基于多角度吸收光度计黑碳气溶胶分析仪维护浅析

钟华恩

(广州市环境监测中心站，广州 510030)



经验交流

基于多角度吸收光度计黑碳气溶胶分析仪维护浅析

钟华恩

(广州市环境监测中心站，广州 510030)

黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，主要是由含碳的物质不完全燃烧产生的，对人体健康和环境空气质量的影响极大。广州市环境监测中心站将美国赛默飞世尔公司的5012 MAAP(多角度吸收光度计)黑碳气溶胶分析仪应用于环境空气中的黑碳自动监测。经过一段时间的使用及维护，目前该5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪运行稳定。本文着重介绍5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪的安装、维护中的要点,并提出一些使用注意事项，分享仪器维护经验，为环境空气黑碳自动监测提供技术参考。

多角度吸收光度计 黑碳 自动监测 安装 维护

黑碳气溶胶(以下简称黑碳)是大气气溶胶中一种重要的组成部分，主要来源于含碳物质的不完全燃烧[1]，其人为源主要为煤炭、石油等石化燃料的燃烧，生物质的燃烧[2]。黑碳在大气气溶胶中占比例较小，但是它在从可见光到红外的波长范围内，对太阳辐射均有强烈吸收，对气溶胶光学吸收系数的贡献率达90%左右，因而它对气溶胶的局地气候效应乃至全球气候效应均有着重要的贡献。因此环境空气黑碳监测对空气质量及大气能见度改善有积极的意义。

2007年广州市环境监测中心站被国家环境监测总站列为全国首批灰霾影响环境空气质量监测试点承担单位。黑碳作为灰霾成因的监测项目于2010年开展监测，监测点位分别为位于城市中心的公园前、位于广州北郊的花都新华及广州市东郊的萝岗镇龙。2013年底，广州塔空气质量自动监测梯度站建成投入使用，其中的118米空气质量监测站和地面空气质量监测站补充配置了黑碳气溶胶分析仪，展开垂直立体监测，黑碳监测点位扩充到5个。广州市各个监测点位如图1所示。

作为全国首批开展黑碳监测的城市之一，广州市环境监测中心站配置了美国赛默飞世尔公司的5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪对环境空气的黑碳进行监测并研究其对能见度影响及对细颗粒物PM2.5来源及贡献。经过6年多的运行维护，仪器工作正常。以下对5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪的安装及维护经验作简单的介绍。

1 5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪工作原理

黑碳中的大多数碳原子的化学键状态是石墨六元环或近似是石墨六元环，形成大量存在的π键电子，因此在特定情况下，黑碳表现出游离碳的特征，能在很宽的波长范围内有效地吸收入射电磁波(光子)。黑碳气溶胶分析仪利用黑碳的这一特性，通过测量气溶胶样本的光学衰减量，确定大气中黑碳的含量，即光学衰减测量方法，是目前黑碳自动监测最简单的物理测量方法。

图1 广州市黑碳监测点位

5012MAAP黑碳气溶胶分析仪是根据大气气溶胶光吸收特性和相应的黑碳质量浓度原理研制的。样品经进样管在玻璃纤维滤带上沉积，用670nm红光作为光源，仪器内装有多个多角度吸收光度计，光度计测量前后半球区域内采样滤带上颗粒物对光吸收和散射。随着颗粒物在滤带上的积累，透射光强相对于空白滤带测定值减少，通过连续测量光透射，多角度散射和采样体积从而得到黑碳的实时浓度。

5012MAAP黑碳气溶胶分析仪的特点在于，它对气溶胶光学吸收方法作出了改进，把气溶胶颗粒的散射作用独立出来并且消除了散射作用对测量结果的干扰。图2是检测室示意图。

图2 5012MAAP黑碳气溶胶分析仪检测室

黑碳质量计算：

MBC=(1-ω0)*X1*Area/σBC

(1)

其中：

MBC：黑碳质量

ω0：单次散射系数

X1：ln (透射率)

Area：采样点面积 (2.0 cm2)

σBC：黑碳的散射横截面 (6.6 m2/g)

σBC取6.6 m2/g 是在 Andreas Petzold 博士研究成果的基础上得出的默认σBC 值[3]

黑碳浓度可由下列公式计算得出：

黑碳浓度计算：

CBC=ΔMBC/Vol

(2)

其中：

CBC：黑碳浓度

ΔMBC：黑碳质量的增加值

Vol：采样体积

2 安装注意事项

5012MAAP黑碳气溶胶分析仪安装与5030 SHARP颗粒物分析仪安装方法类似，采样头、切割器、温湿度传感器、采样管、加热设备、主体机身、采样负压泵、数据电源线等按顺序连接，以下介绍该仪器在安装过程中需要特别注意的地方。

2.1 防水处理

在监测过程中，曾出现由于连续暴雨站房漏水，雨水进入检测器导致检测器损坏。因此，对仪器防水工作必须提出更高要求。在采样管穿过站房开孔的位置需要用中性非速干玻璃胶进行防水处理，在对仪器进行检漏、校准、仪器更换等质控操作的时候需要进行采样管拆卸的，必须重新用玻璃胶进行防水处理，有条件的情况下对仪器上盖缝隙处也使用中性玻璃胶进行防水密封处理。选用中性玻璃胶可减少玻璃胶挥发的VOCs对站房内挥发性有机物仪器的采样造成干扰。

2.2 采样尘斑间隔调整

由于仪器设计的缺陷，滤纸上每个采样尘斑的间隔较小，每完成一个采样尘斑走纸更换到下一个干洁位置的时候，原采样尘斑未能完全离开在采样状态需要压紧滤纸的检测室，导致滤纸尘斑上的污染物会黏附到检测室上。如图3所示。

图3 污染的检测室

随着时间的推移，污染物黏附积聚形成一定的厚度，使检测室不能压紧，出现漏气情况，监测尘斑形状不规则，引起监测浓度值偏低。因此，利用rs232或485串口线连接分析仪和工业用计算机，利用超级终端对分析仪写入命令，设定采样走纸间隔增加一倍，则采样尘斑间距变大。完成调整后的尘斑不再停留在检测室的末端，而是移出检测室，解决检测室污染导致的漏气现象。调整前后如图4、图5所示。由于采样尘斑间距的增大，滤纸使用寿命也将缩短，调整后实际使用时间约5至6个月。

图4 采样尘斑间距调整前

图5 采样尘斑间距调整后

3 校准优化

流量校准是5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪日常校准重点，流量校准影响到测量数据准确性。根据克拉珀龙方程式pV=nRT，仪器测量的是标准状态下的黑碳浓度，因此，环境温度、压力的测值会影响到体积流量和标准流量的换算。由于仪器内部有3个温度传感器(T1、T2、T3)和3个压力传感器(P1、P2、P3)，而且校准温度和压力传感器过程较为繁琐，实际校准工作中往往重要容易被忽略。根据实际工作经验，以下为温度及压力校准过程的优化归纳：

3.1 温度校准

T1环境温度、T2测量探头温度、T3仪器系统温度的校准过程需要使用经国家计量检定的温度计(量程：-30～45℃，最小刻度 0.1℃)。在整个温度校准的过程中，T2测量探头温度和T3仪器系统温度两个传感器由于安装位置的原因，需要拆卸整个检测室才能找到传感器的位置，在校准时耗时较长且容易由于频繁拆卸检测室对其造成污染，也对数据连续性造成影响。因此，考虑对其进行简化。校准过程中，选择关闭采样泵约30分钟，使采样气流保持一个静止状态，则T2测量探头温度与检测室温度趋于一致，检测室的温度即认为是测量探头温度。同理,温度平衡后，T3仪器系统温度与仪器机箱温度一致，则测量仪器机箱温度即认为是仪器系统温度，简化了温度校准过程，减少由于校准造成的数据捕获率降低。根据实际使用情况温度较准流程归纳如图6所示。

3.2 压力校准

P1进气口压力传感器、P2真空泵压力传感器、P3大气压力传感器3个压力传感器校准过程需要使用经计量检定的标准气压计两个，量程分别(80～106 千帕，-100～0～100千帕)。结合日常维护经验，P1、P2的准确与否表现为采样流量的稳定性及采样泵的真空吸力，因此，建议采样流量可稳定在16.67 L/min(±2%)且泵吸力足够(最大转速<95%)，即认为P1、P2正常，不进行校准或将校准周期延长到1年。这样可以大幅度减少因校准仪器流量而引起的频繁装拆仪器零部件的工作量，提高数据有效率。P3大气压力传感器的校准仍需在每次流量校准前进行。根据实际使用情况压力较准流程归纳如图7所示。

图7 压力校准流程

3.3 流量校准

在完成温度和压力的校准后，可进行仪器流量校准。在流量校准过程中需要使用经计量检定合格的活塞式流量计(量程：0～30L/min)。其校准过程中比较简单，值得注意的是仪器面板显示流量单位是升/小时，而活塞式流量计测量单位是升/分钟。因此需要将活塞式流量计测值*60，然后按CAL校准仪器。图8为仪器流量校准面板。

图8 仪器流量校准面板

在校准过程中，如果流量误差显著( >7%)，则误差可能由某个温度或压力传感器导致。维护人员应每月对流量进行检查，并将校准前后流量测值记录，如遇到多次出现误差显著的情况，在排除采样泵故障的前提下，考虑温度和压力传感器的更换。

4 日常维护

4.1 光室清洗

仪器的检测室是仪器的核心部件，在日常维护过程中，仪器在其检测室光学器件保持干洁状态时可获得最佳检测结果。保持Led光源及前后半球光电检测器的清洁对黑碳浓度测量起至关重要的作用。结合广州污染情况，仪器检测室需每半年清洗一次，如发生重污染天气后出现数据偏低的情况并明显地影响后续测量的时候也要及时对光学器件进行清洁，清洁的时候可使用零气发生器的10MPa左右的高压空气对led灯及前后半球光电检测器进行吹扫，如污迹较难清理，可使在无水酒精脱脂棉进行擦拭。图9为因入水污染的光电检测器，其表面附着水分带来的污染物，检测器针脚产生铜绿。该检测器按以上步骤清洗后恢复正常。

图9 受污染的检测室

4.2 采样泵刮片更换及清洁。

采样泵动力一般在小于最大转速的95%，如超过则维护人员需要检查。步骤为先排除仪器气密性，再考虑采样泵石墨刮片磨损，一般更换周期为1年。在更换石墨刮片的时候，刮片有斜面的一侧向外，保证叶轮转动时刮片可以与外腔相切形成良好的真空度，如图10所示。如装反或将平面一侧向外，则采样泵不能产生真空负压。更换石墨刮片的时候会有大量由于刮片磨损形成的石墨粉尘在泵内，必须将粉尘用吸尘器彻底清理，否则粉尘存在于真空腔体内会引起石墨刮片及腔体加快磨损，石墨粉尘应在室外处理避免在维修室处理时石墨导电粉尘飞扬到仪器电路部分引起短路。

图10 真空泵叶轮刮片

5 结语

细颗粒物PM2.5的监测技术已经日趋成熟，PM2.5的成分来源已经纳入环境监测的重点工作中。黑碳作为PM2.5的主要组成部分已成为环境空气质量自动监测的重要项目。我站5012 MAAP黑碳气溶胶分析仪经过6年的实际运行，仪器性能满足监测要求。本文根据自身维护工作中积累的经验，归纳总结出该仪器的安装校准维护等要点及维护步骤优化，旨在为从事环境空气质量自动监测技术人员在黑碳自动监测技术方面提供参考。

[1] 秦世广，汤洁, 温玉璞，黑碳气溶胶及其在气候变化研究中的意义[J]，气象，2001， 27(11)：3-7.

[2] 伍德侠，魏庆农，魏健琍，等，秸秆焚烧期的黑碳气溶胶观测及研究[J]，环境科学， 2008， 29(12)：3304-3309.

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

作者简介：钟华恩，男，1985年出生，工程师，工作于广州市环境监测中心站监测保障室，从事监测保障工作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

赵文辉，女，硕士，主任检验师， E-mail： 15947719673@139.com。

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

2017-01-16