LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監測儀維護方法

陳 寧，李 力，陳 城，蔡 明，彭 軍

（湖北省氣象信息與技術保障中心，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或液態顆粒物[1]。大氣中空氣動力學直徑小于或等于2.5 μm 的顆粒物，簡稱為PM2.5。PM2.5顆粒物體積更小，含有害物質更多，并能長時間停留在空氣中，因此是大氣污染的罪魁禍首。大氣顆粒物的濃度會直接影響到社會環境和人體健康，所以大氣顆粒物的監控就受到了社會重視，并對其展開研究。世界氣象組織（WMO）也同意大氣顆粒物觀測與其他氣象要素（風、溫、濕、壓）的觀測一樣重要[2]。

本文所述的LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監測儀，是安徽藍盾光電子股份有限公司生產的按照我國氣象行業標準QX/T 476《氣溶膠PM10、PM2.5質量濃度觀測規范 貝塔射線法》[3]的要求生產的，是觀測大氣顆粒物PM2.5濃度的一種儀器。湖北省從2017 年開始陸續安裝了14 部這種設備，同時開展PM2.5數值的實時觀測與數據共享，對空氣質量監測提供實時服務，為大氣污染防治和理論研究提供數據支撐。

1 監測儀的系統結構及工作原理

1.1 系統結構

LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監測儀設備結構由監測儀主機，切割器，采樣系統和動態加熱系統4 個部分組成（圖1）。

圖1 LGH-01E 型PM2.5大氣顆粒物監測儀

（1）主機。設備核心是監測儀主機，主機內有流量控制模塊、機械傳動組件、信號檢測與數據處理、數據傳輸和控制系統等。PM2.5的數據都是由主機進行計算，并傳輸到電腦上。

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

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

（4）動態加熱系統（DHS）。根據室外溫度和濕度的變化實時調節加熱模式，盡量保持大氣顆粒物樣品處于恒溫恒濕的狀態，減少連續加熱時間，縮小PM2.5的揮發，以保證PM2.5觀測的準確性。

1.2 工作原理

監測儀使用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 源與探測器中間的濾紙帶上，對比探測器對β 射線抽氣前后計數值的變化，得出了濾紙帶上大氣顆粒物質量，依據抽氣體積，可以計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，當β 射線粒子的射程遠大于濾紙帶上吸附物質的厚度時，吸附滿足關系[5]：I=I0e-μmx，x 計算公式如下。

式中 x—吸收物質的質量密度，mg/cm2

I0——抽氣前干凈濾紙帶上的β 粒子計數值

I——β 射線穿過吸附有PM2.5的濾紙帶的β 粒子計數值

μm——質量吸收系數，cm2/mg

測量時，氣泵以恒定流量吸取室外大氣，若恒定流量速度為Q（L/min），采樣時間為T（min），濾紙的塵樣的截面積為A（cm2）（圖2），環境粒子濃度MC（mg/m3），則大氣顆粒物濃度和測定的數量間的關系為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

2.1 紙帶安裝

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

（1）退出測量狀態，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、右動輪上的壓盤取出濾紙，按走紙示意圖更換新濾紙。左動輪濾紙務必用膠帶貼緊，放下壓緊滾輪。

（3）走紙測試或重啟監測儀，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 個月清洗1 次，在霧霾嚴重的天氣情況下應增加清洗次數[6]。步驟如下。

（1）退出主機的觀測模式。

（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部刷干凈。

（5）集塵蓋使用酒精進行擦拭清潔。

2.3 氣密性檢驗

氣密性檢驗應在流量校準前進行。氣密性檢驗時，啟動抽氣泵，用流量適配器堵住切割器，若測出的流量小于0.5 L/min，即符合標準。若流量大于0.5 L/min，說明有位置漏氣，應檢查各個接頭是否密封。

2.4 儀器校準

因為LGH-01E 型PM2.5監測儀使用一段時間后，儀器的測量會發生偏移，導致觀測結果失準，特別是在更換紙帶后要進行相關參數的校準。主要包括以下校準項目。

（1）流量校準。校準前要保證儀器氣密性正常，溫度和濕度正常。用流量計測試流量，若數值在（16.5～16.9）L/min，屬于正常范圍，可以不用校準；若測出流量數據在正常值范圍外，則必須將流量校準系數K，B 改為1，0，繼續測試，將16.67 除以流量測試值得到的系數保存。

（2）膜片校準。監測儀自身帶有標準膜片，膜片校準不用人工插入，主機的校準功能菜單中可以進行膜片自動校準，膜片校準后，保存系數和Um值即完成校準。Um校準應進行多次測試，待Um值穩定后再保存。

3 常見故障處理

在儀器運行觀測中，因各部件集成度較高，業務人員只能通過控制面板上顯示屏或數據接收電腦上發現數據異常或故障報警。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，重點檢查氣管有無異物堵塞，如有異物則應先清理氣管；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 觀測數據PM2.5大于PM10

正常情況，PM2.5的觀測數據應小于PM10，如出現數據PM2.5大于PM10的數據“倒掛”情況，應先檢查兩個監測儀主機的系統時間是否一致；若時間一致，則應對儀器設備進行校準，最后清理切割器。未按時清潔切割器和未按時校準監測儀是造成數據倒掛的主要原因。

3.3 觀測數據頻繁出現異常值

逐項檢查會引起流量故障的項目，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，監測儀系數修正是否正常，逐項檢查排除。若懷疑是探測器故障，先檢查測量計數是否正常，然后測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 監測儀主機面板顯示觀測到的PM2.5數據為1000 μg／m3，達到儀器量程的最大測量范圍，且一直保持1000 μg／m3的觀測數據無變化。值班人員判斷為觀測數據異常，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，然后檢查計數裝置，發現計數設備故障，不能正確計數。更換后，數據恢復正常。

（2）2018 年3 月6 日，武漢的LGH-01E 監測儀觀測到PM2.5的數據值大于PM10，屬于數據“倒掛”，值班人員清潔切割器并同時校準儀器后，數據恢復正常。

4 結束語

大氣顆粒物觀測已成為綜合大氣探測業務的重要組成部分，為了觀測資料的準確性，各個站點需著重做好以下工作。

（1）觀測系統的正常運行離不開業務人員的操作實踐和維護維修，做好業務工作人員的維護維修培訓尤為重要。

（2）規范、及時、可靠的完成儀器的日常維護，重點做好紙帶安裝、儀器校準和切割器清理。

（3）遇有儀器故障或數據異常，按先檢查軟件后排查硬件，先檢查室內設備后檢查室外設備的順序逐項排查。