β射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀異常塵斑探討

文/王宜府 潘煥雙 余有淑（安徽藍盾光電子股份有限公司）

β 射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀器采樣斑點異常可能會影響大氣顆粒物濃度的測量值。因此，在儀器運行中發(fā)現(xiàn)采樣斑點異常的情況，需要及時分析采樣斑點產(chǎn)生異常的原因，并予以解決，確保監(jiān)測儀器運行正常，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠。

一、概述

基于β 射線吸收原理的大氣顆粒物監(jiān)測儀是目前在國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中應用最廣的大氣顆粒物監(jiān)測儀器，包括TSP 監(jiān)測儀、PM10監(jiān)測儀、PM2.5監(jiān)測儀等。這類儀器的共同點是利用C14作為放射源釋放出β 粒子，先后兩次通過同一位置的空白濾紙帶及帶有塵斑的濾紙帶發(fā)生的能量衰減量不同，利用濾紙帶背后的β 粒子探測器根據(jù)先后兩次探測的β 射線強度I0及I1反演出大氣顆粒物的濃度。

儀器的工作過程是在抽氣泵的作用下（恒定流量，一般為16.7L/min），大氣顆粒物隨同大氣進入大氣顆粒物切割器，經(jīng)切割分離后大氣顆粒物繼續(xù)隨氣流沿管路下行至儀器內(nèi)部的濾紙帶處并吸附在濾紙帶上，采樣一定時間后大氣顆粒物在濾紙帶上積累并形成褐色斑點——采樣斑點，也就是塵斑。儀器對這個塵斑進行測量并將測量結(jié)果換算成等效濃度（大氣顆粒物的濃度）顯示在儀器界面上，即完成了一個大氣中相應粒徑的顆粒物濃度的采樣與測量周期。隨后在驅(qū)動電機控制下將已完成測量塵斑移走，換一個空白處繼續(xù)采樣、測量，以此往復進行。儀器通過特定電路與程序?qū)崿F(xiàn)對傳動機構(gòu)的全程自動控制，使得所有動作均可自動完成。

在理想狀態(tài)下，每個塵斑的形狀應該是非常圓潤、飽滿的，而在實際運行過程中，會由于各種原因?qū)е聣m斑形狀出現(xiàn)異常。本文通過實際測量過程中出現(xiàn)的各種異常塵斑性狀分析，探討出現(xiàn)異常的原因和解決措施。

二、異常問題描述

本公司承接國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)城市環(huán)境空氣自動監(jiān)測站運行維護項目（含試行、第一輪、第二輪）已經(jīng)4 年多時間，對各類主流品牌的β 射線法大氣顆粒物監(jiān)測儀在不同地域、不同季節(jié)、不同天氣條件下的運行狀況均有了解和分析，基本做到對所運維的各品牌儀器的采樣斑點的狀態(tài)實時掌握。根據(jù)現(xiàn)場運維人員的總結(jié)與反饋，采樣斑點的異常狀態(tài)主要分為塵斑拖尾、塵斑毛刺及塵斑缺口三種現(xiàn)象。具體情況如圖1 所示。

圖1 塵斑異常形狀圖

三、異常塵斑產(chǎn)生的原因及解決措施

針對上述三種情況的塵斑異常，要結(jié)合現(xiàn)場實際逐一進行具體分析并予以解決。

1.塵斑拖尾

這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在儀器入口處的采樣管為彎管類的儀器，由于該儀器的濾紙帶是夾在上下兩個平臺之間，下平臺為不動的定平臺，上平臺是通過凸輪和彈簧相互作用可上下移動的動平臺。該儀器的一個特點是默認設置為每24h 移動塵斑再換一個采樣點，或者是當塵斑負載量達到1500μg 時自動走紙而換一個采樣點。因此，當長時間在同一個采樣點處進行采樣時，在密封的上下平臺長時間壓力下以及在一定濕度的影響下，采樣斑點的圓周濾紙帶與上平臺處于局部的真空狀態(tài)，使之產(chǎn)生較強的粘附力。在采樣及測量完畢后、移動塵斑前需要使上平臺上升，就在上升過程中有時濾紙帶沒有與上平臺分離，接著濾紙帶會自動前行，受濾紙帶的牽引，塵斑與上平臺發(fā)生相對位移而產(chǎn)生摩擦，從而使塵斑產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。如圖1（a）所示。觀測顯示，紙帶塵斑越厚，拖尾現(xiàn)象越嚴重。

解決辦法是，當遇到重霧霾天氣或者連續(xù)陰雨天氣，濕度大時，將儀器默認設置的每24h 移動塵斑一次設置為每8h 移動塵斑一次。一方面減少了動平臺壓濾紙帶的時間以減小定平臺對濾紙帶的粘結(jié)，另一方面減少了紙帶上塵斑的厚度從而減小拖尾程度。實際操作表明，處理后這種現(xiàn)象確實減少很多。

2.塵斑毛刺

塵斑毛刺現(xiàn)象是一種比較常見的異常塵斑，在本公司運維的各類儀器中，無論儀器入口處的采樣管是彎管還是直管，都出現(xiàn)過這種情況。通過分析總結(jié)，清楚地了解了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。入口采樣管為彎管類的儀器，通常是由于上下兩個平臺的接觸面不平行，采樣時不能很好地與濾紙帶接觸而密封，從而導致漏氣并導致塵斑有毛刺；入口采樣管為直管類儀器，則基本是由于采樣管端面與定平臺面不平行，或者采樣管的軸線與定平臺平面不垂直導致。無論哪種儀器，采樣時濾紙?zhí)幉蓸涌谄矫娌荒芘c濾紙帶完全貼合而密封，都是導致塵斑產(chǎn)生毛刺的重要原因。如圖1（b）所示。

解決辦法是，對于彎管類儀器，一是要清理干凈上、下平臺平面上雜物；二是調(diào)整導套及壓縮彈簧，使上平臺能自然升降。這樣處理是要確保儀器在采樣時使上、下平臺平面能平行地壓緊濾紙而密封。對于直管內(nèi)儀器，首先是要檢查定平臺和直管端口處有沒有異物，如有則需清理干凈；如無異物，則要松開直管下端鎖緊裝置，將直管的端面直接與定平臺面接觸（移開濾紙帶）并按緊再重新鎖緊即可。

3.塵斑缺口

這種現(xiàn)象分析起來比較簡單，通過模擬場景可以清楚地了解產(chǎn)生原因。實驗中在采樣前預先在采樣斑點處放置一個材質(zhì)不易被干擾的小物件，等采樣結(jié)束后塵斑就會留下與小物件水平投影形狀相似的空白而缺少一部分。通過多次實驗，確定產(chǎn)生塵斑缺口的原因是有雜物粘在采樣管端口處內(nèi)壁上，且該雜物隨端口一起移動。無論是彎管的還是直管的儀器，都有可能發(fā)生這種現(xiàn)象。如圖1（c）所示。

解決辦法是清理干凈端口處采樣管內(nèi)壁的雜物。

四、異常塵斑對顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響

圖2 塵斑拖尾與同城市正常塵斑站點顆粒物數(shù)據(jù)比較趨勢圖

圖3 塵斑毛刺與同城市正常塵斑站點顆粒物數(shù)據(jù)比較趨勢圖

圖4 塵斑缺口與同城市正常塵斑站點顆粒物數(shù)據(jù)比較趨勢圖

上述三種異常情況對測得的數(shù)據(jù)是否有影響不能單憑主觀判斷，而應通過與相同時間環(huán)境下正常塵斑儀器的數(shù)據(jù)進行對比才能給出合理的結(jié)論。以下數(shù)據(jù)是本公司在運行維護期間，從發(fā)現(xiàn)異常塵斑站點的數(shù)據(jù)中隨機抽出三個類型，本文對其進行分析。

1.數(shù)據(jù)1：PM2.5 儀器塵斑拖尾現(xiàn)象對監(jiān)測數(shù)據(jù)影響情況分析

2019 年2 月24 日檢查現(xiàn)場某站點，發(fā)現(xiàn)有一臺PM2.5儀器塵斑出現(xiàn)拖尾情況，對前后4 日PM2.5數(shù)據(jù)趨勢情況進行分析，發(fā)現(xiàn)這臺儀器的數(shù)據(jù)趨勢與同城市附近其他站點正常塵斑儀器數(shù)據(jù)基本一致，并未受到明顯影響。這是由于塵班拖尾的形成是在儀器的采樣、測量結(jié)束后形成的。即儀器移動塵斑時，塵斑與上平臺的相對位移而產(chǎn)生摩擦形成拖尾。圖2 為含有塵斑拖尾現(xiàn)象與其他正常塵斑的儀器PM2.5數(shù)據(jù)比較趨勢圖。

2.數(shù)據(jù)2：PM2.5儀器塵斑毛刺現(xiàn)象對顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)影響分析

2019 年6 月17 日檢查某個站點，發(fā)現(xiàn)顆粒物儀器塵斑毛刺現(xiàn)象，對6 月15 日至6 月20 日數(shù)據(jù)趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)塵斑毛刺儀器的數(shù)據(jù)比同城其他正常塵斑儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯偏低。這是由于儀器密封效果不佳引起的，致使在采樣抽氣時有一部分室內(nèi)氣體在此處參與了采樣，而室內(nèi)PM2.5的濃度肯定要比室外低，由此測量的結(jié)果就會低于正常值了。圖3 為含有塵斑毛刺現(xiàn)象與其他正常塵斑儀器的PM2.5數(shù)據(jù)比較趨勢圖。

3.數(shù)據(jù)3：PM2.5儀器塵斑缺口現(xiàn)象對監(jiān)測數(shù)據(jù)影響情況分析

2019 年1 月18 日現(xiàn)場某站點，發(fā)現(xiàn)PM2.5儀器紙帶存在塵斑缺口現(xiàn)象，對前4 日和后5 日的PM2.5數(shù)據(jù)趨勢情況進行分析，發(fā)現(xiàn)該站點數(shù)據(jù)趨勢與同城市其他正常塵斑儀器數(shù)據(jù)基本一致，并未受到明顯影響。這是因為在整個采樣過程中，采樣流量沒有變化，只是流速發(fā)生了忽略不計的變化，塵的收集面積稍微減小，但塵的采集量沒有變化，所以對測量結(jié)果沒有影響。圖4 為含有塵斑缺口現(xiàn)象與其他正常塵斑的儀器PM2.5數(shù)據(jù)比較趨勢圖。

五、結(jié)語

通過對異常塵斑產(chǎn)生原因及對測量結(jié)果影響的分析可以看出，并不是所有異常塵斑都會對測量結(jié)果造成影響。但在日常運行維護中，無論哪種異常塵斑都應及時處理。應根據(jù)不同的現(xiàn)象采取不同的處理辦法，及時消除對測量數(shù)據(jù)有效性的潛在影響。