張凱霞

(內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

氣溶膠顆粒物是大氣污染物的重要組成部分，近些年，氣溶膠顆粒物已成為大部分城市大氣污染的重點研究對象。不同粒徑的顆粒物可以分別進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)的不同部位，特別是粒徑<10μm的顆粒物(PM10)對于環(huán)境和氣候有著諸多直接和間接的影響。2020年在新冠肺炎疫情期間，大家也曾廣泛關(guān)注過新冠病毒能否通過氣溶膠這種方式傳播。因此獲取準(zhǔn)確的氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)非常重要。

大氣氣溶膠是指:懸浮在大氣中固態(tài)和液態(tài)微粒共同組成的多相體系。顆粒物(PM10)質(zhì)量濃度是指:空氣動力學(xué)粒徑≤10μm的氣溶膠總質(zhì)量濃度。

內(nèi)蒙古的沙塵暴、大氣成分觀測站使用的是美國R&P公司生產(chǎn)的TEOM-1400a型大氣顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀來測量PM10質(zhì)量濃度的。我們選用了PM10的進(jìn)氣口切割頭，可以實時測量室外環(huán)境空氣中PM10粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度。通過對該監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)和原理的分析，以及對儀器設(shè)備的觀測工作經(jīng)驗進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，為了獲取更加準(zhǔn)確、有效的觀測數(shù)據(jù)，在操作過程中注意有關(guān)事項及定期對儀器進(jìn)行檢查、維護(hù)、校準(zhǔn)是保證儀器能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

1 TEOM-1400a型PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)及基本工作原理

1.1 PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)

PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀主要由進(jìn)氣管路系統(tǒng)、平衡除濕系統(tǒng)、傳感器單元、控制單元和真空泵等部分構(gòu)成。

1.1.1 進(jìn)氣管路系統(tǒng)。進(jìn)氣管路系統(tǒng)由切割頭、分流器等部分組成?？諝庠谶M(jìn)入總進(jìn)氣管時，經(jīng)過切割頭，將空氣動力學(xué)直徑<10μm的顆粒物吸入測量系統(tǒng)。分流器則將總流量為16.67L/min的氣體分流為1L/min的主流量和15.67L/min的旁路流量兩部分，主流量通過主路管線進(jìn)入傳感器單元，輔流量經(jīng)過旁路管線連接到控制單元。

1.1.2 平衡除濕系統(tǒng)。平衡除濕系統(tǒng)的核心是兩個滲透干燥管組成的干燥管組合件，是利用分子滲透膜制成的。該干燥管為套管，樣品氣從內(nèi)管通過，經(jīng)過干燥后的旁路樣品氣作為干燥氣從外管通過，利用內(nèi)外管的濕度差達(dá)到對通過內(nèi)管的氣體進(jìn)行滲透除濕的目的，而對管路中的顆粒物沒有損失。

1.1.3 傳感器單元。傳感器單元也稱為采樣單元，是顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的關(guān)鍵部件，該單元主要包括錐管振蕩微天平(TEOM)質(zhì)量傳感器和前置放大電路。

1.1.4 控制單元。控制單元是顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的核心部件，它包括微處理器電子線路系統(tǒng)、流量控制器、壓力傳感器和電源等，可以精確控制主、旁路管線的流量，控制傳感器單元的工作狀態(tài)，并獲取傳感器的測量信號。

1.1.5 真空泵。真空泵是一個具有獨立電源的外部系統(tǒng)，它采用雙活塞泵，為顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀全部系統(tǒng)提供采樣動力。

1.2 PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的基本工作原理

大氣顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀應(yīng)用錐管振蕩微天平方法連續(xù)測量大氣中顆粒物的質(zhì)量濃度，錐管振蕩微天平的核心部件為一上小下大的硬質(zhì)玻璃空心錐管，下端固定,管振蕩微天平的核，管振蕩微天平濾膜置于按一定頻率振蕩的錐形管頂端，當(dāng)空氣樣品流經(jīng)濾膜時,顆粒物積累在濾膜上。由空心錐管和采樣濾膜所構(gòu)成的彈性振蕩體系，其振蕩頻率取決于錐形管的物理特性及濾膜質(zhì)量。當(dāng)微粒聚集于濾膜上時，錐形管的自然振蕩頻率相應(yīng)減少。根據(jù)質(zhì)量和頻率間的相關(guān)變化，電子系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測此頻率的變化，并經(jīng)微處理器能及時計算出濾膜上所積累的顆粒物總質(zhì)量、質(zhì)量流量和質(zhì)量濃度。隨著顆粒物的沉積，濾膜質(zhì)量的變化將引起振蕩頻率的改變，測量一段時間后，通過前后振蕩頻率變化可得到濾膜質(zhì)量的變化量，根據(jù)采樣流量、環(huán)境溫度和氣壓，可以計算出該時段內(nèi)環(huán)境空氣中所采集顆粒物的質(zhì)量濃度，還可以計算出5min、30min、1h、8h和24h質(zhì)量濃度平均值。

2 TEOM-1400a型PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀在操作過程中的注意事項

2.1 在手動操作監(jiān)測儀過程中的注意事項

2.1.1 開、關(guān)機(jī)時需注意按以下順序操作。開機(jī)順序：先接通電源，然后按下控制面板上的“POWER”鍵，此時屏幕上出現(xiàn)4 行文字，顯示儀器的名稱，稍后屏幕顯示主菜單，最后啟動真空泵。關(guān)機(jī)順序：先按下控制面板上的“STOP ALL”鍵，然后關(guān)閉真空泵，再關(guān)閉控制面板上的“POWER”開關(guān)，最后斷開控制器的外接電源。

2.1.2 每天記錄監(jiān)測儀控制面板上的數(shù)據(jù)后，要注意檢查通訊傳輸協(xié)議是否為AK協(xié)議，否則有誤操作會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，影響報文傳輸。在完成所有參數(shù)設(shè)置或操作指令后，必須按鍵盤上的或鍵，使儀器進(jìn)入工作狀態(tài)。

2.2 清潔進(jìn)氣管路時需注意的事項

應(yīng)注意所有的氣路管線均采用插入連接的方式，拆離時，應(yīng)按住壓環(huán)并同時將管線向外拉出；重新連接時應(yīng)將氣路管線必須完全插入，確保不會被拉出，如果旁路的綠色塑料管外壁有不光滑的部分，拆卸困難，可以切除磨損部分的塑料管。為了保證綠色塑料管的拆卸方便，可以在管的外徑上涂一層薄薄的硅油脂。這樣保證了氣路的連接完好不漏氣。

清潔管路前，應(yīng)拔出質(zhì)量傳感器側(cè)面的溫度傳感器，注意保護(hù)好感應(yīng)端，使其不要彎折。

清潔管路前，要用硬質(zhì)保護(hù)材料蓋住質(zhì)量傳感器的微振蕩天平，防止在清潔過程中有異物落下，毀壞微振蕩天平。

清潔后，在安裝1L/min的分流頭時，應(yīng)將它牢固地安裝在分流器內(nèi)管的頂端，嚴(yán)禁用力向下按壓，防止分流頭內(nèi)管掉落，通過調(diào)整分流器內(nèi)管的高度，使分流頭的頂端到外管開口的距離是15.5cm。

清潔后，將環(huán)境溫度傳感器安裝在室外的合適位置，注意安裝中不要將溫度傳感器與防水筒之間的螺母擰得過緊，避免損壞元器件。

清潔后，在安裝平衡除濕系統(tǒng)的連接氣路軟管時，注意要盡量減少彎折，避免氣路堵塞。

2.3 更換備件時的注意事項

更換濾膜時，應(yīng)使用專用黑柄換膜工具進(jìn)行更換，嚴(yán)禁用手直接接觸濾膜，千萬不要扭曲濾膜或從錐形零件的側(cè)面施加壓力，否則易將微振蕩天平損壞，并將兩個新的濾膜安放到加熱的質(zhì)量傳感器內(nèi)相應(yīng)的濾膜卡座上，以備下次使用。5min后，再次打開傳感器單元和質(zhì)量傳感器，用干凈的專用工具的底部在濾膜上向下輕按，這樣確保濾膜完全座穩(wěn)。

更換在線大過濾器時應(yīng)注意過濾器上的箭頭朝外，這樣箭頭方向與氣流方向相反，很容易看到大過濾器內(nèi)的污染程度，以便及時更換。

3 TEOM-1400a型PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的日常檢查

3.1 監(jiān)測儀的日常運(yùn)行檢查

①每天要隨時檢查儀器面板上第一行顯示的狀態(tài)是否為“OK”，OK表示正常使用狀態(tài)；M表示控制器不能收到頻率信號；T表示溫度不在正常范圍內(nèi)；F表示流量不在正常范圍內(nèi)；X表示濾膜負(fù)載率將達(dá)到極限。②每天要隨時注意觀察系統(tǒng)流量變化，主流量允許范圍應(yīng)1±0.12L/min；旁路流量允許范圍應(yīng)為15.67±0.50L/min；如變化超過范圍，則檢查是否需要更換氣-水分離器濾芯或旁路大過濾器，或其他原因。③每天要隨時檢查TEOM專用濾膜的負(fù)載率是否已經(jīng)超過30%，如超過則更換濾膜。④要隨時檢查控制面板顯示的顆粒物質(zhì)量濃度值是否出現(xiàn)較大負(fù)值或較大波動。⑤每天要檢查監(jiān)測儀的噪音值，不應(yīng)>0.1，頻率變動幅度不應(yīng)超過數(shù)據(jù)顯示的最后兩位數(shù)；儀器的所有操作和異常情況，均應(yīng)在值班記錄和日檢查表中詳細(xì)記錄。

3.2 監(jiān)測儀的日常維護(hù)檢查

檢查儀器運(yùn)行狀況，采樣管口切割頭的清潔程度，采樣管口切割頭處應(yīng)清潔無雜物，如有堵塞應(yīng)及時清潔。

檢查泵的聲音是否異常，泵的聲音較弱，無不正常噪音或聲響。

檢查儀器及計算機(jī)時間，與標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差范圍為30s，超出時，應(yīng)及時調(diào)整。

檢查控制面板屏幕顯示的濃度值范圍，其示值應(yīng)與近2d～3d天變化情況一致，如有波動，檢查周邊是否有污染活動，是否出現(xiàn)負(fù)值。

3.3 監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集及傳輸情況檢查

檢查監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集情況，采集軟件能夠正常采集監(jiān)測儀的觀測數(shù)據(jù)。

檢查小時數(shù)據(jù)生成情況，能夠定時生成小時數(shù)據(jù)文件。

檢查數(shù)據(jù)傳輸情況，能夠在有效時間內(nèi)傳輸小時數(shù)據(jù)文件。

4 TEOM-1400a型PM10顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀的日常維護(hù)、校準(zhǔn)

①清潔切割頭，每3個月清潔一次切割頭，或視當(dāng)?shù)匚廴厩闆r及時清潔。②更換氣水分離器濾芯，每3個月檢查氣—水分離器，堵塞需更換。③清潔進(jìn)氣管路，每6個月清潔一次采樣管路，或視當(dāng)?shù)匚廴厩闆r及時清潔。④更換在線大過濾器，每3個月更換一次過濾器，或視當(dāng)?shù)匚廴厩闆r及時更換。⑤更換濾膜，每月更換，膜負(fù)載率達(dá)到30%時必須更換。⑥監(jiān)測儀的定期校準(zhǔn)，每3個月，使用專業(yè)流量計對監(jiān)測儀進(jìn)行流量校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

依照對監(jiān)測儀操作過程中的注意事項正規(guī)操作，以及定期對監(jiān)測儀進(jìn)行檢查、維護(hù)、校準(zhǔn)，是保證監(jiān)測儀穩(wěn)定運(yùn)行，獲取更加準(zhǔn)確、有效的沙塵暴、大氣成分PM10顆粒物質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素。提高沙塵暴、大氣成分PM10顆粒物質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，能夠更好地為與沙塵暴、大氣成分PM10顆粒物質(zhì)量濃度觀測相關(guān)的氣象服務(wù)或環(huán)境氣象觀測工作提供服務(wù)。