陳 寧，李 力，陳 城，蔡 明，彭 軍

（湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，湖北武漢 430074）

0 引言

大氣顆粒物（Particulate Matter，PM）是指均勻分布在大氣中的各類固態(tài)或液態(tài)顆粒物[1]。大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5 μm 的顆粒物，簡稱為PM2.5。PM2.5顆粒物體積更小，含有害物質(zhì)更多，并能長時(shí)間停留在空氣中，因此是大氣污染的罪魁禍?zhǔn)住４髿忸w粒物的濃度會(huì)直接影響到社會(huì)環(huán)境和人體健康，所以大氣顆粒物的監(jiān)控就受到了社會(huì)重視，并對(duì)其展開研究。世界氣象組織（WMO）也同意大氣顆粒物觀測(cè)與其他氣象要素（風(fēng)、溫、濕、壓）的觀測(cè)一樣重要[2]。

本文所述的LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀，是安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的按照我國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 476《氣溶膠PM10、PM2.5質(zhì)量濃度觀測(cè)規(guī)范 貝塔射線法》[3]的要求生產(chǎn)的，是觀測(cè)大氣顆粒物PM2.5濃度的一種儀器。湖北省從2017 年開始陸續(xù)安裝了14 部這種設(shè)備，同時(shí)開展PM2.5數(shù)值的實(shí)時(shí)觀測(cè)與數(shù)據(jù)共享，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供實(shí)時(shí)服務(wù)，為大氣污染防治和理論研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀設(shè)備結(jié)構(gòu)由監(jiān)測(cè)儀主機(jī)，切割器，采樣系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)4 個(gè)部分組成（圖1）。

圖1 LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀

（1）主機(jī)。設(shè)備核心是監(jiān)測(cè)儀主機(jī)，主機(jī)內(nèi)有流量控制模塊、機(jī)械傳動(dòng)組件、信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)等。PM2.5的數(shù)據(jù)都是由主機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并傳輸?shù)诫娔X上。

（2）切割器。用于分隔開氣泵抽入的空氣中大氣顆粒物，PM2.5采用旋風(fēng)式切割，PM10采用沖擊式切割。

（3）采樣系統(tǒng)。由采樣管和氣泵構(gòu)成。采樣管伸出室外，頂部連接切割器，底部連接主機(jī)。氣泵用于將室外大氣顆粒物吸入主機(jī)。

（4）動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)（DHS）。根據(jù)室外溫度和濕度的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱模式，盡量保持大氣顆粒物樣品處于恒溫恒濕的狀態(tài)，減少連續(xù)加熱時(shí)間，縮小PM2.5的揮發(fā)，以保證PM2.5觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.2 工作原理

監(jiān)測(cè)儀使用C14 的β 射線作為輻射源，以恒定流量抽氣，大氣顆粒物吸在β 源與探測(cè)器中間的濾紙帶上，對(duì)比探測(cè)器對(duì)β 射線抽氣前后計(jì)數(shù)值的變化，得出了濾紙帶上大氣顆粒物質(zhì)量，依據(jù)抽氣體積，可以計(jì)算單位體積中大氣顆粒物的濃度[4]。

由濾紙帶上吸附的大氣顆粒物，β 射線粒子的衰減量近似指數(shù)，當(dāng)β 射線粒子的射程遠(yuǎn)大于濾紙帶上吸附物質(zhì)的厚度時(shí)，吸附滿足關(guān)系[5]：I=I0e-μmx，x 計(jì)算公式如下。

式中 x—吸收物質(zhì)的質(zhì)量密度，mg/cm2

I0——抽氣前干凈濾紙帶上的β 粒子計(jì)數(shù)值

I——β 射線穿過吸附有PM2.5的濾紙帶的β 粒子計(jì)數(shù)值

μm——質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/mg

測(cè)量時(shí)，氣泵以恒定流量吸取室外大氣，若恒定流量速度為Q（L/min），采樣時(shí)間為T（min），濾紙的塵樣的截面積為A（cm2）（圖2），環(huán)境粒子濃度MC（mg/m3），則大氣顆粒物濃度和測(cè)定的數(shù)量間的關(guān)系為MC=1000Ax/（QT），將x 帶入可得，MC=1000A/。

圖2 紙帶的塵樣截面

2 儀器維護(hù)

2.1 紙帶安裝

紙帶是設(shè)備的唯一損耗件，一卷紙帶一般能用60 天左右。更換紙帶的步驟如下（圖3）。

（1）退出測(cè)量狀態(tài)，抬起壓緊滾輪和抽氣壓頭。

圖3 紙帶安裝路徑方向

（2）扭開左、右動(dòng)輪上的壓盤取出濾紙，按走紙示意圖更換新濾紙。左動(dòng)輪濾紙務(wù)必用膠帶貼緊，放下壓緊滾輪。

（3）走紙測(cè)試或重啟監(jiān)測(cè)儀，查看走紙是否正常。

2.2 切割器清洗

切割器清洗一般至少1 個(gè)月清洗1 次，在霧霾嚴(yán)重的天氣情況下應(yīng)增加清洗次數(shù)[6]。步驟如下。

（1）退出主機(jī)的觀測(cè)模式。

（2）將切割器從采樣管上拆下來。

（3）拆下PM2.5切割器上的L 形彎管和集塵蓋。

（4）利用清潔刷將切割器內(nèi)部刷干凈。

（5）集塵蓋使用酒精進(jìn)行擦拭清潔。

2.3 氣密性檢驗(yàn)

氣密性檢驗(yàn)應(yīng)在流量校準(zhǔn)前進(jìn)行。氣密性檢驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)抽氣泵，用流量適配器堵住切割器，若測(cè)出的流量小于0.5 L/min，即符合標(biāo)準(zhǔn)。若流量大于0.5 L/min，說明有位置漏氣，應(yīng)檢查各個(gè)接頭是否密封。

2.4 儀器校準(zhǔn)

因?yàn)長GH-01E 型PM2.5監(jiān)測(cè)儀使用一段時(shí)間后，儀器的測(cè)量會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果失準(zhǔn)，特別是在更換紙帶后要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)。主要包括以下校準(zhǔn)項(xiàng)目。

（1）流量校準(zhǔn)。校準(zhǔn)前要保證儀器氣密性正常，溫度和濕度正常。用流量計(jì)測(cè)試流量，若數(shù)值在（16.5～16.9）L/min，屬于正常范圍，可以不用校準(zhǔn)；若測(cè)出流量數(shù)據(jù)在正常值范圍外，則必須將流量校準(zhǔn)系數(shù)K，B 改為1，0，繼續(xù)測(cè)試，將16.67 除以流量測(cè)試值得到的系數(shù)保存。

（2）膜片校準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)儀自身帶有標(biāo)準(zhǔn)膜片，膜片校準(zhǔn)不用人工插入，主機(jī)的校準(zhǔn)功能菜單中可以進(jìn)行膜片自動(dòng)校準(zhǔn)，膜片校準(zhǔn)后，保存系數(shù)和Um值即完成校準(zhǔn)。Um校準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)試，待Um值穩(wěn)定后再保存。

3 常見故障處理

在儀器運(yùn)行觀測(cè)中，因各部件集成度較高，業(yè)務(wù)人員只能通過控制面板上顯示屏或數(shù)據(jù)接收電腦上發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蚬收蠄?bào)警。常見故障排除方法如下。

3.1 顯示“流量故障”或顯示“流量偏小”

首先檢查抽氣泵電源接線、電源電壓、繼電器有無故障，排除故障后，重點(diǎn)檢查氣管有無異物堵塞，如有異物則應(yīng)先清理氣管；檢查溫度傳感器及接線等是否正常；檢查流量控制器電壓是否正常；檢查更換控制芯片TLC2543 或TLC5618。

3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)PM2.5大于PM10

正常情況，PM2.5的觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)小于PM10，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)PM2.5大于PM10的數(shù)據(jù)“倒掛”情況，應(yīng)先檢查兩個(gè)監(jiān)測(cè)儀主機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間是否一致；若時(shí)間一致，則應(yīng)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，最后清理切割器。未按時(shí)清潔切割器和未按時(shí)校準(zhǔn)監(jiān)測(cè)儀是造成數(shù)據(jù)倒掛的主要原因。

3.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)異常值

逐項(xiàng)檢查會(huì)引起流量故障的項(xiàng)目，如切割器是否清潔，采樣管氣密性是否良好，采樣管是否堵塞，監(jiān)測(cè)儀系數(shù)修正是否正常，逐項(xiàng)檢查排除。若懷疑是探測(cè)器故障，先檢查測(cè)量計(jì)數(shù)是否正常，然后測(cè)量高壓模塊電壓是否正常，并檢查更換控制芯片6N137 和MC14106。

3.4 案例分析

（1）2018 年5 月10 日，襄陽的LGH-01EP 監(jiān)測(cè)儀主機(jī)面板顯示觀測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)為1000 μg／m3，達(dá)到儀器量程的最大測(cè)量范圍，且一直保持1000 μg／m3的觀測(cè)數(shù)據(jù)無變化。值班人員判斷為觀測(cè)數(shù)據(jù)異常，先后檢查了電源、繼電器、氣管連接等，未見異常；然后檢查流量控制器的電壓，未見異常；清潔切割器并檢查流量亦未見異常，然后檢查計(jì)數(shù)裝置，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)設(shè)備故障，不能正確計(jì)數(shù)。更換后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

（2）2018 年3 月6 日，武漢的LGH-01E 監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)到PM2.5的數(shù)據(jù)值大于PM10，屬于數(shù)據(jù)“倒掛”，值班人員清潔切割器并同時(shí)校準(zhǔn)儀器后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

4 結(jié)束語

大氣顆粒物觀測(cè)已成為綜合大氣探測(cè)業(yè)務(wù)的重要組成部分，為了觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性，各個(gè)站點(diǎn)需著重做好以下工作。

（1）觀測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開業(yè)務(wù)人員的操作實(shí)踐和維護(hù)維修，做好業(yè)務(wù)工作人員的維護(hù)維修培訓(xùn)尤為重要。

（2）規(guī)范、及時(shí)、可靠的完成儀器的日常維護(hù)，重點(diǎn)做好紙帶安裝、儀器校準(zhǔn)和切割器清理。

（3）遇有儀器故障或數(shù)據(jù)異常，按先檢查軟件后排查硬件，先檢查室內(nèi)設(shè)備后檢查室外設(shè)備的順序逐項(xiàng)排查。