結(jié)了處理相關(guān)故障的技術(shù)方法,同時(shí)指出了巡視與維護(hù)中的主要注意事項(xiàng)。

        圖7 生成的日質(zhì)控信息文件

        [1] 中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司.GRIMM180 顆粒物監(jiān)測(cè)儀操作技術(shù)手冊(cè).2012.

        [2] 中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司.氣測(cè)函〔2012〕229號(hào)文《觀測(cè)司關(guān)于氣溶膠質(zhì)量濃度觀測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行的函》.2012.

        [3] 中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司.大氣成分觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)章制度(試行).2012.

        [4] 韓道文,劉文清,張玉鈞,等.溫度和相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠質(zhì)量濃度垂直分布的影響[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào),2007,24(5):619-624.

        2014-12-01

        吳有恒(1983—),男(苗族),工程師,主要從事氣象綜合觀測(cè)工作。

        1003-6598(2015)05-0058-04

        X513

        B

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