AE33七波段黑碳氣溶膠分析儀維護淺析

霍新峰 歐陽俊

(北京賽克瑪環保儀器有限公司，北京 102299)

黑碳氣溶膠(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以及生物質燃燒[2]。黑碳在大氣氣溶膠中占比較小，但是它在從可見光到紅外的波長范圍內，對太陽輻射均有強烈吸收，黑碳對氣溶膠光學吸收的貢獻接近90%[3]黑碳在大氣邊界層上部受熱，使邊界層界面熱流量減少，從而影響污染物垂直擴散，導致污染物累積，加劇霧霾形成[4]。大氣中的黑碳化學性質穩定，既不能通過己有污染物反應生成，也不能通過大氣中的化學反應被清除[5],通常只能靠氣象條件使其擴散，降低濃度。如風速大于2.5m/s時，有利于空氣中黑碳的擴散；此外，降水對黑碳的清除作用也比較明顯[6，7]。由于黑碳的這種特性，因此黑碳的監測對評估空氣質量及大氣能見度有積極的意義。

新一代AE33黑碳分析儀,測量性能優異，人機交互友好，通訊接口豐富，可執行常規性能測試及驗證等操作。該儀器采用的雙點位測量方法，既可消除“氣溶膠負載”效應產生的影響，又能夠給出實時的負載補償參數，這些信息不但可以用于分析氣溶膠光學特性，還能夠在源解析模型中解釋氣溶膠的來源和老化過程[8]。以下結合多年的安裝、維護維修經驗，對AE33黑碳分析儀的安裝、維護、質量控制作介紹。

1 AE33黑碳分析儀工作原理

雖然黑碳的物理和化學狀態復雜，但是仍可以通過一定的物理或化學方法測量其在大氣中的含量。黑碳中的大多數碳原子的化學鍵狀態是石墨六元環或近似石墨六元環，形成大量存在的π鍵電子，因此在特定情況下，黑碳表現出游離碳的特征，能夠在很寬的波長范圍內有效地吸收入射電磁波(光子)。游離碳是已知的具有最寬泛連續吸收光譜的物質之一，在短波端吸收增強，在長波端吸收減弱。AE33黑碳分析儀利用黑碳的這一特性，通過測量氣溶膠樣本的光學衰減量，確定大氣中黑碳的含量。這種物理測量方法被稱為光學衰減測量法。

黑碳分析儀是根據大氣氣溶膠光學吸收特性和相應的黑碳質量濃度原理研制的。通過采樣泵連續抽取含有氣溶膠的樣氣，經采樣管路后，氣溶膠沉積在帶有特氟龍涂層的玻璃纖維濾帶上，7個不同波長的光(370、470、520、660、880、950nm)同時測量通過含有樣品和空白點作為參考區域的濾帶的透射，從濾帶上光的衰減量的變化率推導出濾帶上氣溶膠的光學特性及瞬時濃度。在880nm波長的數據定義為黑碳濃度數據，其他波段的數據可用于源解析[9-13]。黑碳污染在城市中越來越嚴重[14-17]，有研究表明，該儀器在識別生物質燃燒和化石燃料燃燒作用明顯[18，19]。

AE33黑碳分析儀從同一采樣口獲取兩個樣品積累速率不同的采樣點，得到兩個測量值。由于兩個采樣點具有相同的非線性特性，使得產生的飽和度將具有不同的量級。將兩個采樣點的測量結合起來可消除非線性，并提供負載補償系數和黑碳的質量濃度。該測量方法不需要了解濾帶上氣溶膠的任何特性、是否存在、來源及其產生的光學非線性大小[8]。圖1是AE33測量原理。

圖1 AE33原理示意圖

黑碳儀濃度計算公式(1)：

式(1)

其中：S：采樣點面積(0.785cm2)

△ATN1：采樣點1的光學衰減量增量

F1：采樣點1的實時采樣流量

ζ：濾帶泄露率(與濾帶型號有關，8060型濾帶：0.01)

σair：質量吸收界面系數

C：濾帶散射系數(與濾帶型號有關，8060型濾帶：1.39)

K：負載補償系數

ATN1：采樣點1的光學衰減量

t：采樣周期

特別注意：

1)ATN1(t)=ATN1(t)-ATN1(0),ATN(0)是更換采樣點后濾帶上獲取的第一個ATN值。

K值加權處理方程[8]：Kweighted=

2 安裝注意事項

與安裝其他顆粒物分析儀類似，安裝AE33黑碳分析儀時，需將切割器、采樣管路、防蟲防水罐、數據線、電源線等依次連接，同時需要特別注意以下幾個方面。

2.1 防水處理

過墻管需要用中性玻璃密封膠進行防水處理，以防由于暴雨導致站房漏水，雨水進入到儀器內部，導致儀器流量計損壞。

2.2 防蟲防水罐安裝

為防止儀器在高溫高濕天氣或下雨天時進水，在儀器進口處需要安裝防蟲防水罐，在安裝時要特別注意防蟲防水罐的方向，防止水滴進入到儀器內部損壞流量計。

2.3 采樣點間隔調整

由于濾帶材料的特殊性，濾帶上采樣點的間隔變小，每完成一個采樣點走紙更換到下一個干凈采樣點的時候，原采樣點未能完全離開在采樣狀態需要壓緊濾帶的光室，導致濾帶采樣點部分重合。可通過先讓儀器處于待機狀態，到OPERATION菜單下的二級子菜單ADVANCED菜單中找到 TA adjust(%)適當調整采樣點間隔。如圖2(1)所示。

圖2 儀器ADVANCED菜單

2.4 UVPM與BIOMASS BURNING在界面顯示的調整

黑碳分析儀AE33可以同時給出7個不同波段的測量數據及生物質燃燒占比的數據。在儀器主界面可以同時顯示BC(880nm數據)和UVPM(370nm數據)或者BC和BIOMASS BURNING數據。可以通過先讓儀器處于待機狀態，到OPERATION菜單下的二級子菜單ADVANCED菜單中找到Home disply 進行選擇在主菜單中顯示UVPM或者Proc BB。如圖2(2)所示。

3 儀器日常校準測試

流量校準和光學測試是AE33黑碳分析儀日常校準的重點。流量和光學信號的穩定性、準確性，將影響到測量數據的準確性。儀器測量的是所選標準狀態下的黑碳濃度，因此環境溫度，壓力的測量值會影響到體積流量和標準流量的轉化，因此只需要校準儀器內部流量計。減少校準溫度和壓力傳感器的繁瑣過程，減輕維護人員的工作量。以下結合工作經驗，介紹流量校準及驗證、光學測試、穩定性、清潔空氣測試、泄露測試過程中注意事項：

3.1 流量校準及驗證

在流量校準過程中需要使用經計量檢定合格的流量計(推薦使用BGI_TC5圖3(1))和流量校準膜圖3(2)。其校準過程需注意儀器面板顯示流量的單位是mlpm,而標準流量計測量單位是LPM。因此需要將外置流量計的測量值換算成mlpm，然后將標準流量計所測量值輸入到儀器內如圖4(1)。儀器校準3個不同點的流量，需要輸入3次不同的流量值。

圖3 BGI_TC5流量計、流量校準膜、中性密度光學濾光片組件

圖4 流量校準菜單和流量驗證結果顯示菜單

在該儀器中流量校準和流量驗證的注意事項是相同的，不同的是流量驗證結束后給出驗證的結果，如圖4(2)所示。

3.2 泄露測試

在泄露測試過程中需要使用流量計和流量校準膜，流量驗證時先測量濾帶安裝到儀器上的流量，然后測量流量校準膜安裝到儀器上的流量。測試結束后會在儀器界面上顯示測試結果，并提示是否通過。

在泄露測試過程中測試結果偏差超過10%時，需要檢查儀器內部管路，在排除內部管路前提下，需要潤滑光室組件，保障光室位置正常。

3.3 光學測試

在光學測試過程中需要使用到可追溯到NIST標準的中性密度光學濾光片組件圖3(3)。測試過程以下幾點需要特別注意：1)中性密度光學濾光片是需要放在濾帶上進行測量，使其模擬濾帶上采樣到的黑碳；2)在進行測試時需要輸入中性密度光學濾光片組件序列號，不同的組件測量值是不一樣的；3)中性密度光學濾光片組件是由4個已知光學吸收且光學吸收逐步增加的玻璃組件構成，測試時需要按照序列號依次進行。

在光學測試過程中測試結果偏差超過10%，首先需要清理光室以及光源檢測器，在排除光室及光源檢測器潔凈的前提下，考慮更換光源或檢測板。

3.4 穩定性測試

在穩定性測試過程中不需要使用其他任何輔助工具。測試結果在測試結束后顯示在界面上，并提示是否通過。如圖5所示。

圖5 穩定性測試結果

在穩定性測試過程中如果PPBC61>450 ng/m3，首先需要清理光室以及光源檢測器，在排除光室及光源檢測器潔凈的前提下，考慮更換光源或檢測板。

3.5 清潔空氣測試

在清潔空氣測試過程中，儀器內部已安裝一次性過濾器，無需在儀器入氣口接一次性過濾器。測試結果在測試結束后顯示在儀器界面上，并提示是否通過。

在清潔空氣測試過程中如果PPBC61>550ng/m3，首先需要檢查儀器內一次性濾器是否需要更換，然后再清理光室及光源檢測器，在排除一次性過濾器，光源及光源檢測器潔凈的前提下，考慮更換光源或者檢測器板。

4 儀器日常維護

4.1 光室清潔

儀器的光室時儀器的核心部件，在日常維護過程中，儀器在其光室保存潔凈狀態時可獲得最佳測試結果。保持光室及檢測器的清潔對黑碳濃度測量起到重要的作用，根據各地空氣質量情況，合理安排清理光室。清潔光室時可使用脫脂棉簽沾無水乙醇進行清理，并使用壓縮空氣對其進行吹掃。圖6為長期使用未及時清理光室導致的污染，使用該方法清理恢復正常。

圖6 不潔凈的光室

4.2 切割器清理

黑碳分析儀使用 的切割器是旋風式切割器，在5L/M流量下采集PM2.5顆粒物。需要對切割器進行定期清理，保障對黑碳濃度的最佳觀測。

4.3 濾帶參數設置

不同型號的濾帶有不同的濾帶參數，濾帶的參數參與到黑碳濃度的計算，在使用濾帶時需要特別注意濾帶型號與濾帶參數是否一致。

5 結語

AE33黑碳分析儀在國內氣象、科研、高校、環保領域廣泛使用，該儀器性能穩定，故障少，維護簡單，深受廣大用戶喜愛。本文根據自身維修工作中積累的經驗，歸納總結出該儀器的安裝校準維護等要點及注意事項，旨在為從事環境空氣質量自動監測技術人員及科研人員在黑碳自動監測技術方面提供參考。