基于多角度吸收光度計(jì)黑碳?xì)馊苣z分析儀維護(hù)淺析

鐘華恩

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣州 510030)

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經(jīng)驗(yàn)交流

基于多角度吸收光度計(jì)黑碳?xì)馊苣z分析儀維護(hù)淺析

鐘華恩

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣州 510030)

黑碳?xì)馊苣z是大氣氣溶膠的重要組成部分，主要是由含碳的物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的，對(duì)人體健康和環(huán)境空氣質(zhì)量的影響極大。廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站將美國賽默飛世爾公司的5012 MAAP(多角度吸收光度計(jì))黑碳?xì)馊苣z分析儀應(yīng)用于環(huán)境空氣中的黑碳自動(dòng)監(jiān)測。經(jīng)過一段時(shí)間的使用及維護(hù)，目前該5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀運(yùn)行穩(wěn)定。本文著重介紹5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀的安裝、維護(hù)中的要點(diǎn),并提出一些使用注意事項(xiàng)，分享儀器維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為環(huán)境空氣黑碳自動(dòng)監(jiān)測提供技術(shù)參考。

多角度吸收光度計(jì) 黑碳 自動(dòng)監(jiān)測 安裝 維護(hù)

黑碳?xì)馊苣z(以下簡稱黑碳)是大氣氣溶膠中一種重要的組成部分，主要來源于含碳物質(zhì)的不完全燃燒[1]，其人為源主要為煤炭、石油等石化燃料的燃燒，生物質(zhì)的燃燒[2]。黑碳在大氣氣溶膠中占比例較小，但是它在從可見光到紅外的波長范圍內(nèi)，對(duì)太陽輻射均有強(qiáng)烈吸收，對(duì)氣溶膠光學(xué)吸收系數(shù)的貢獻(xiàn)率達(dá)90%左右，因而它對(duì)氣溶膠的局地氣候效應(yīng)乃至全球氣候效應(yīng)均有著重要的貢獻(xiàn)。因此環(huán)境空氣黑碳監(jiān)測對(duì)空氣質(zhì)量及大氣能見度改善有積極的意義。

2007年廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站被國家環(huán)境監(jiān)測總站列為全國首批灰霾影響環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測試點(diǎn)承擔(dān)單位。黑碳作為灰霾成因的監(jiān)測項(xiàng)目于2010年開展監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)位分別為位于城市中心的公園前、位于廣州北郊的花都新華及廣州市東郊的蘿崗鎮(zhèn)龍。2013年底，廣州塔空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測梯度站建成投入使用，其中的118米空氣質(zhì)量監(jiān)測站和地面空氣質(zhì)量監(jiān)測站補(bǔ)充配置了黑碳?xì)馊苣z分析儀，展開垂直立體監(jiān)測，黑碳監(jiān)測點(diǎn)位擴(kuò)充到5個(gè)。廣州市各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位如圖1所示。

作為全國首批開展黑碳監(jiān)測的城市之一，廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站配置了美國賽默飛世爾公司的5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀對(duì)環(huán)境空氣的黑碳進(jìn)行監(jiān)測并研究其對(duì)能見度影響及對(duì)細(xì)顆粒物PM2.5來源及貢獻(xiàn)。經(jīng)過6年多的運(yùn)行維護(hù)，儀器工作正常。以下對(duì)5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀的安裝及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)作簡單的介紹。

1 5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀工作原理

黑碳中的大多數(shù)碳原子的化學(xué)鍵狀態(tài)是石墨六元環(huán)或近似是石墨六元環(huán)，形成大量存在的π鍵電子，因此在特定情況下，黑碳表現(xiàn)出游離碳的特征，能在很寬的波長范圍內(nèi)有效地吸收入射電磁波(光子)。黑碳?xì)馊苣z分析儀利用黑碳的這一特性，通過測量氣溶膠樣本的光學(xué)衰減量，確定大氣中黑碳的含量，即光學(xué)衰減測量方法，是目前黑碳自動(dòng)監(jiān)測最簡單的物理測量方法。

圖1 廣州市黑碳監(jiān)測點(diǎn)位

5012MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀是根據(jù)大氣氣溶膠光吸收特性和相應(yīng)的黑碳質(zhì)量濃度原理研制的。樣品經(jīng)進(jìn)樣管在玻璃纖維濾帶上沉積，用670nm紅光作為光源，儀器內(nèi)裝有多個(gè)多角度吸收光度計(jì)，光度計(jì)測量前后半球區(qū)域內(nèi)采樣濾帶上顆粒物對(duì)光吸收和散射。隨著顆粒物在濾帶上的積累，透射光強(qiáng)相對(duì)于空白濾帶測定值減少，通過連續(xù)測量光透射，多角度散射和采樣體積從而得到黑碳的實(shí)時(shí)濃度。

5012MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀的特點(diǎn)在于，它對(duì)氣溶膠光學(xué)吸收方法作出了改進(jìn)，把氣溶膠顆粒的散射作用獨(dú)立出來并且消除了散射作用對(duì)測量結(jié)果的干擾。圖2是檢測室示意圖。

圖2 5012MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀檢測室

黑碳質(zhì)量計(jì)算：

MBC=(1-ω0)*X1*Area/σBC

(1)

其中：

MBC：黑碳質(zhì)量

ω0：單次散射系數(shù)

X1：ln (透射率)

Area：采樣點(diǎn)面積 (2.0 cm2)

σBC：黑碳的散射橫截面 (6.6 m2/g)

σBC取6.6 m2/g 是在 Andreas Petzold 博士研究成果的基礎(chǔ)上得出的默認(rèn)σBC 值[3]

黑碳濃度可由下列公式計(jì)算得出：

黑碳濃度計(jì)算：

CBC=ΔMBC/Vol

(2)

其中：

CBC：黑碳濃度

ΔMBC：黑碳質(zhì)量的增加值

Vol：采樣體積

2 安裝注意事項(xiàng)

5012MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀安裝與5030 SHARP顆粒物分析儀安裝方法類似，采樣頭、切割器、溫濕度傳感器、采樣管、加熱設(shè)備、主體機(jī)身、采樣負(fù)壓泵、數(shù)據(jù)電源線等按順序連接，以下介紹該儀器在安裝過程中需要特別注意的地方。

2.1 防水處理

在監(jiān)測過程中，曾出現(xiàn)由于連續(xù)暴雨站房漏水，雨水進(jìn)入檢測器導(dǎo)致檢測器損壞。因此，對(duì)儀器防水工作必須提出更高要求。在采樣管穿過站房開孔的位置需要用中性非速干玻璃膠進(jìn)行防水處理，在對(duì)儀器進(jìn)行檢漏、校準(zhǔn)、儀器更換等質(zhì)控操作的時(shí)候需要進(jìn)行采樣管拆卸的，必須重新用玻璃膠進(jìn)行防水處理，有條件的情況下對(duì)儀器上蓋縫隙處也使用中性玻璃膠進(jìn)行防水密封處理。選用中性玻璃膠可減少玻璃膠揮發(fā)的VOCs對(duì)站房內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物儀器的采樣造成干擾。

2.2 采樣塵斑間隔調(diào)整

由于儀器設(shè)計(jì)的缺陷，濾紙上每個(gè)采樣塵斑的間隔較小，每完成一個(gè)采樣塵斑走紙更換到下一個(gè)干潔位置的時(shí)候，原采樣塵斑未能完全離開在采樣狀態(tài)需要壓緊濾紙的檢測室，導(dǎo)致濾紙塵斑上的污染物會(huì)黏附到檢測室上。如圖3所示。

圖3 污染的檢測室

隨著時(shí)間的推移，污染物黏附積聚形成一定的厚度，使檢測室不能壓緊，出現(xiàn)漏氣情況，監(jiān)測塵斑形狀不規(guī)則，引起監(jiān)測濃度值偏低。因此，利用rs232或485串口線連接分析儀和工業(yè)用計(jì)算機(jī)，利用超級(jí)終端對(duì)分析儀寫入命令，設(shè)定采樣走紙間隔增加一倍，則采樣塵斑間距變大。完成調(diào)整后的塵斑不再停留在檢測室的末端，而是移出檢測室，解決檢測室污染導(dǎo)致的漏氣現(xiàn)象。調(diào)整前后如圖4、圖5所示。由于采樣塵斑間距的增大，濾紙使用壽命也將縮短，調(diào)整后實(shí)際使用時(shí)間約5至6個(gè)月。

圖4 采樣塵斑間距調(diào)整前

圖5 采樣塵斑間距調(diào)整后

3 校準(zhǔn)優(yōu)化

流量校準(zhǔn)是5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀日常校準(zhǔn)重點(diǎn)，流量校準(zhǔn)影響到測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。根據(jù)克拉珀龍方程式pV=nRT，儀器測量的是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的黑碳濃度，因此，環(huán)境溫度、壓力的測值會(huì)影響到體積流量和標(biāo)準(zhǔn)流量的換算。由于儀器內(nèi)部有3個(gè)溫度傳感器(T1、T2、T3)和3個(gè)壓力傳感器(P1、P2、P3)，而且校準(zhǔn)溫度和壓力傳感器過程較為繁瑣，實(shí)際校準(zhǔn)工作中往往重要容易被忽略。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，以下為溫度及壓力校準(zhǔn)過程的優(yōu)化歸納：

3.1 溫度校準(zhǔn)

T1環(huán)境溫度、T2測量探頭溫度、T3儀器系統(tǒng)溫度的校準(zhǔn)過程需要使用經(jīng)國家計(jì)量檢定的溫度計(jì)(量程：-30～45℃，最小刻度 0.1℃)。在整個(gè)溫度校準(zhǔn)的過程中，T2測量探頭溫度和T3儀器系統(tǒng)溫度兩個(gè)傳感器由于安裝位置的原因，需要拆卸整個(gè)檢測室才能找到傳感器的位置，在校準(zhǔn)時(shí)耗時(shí)較長且容易由于頻繁拆卸檢測室對(duì)其造成污染，也對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性造成影響。因此，考慮對(duì)其進(jìn)行簡化。校準(zhǔn)過程中，選擇關(guān)閉采樣泵約30分鐘，使采樣氣流保持一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)，則T2測量探頭溫度與檢測室溫度趨于一致，檢測室的溫度即認(rèn)為是測量探頭溫度。同理,溫度平衡后，T3儀器系統(tǒng)溫度與儀器機(jī)箱溫度一致，則測量儀器機(jī)箱溫度即認(rèn)為是儀器系統(tǒng)溫度，簡化了溫度校準(zhǔn)過程，減少由于校準(zhǔn)造成的數(shù)據(jù)捕獲率降低。根據(jù)實(shí)際使用情況溫度較準(zhǔn)流程歸納如圖6所示。

3.2 壓力校準(zhǔn)

P1進(jìn)氣口壓力傳感器、P2真空泵壓力傳感器、P3大氣壓力傳感器3個(gè)壓力傳感器校準(zhǔn)過程需要使用經(jīng)計(jì)量檢定的標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)兩個(gè)，量程分別(80～106 千帕，-100～0～100千帕)。結(jié)合日常維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，P1、P2的準(zhǔn)確與否表現(xiàn)為采樣流量的穩(wěn)定性及采樣泵的真空吸力，因此，建議采樣流量可穩(wěn)定在16.67 L/min(±2%)且泵吸力足夠(最大轉(zhuǎn)速<95%)，即認(rèn)為P1、P2正常，不進(jìn)行校準(zhǔn)或?qū)⑿?zhǔn)周期延長到1年。這樣可以大幅度減少因校準(zhǔn)儀器流量而引起的頻繁裝拆儀器零部件的工作量，提高數(shù)據(jù)有效率。P3大氣壓力傳感器的校準(zhǔn)仍需在每次流量校準(zhǔn)前進(jìn)行。根據(jù)實(shí)際使用情況壓力較準(zhǔn)流程歸納如圖7所示。

圖7 壓力校準(zhǔn)流程

3.3 流量校準(zhǔn)

在完成溫度和壓力的校準(zhǔn)后，可進(jìn)行儀器流量校準(zhǔn)。在流量校準(zhǔn)過程中需要使用經(jīng)計(jì)量檢定合格的活塞式流量計(jì)(量程：0～30L/min)。其校準(zhǔn)過程中比較簡單，值得注意的是儀器面板顯示流量單位是升/小時(shí)，而活塞式流量計(jì)測量單位是升/分鐘。因此需要將活塞式流量計(jì)測值*60，然后按CAL校準(zhǔn)儀器。圖8為儀器流量校準(zhǔn)面板。

圖8 儀器流量校準(zhǔn)面板

在校準(zhǔn)過程中，如果流量誤差顯著( >7%)，則誤差可能由某個(gè)溫度或壓力傳感器導(dǎo)致。維護(hù)人員應(yīng)每月對(duì)流量進(jìn)行檢查，并將校準(zhǔn)前后流量測值記錄，如遇到多次出現(xiàn)誤差顯著的情況，在排除采樣泵故障的前提下，考慮溫度和壓力傳感器的更換。

4 日常維護(hù)

4.1 光室清洗

儀器的檢測室是儀器的核心部件，在日常維護(hù)過程中，儀器在其檢測室光學(xué)器件保持干潔狀態(tài)時(shí)可獲得最佳檢測結(jié)果。保持Led光源及前后半球光電檢測器的清潔對(duì)黑碳濃度測量起至關(guān)重要的作用。結(jié)合廣州污染情況，儀器檢測室需每半年清洗一次，如發(fā)生重污染天氣后出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏低的情況并明顯地影響后續(xù)測量的時(shí)候也要及時(shí)對(duì)光學(xué)器件進(jìn)行清潔，清潔的時(shí)候可使用零氣發(fā)生器的10MPa左右的高壓空氣對(duì)led燈及前后半球光電檢測器進(jìn)行吹掃，如污跡較難清理，可使在無水酒精脫脂棉進(jìn)行擦拭。圖9為因入水污染的光電檢測器，其表面附著水分帶來的污染物，檢測器針腳產(chǎn)生銅綠。該檢測器按以上步驟清洗后恢復(fù)正常。

圖9 受污染的檢測室

4.2 采樣泵刮片更換及清潔。

采樣泵動(dòng)力一般在小于最大轉(zhuǎn)速的95%，如超過則維護(hù)人員需要檢查。步驟為先排除儀器氣密性，再考慮采樣泵石墨刮片磨損，一般更換周期為1年。在更換石墨刮片的時(shí)候，刮片有斜面的一側(cè)向外，保證葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刮片可以與外腔相切形成良好的真空度，如圖10所示。如裝反或?qū)⑵矫嬉粋?cè)向外，則采樣泵不能產(chǎn)生真空負(fù)壓。更換石墨刮片的時(shí)候會(huì)有大量由于刮片磨損形成的石墨粉塵在泵內(nèi)，必須將粉塵用吸塵器徹底清理，否則粉塵存在于真空腔體內(nèi)會(huì)引起石墨刮片及腔體加快磨損，石墨粉塵應(yīng)在室外處理避免在維修室處理時(shí)石墨導(dǎo)電粉塵飛揚(yáng)到儀器電路部分引起短路。

圖10 真空泵葉輪刮片

5 結(jié)語

細(xì)顆粒物PM2.5的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，PM2.5的成分來源已經(jīng)納入環(huán)境監(jiān)測的重點(diǎn)工作中。黑碳作為PM2.5的主要組成部分已成為環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測的重要項(xiàng)目。我站5012 MAAP黑碳?xì)馊苣z分析儀經(jīng)過6年的實(shí)際運(yùn)行，儀器性能滿足監(jiān)測要求。本文根據(jù)自身維護(hù)工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)出該儀器的安裝校準(zhǔn)維護(hù)等要點(diǎn)及維護(hù)步驟優(yōu)化，旨在為從事環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)人員在黑碳自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)方面提供參考。

[1] 秦世廣，湯潔, 溫玉璞，黑碳?xì)馊苣z及其在氣候變化研究中的意義[J]，氣象，2001， 27(11)：3-7.

[2] 伍德俠，魏慶農(nóng)，魏健琍，等，秸稈焚燒期的黑碳?xì)馊苣z觀測及研究[J]，環(huán)境科學(xué)， 2008， 29(12)：3304-3309.

[3]Petzold A， Kramer H, Sch?nlinner M. Continuous Measurement of Atmospheric Black Carbon Using a Multi-angle Absorption Photometer. ESPR-Environ Sci & Pollut Res Special Issue, 2002,4: 78-82.

作者簡介：鐘華恩，男，1985年出生，工程師，工作于廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站監(jiān)測保障室，從事監(jiān)測保障工作10年，E-mail：hauen124@126.com。

Maintenance of black carbon analyzer.

Zhong Hua'en

(GuangzhouEnvironmentalMonitoringCenter,Guangzhou510030,China)

This article discussed the installation and maintenance of 5012 MAAP black carbon analyzer.

multi angle absorption photometer;black carbon;automatic monitoring;installation;maintenance

趙文輝，女，碩士，主任檢驗(yàn)師， E-mail： 15947719673@139.com。

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.03.020

2017-01-16