PM10顆粒物質量濃度監測儀穩定運行的關鍵因素分析

張凱霞

(內蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺，內蒙古 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入人體呼吸系統的不同部位，特別是粒徑<10μm的顆粒物(PM10)對于環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，大家也曾廣泛關注過新冠病毒能否通過氣溶膠這種方式傳播。因此獲取準確的氣溶膠顆粒物質量濃度觀測數據非常重要。

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

內蒙古的沙塵暴、大氣成分觀測站使用的是美國R&P公司生產的TEOM-1400a型大氣顆粒物質量濃度監測儀來測量PM10質量濃度的。我們選用了PM10的進氣口切割頭，可以實時測量室外環境空氣中PM10粒徑顆粒物的質量濃度。通過對該監測儀結構和原理的分析，以及對儀器設備的觀測工作經驗進行研究發現，為了獲取更加準確、有效的觀測數據，在操作過程中注意有關事項及定期對儀器進行檢查、維護、校準是保證儀器能夠穩定運行的關鍵因素。

1 TEOM-1400a型PM10顆粒物質量濃度監測儀的結構及基本工作原理

1.1 PM10顆粒物質量濃度監測儀的結構

PM10顆粒物質量濃度監測儀主要由進氣管路系統、平衡除濕系統、傳感器單元、控制單元和真空泵等部分構成。

1.1.1 進氣管路系統。進氣管路系統由切割頭、分流器等部分組成。空氣在進入總進氣管時，經過切割頭，將空氣動力學直徑<10μm的顆粒物吸入測量系統。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入傳感器單元，輔流量經過旁路管線連接到控制單元。

1.1.2 平衡除濕系統。平衡除濕系統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，樣品氣從內管通過，經過干燥后的旁路樣品氣作為干燥氣從外管通過，利用內外管的濕度差達到對通過內管的氣體進行滲透除濕的目的，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，是顆粒物質量濃度監測儀的關鍵部件，該單元主要包括錐管振蕩微天平(TEOM)質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量濃度監測儀的核心部件，它包括微處理器電子線路系統、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，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，它采用雙活塞泵，為顆粒物質量濃度監測儀全部系統提供采樣動力。

1.2 PM10顆粒物質量濃度監測儀的基本工作原理

大氣顆粒物質量濃度監測儀應用錐管振蕩微天平方法連續測量大氣中顆粒物的質量濃度，錐管振蕩微天平的核心部件為一上小下大的硬質玻璃空心錐管，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，當空氣樣品流經濾膜時,顆粒物積累在濾膜上。由空心錐管和采樣濾膜所構成的彈性振蕩體系，其振蕩頻率取決于錐形管的物理特性及濾膜質量。當微粒聚集于濾膜上時，錐形管的自然振蕩頻率相應減少。根據質量和頻率間的相關變化，電子系統能連續監測此頻率的變化，并經微處理器能及時計算出濾膜上所積累的顆粒物總質量、質量流量和質量濃度。隨著顆粒物的沉積，濾膜質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量的變化量，根據采樣流量、環境溫度和氣壓，可以計算出該時段內環境空氣中所采集顆粒物的質量濃度，還可以計算出5min、30min、1h、8h和24h質量濃度平均值。

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

2.1 在手動操作監測儀過程中的注意事項

2.1.1 開、關機時需注意按以下順序操作。開機順序：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。關機順序：先按下控制面板上的“STOP ALL”鍵，然后關閉真空泵，再關閉控制面板上的“POWER”開關，最后斷開控制器的外接電源。

2.1.2 每天記錄監測儀控制面板上的數據后，要注意檢查通訊傳輸協議是否為AK協議，否則有誤操作會導致數據不能傳輸到計算機，影響報文傳輸。在完成所有參數設置或操作指令后，必須按鍵盤上的或鍵，使儀器進入工作狀態。

2.2 清潔進氣管路時需注意的事項

應注意所有的氣路管線均采用插入連接的方式，拆離時，應按住壓環并同時將管線向外拉出；重新連接時應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，應拔出質量傳感器側面的溫度傳感器，注意保護好感應端，使其不要彎折。

清潔管路前，要用硬質保護材料蓋住質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，應將它牢固地安裝在分流器內管的頂端，嚴禁用力向下按壓，防止分流頭內管掉落，通過調整分流器內管的高度，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，應使用專用黑柄換膜工具進行更換，嚴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量傳感器內相應的濾膜卡座上，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。

更換在線大過濾器時應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的污染程度，以便及時更換。

3 TEOM-1400a型PM10顆粒物質量濃度監測儀的日常檢查

3.1 監測儀的日常運行檢查

①每天要隨時檢查儀器面板上第一行顯示的狀態是否為“OK”，OK表示正常使用狀態；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；F表示流量不在正常范圍內；X表示濾膜負載率將達到極限。②每天要隨時注意觀察系統流量變化，主流量允許范圍應1±0.12L/min；旁路流量允許范圍應為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專用濾膜的負載率是否已經超過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量濃度值是否出現較大負值或較大波動。⑤每天要檢查監測儀的噪音值，不應>0.1，頻率變動幅度不應超過數據顯示的最后兩位數；儀器的所有操作和異常情況，均應在值班記錄和日檢查表中詳細記錄。

3.2 監測儀的日常維護檢查

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

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。

檢查儀器及計算機時間，與標準時間的偏差范圍為30s，超出時，應及時調整。

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

3.3 監測儀的數據采集及傳輸情況檢查

檢查監測儀數據采集情況，采集軟件能夠正常采集監測儀的觀測數據。

檢查小時數據生成情況，能夠定時生成小時數據文件。

檢查數據傳輸情況，能夠在有效時間內傳輸小時數據文件。

4 TEOM-1400a型PM10顆粒物質量濃度監測儀的日常維護、校準

①清潔切割頭，每3個月清潔一次切割頭，或視當地污染情況及時清潔。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清潔進氣管路，每6個月清潔一次采樣管路，或視當地污染情況及時清潔。④更換在線大過濾器，每3個月更換一次過濾器，或視當地污染情況及時更換。⑤更換濾膜，每月更換，膜負載率達到30%時必須更換。⑥監測儀的定期校準，每3個月，使用專業流量計對監測儀進行流量校準。

5 結束語

依照對監測儀操作過程中的注意事項正規操作，以及定期對監測儀進行檢查、維護、校準，是保證監測儀穩定運行，獲取更加準確、有效的沙塵暴、大氣成分PM10顆粒物質量濃度觀測數據的關鍵因素。提高沙塵暴、大氣成分PM10顆粒物質量濃度觀測數據的質量，能夠更好地為與沙塵暴、大氣成分PM10顆粒物質量濃度觀測相關的氣象服務或環境氣象觀測工作提供服務。