LGH-01E型PM2.5大气颗粒物监测仪维护方法

陈 宁，李 力，陈 城，蔡 明，彭 军

（湖北省气象信息与技术保障中心，湖北武汉 430074）

0 引言

大气颗粒物（Particulate Matter，PM）是指均匀分布在大气中的各类固态或液态颗粒物[1]。大气中空气动力学直径小于或等于2.5 μm 的颗粒物，简称为PM2.5。PM2.5颗粒物体积更小，含有害物质更多，并能长时间停留在空气中，因此是大气污染的罪魁祸首。大气颗粒物的浓度会直接影响到社会环境和人体健康，所以大气颗粒物的监控就受到了社会重视，并对其展开研究。世界气象组织（WMO）也同意大气颗粒物观测与其他气象要素（风、温、湿、压）的观测一样重要[2]。

本文所述的LGH-01E 型PM2.5大气颗粒物监测仪，是安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的按照我国气象行业标准QX/T 476《气溶胶PM10、PM2.5质量浓度观测规范 贝塔射线法》[3]的要求生产的，是观测大气颗粒物PM2.5浓度的一种仪器。湖北省从2017 年开始陆续安装了14 部这种设备，同时开展PM2.5数值的实时观测与数据共享，对空气质量监测提供实时服务，为大气污染防治和理论研究提供数据支撑。

1 监测仪的系统结构及工作原理

1.1 系统结构

LGH-01E 型PM2.5大气颗粒物监测仪设备结构由监测仪主机，切割器，采样系统和动态加热系统4 个部分组成（图1）。

（1）主机。设备核心是监测仪主机，主机内有流量控制模块、机械传动组件、信号检测与数据处理、数据传输和控制系统等。PM2.5的数据都是由主机进行计算，并传输到电脑上。

（2）切割器。用于分隔开气泵抽入的空气中大气颗粒物，PM2.5采用旋风式切割，PM10采用冲击式切割。

图1 LGH-01E 型PM2.5大气颗粒物监测仪

（3）采样系统。由采样管和气泵构成。采样管伸出室外，顶部连接切割器，底部连接主机。气泵用于将室外大气颗粒物吸入主机。

（4）动态加热系统（DHS）。根据室外温度和湿度的变化实时调节加热模式，尽量保持大气颗粒物样品处于恒温恒湿的状态，减少连续加热时间，缩小PM2.5的挥发，以保证PM2.5观测的准确性。

1.2 工作原理

监测仪使用C14 的β 射线作为辐射源，以恒定流量抽气，大气颗粒物吸在β 源与探测器中间的滤纸带上，对比探测器对β 射线抽气前后计数值的变化，得出了滤纸带上大气颗粒物质量，依据抽气体积，可以计算单位体积中大气颗粒物的浓度[4]。

由滤纸带上吸附的大气颗粒物，β 射线粒子的衰减量近似指数，当β 射线粒子的射程远大于滤纸带上吸附物质的厚度时，吸附满足关系[5]：，x 计算公式如下。

式中 x—吸收物质的质量密度，mg/cm2

I0——抽气前干净滤纸带上的β 粒子计数值

I——β 射线穿过吸附有PM2.5的滤纸带的β 粒子计数值

μm——质量吸收系数，cm2/mg

测量时，气泵以恒定流量吸取室外大气，若恒定流量速度为Q（L/min），采样时间为T（min），滤纸的尘样的截面积为A（cm2）（图2），环境粒子浓度MC（mg/m3），则大气颗粒物浓度和测定的数量间的关系为MC=1000Ax/（QT），将x 带入可得，MC=1000A/。

2 仪器维护

2.1 纸带安装

纸带是设备的唯一损耗件，一卷纸带一般能用60 天左右。更换纸带的步骤如下（图3）。

（1）退出测量状态，抬起压紧滚轮和抽气压头。

图2 纸带的尘样截面

图3 纸带安装路径方向

（2）扭开左、右动轮上的压盘取出滤纸，按走纸示意图更换新滤纸。左动轮滤纸务必用胶带贴紧，放下压紧滚轮。

（3）走纸测试或重启监测仪，查看走纸是否正常。

2.2 切割器清洗

切割器清洗一般至少1 个月清洗1 次，在雾霾严重的天气情况下应增加清洗次数[6]。步骤如下。

（1）退出主机的观测模式。

（2）将切割器从采样管上拆下来。

（3）拆下PM2.5切割器上的L 形弯管和集尘盖。

（4）利用清洁刷将切割器内部刷干净。

（5）集尘盖使用酒精进行擦拭清洁。

2.3 气密性检验

气密性检验应在流量校准前进行。气密性检验时，启动抽气泵，用流量适配器堵住切割器，若测出的流量小于0.5 L/min，即符合标准。若流量大于0.5 L/min，说明有位置漏气，应检查各个接头是否密封。

2.4 仪器校准

因为LGH-01E 型PM2.5监测仪使用一段时间后，仪器的测量会发生偏移，导致观测结果失准，特别是在更换纸带后要进行相关参数的校准。主要包括以下校准项目。

（1）流量校准。校准前要保证仪器气密性正常，温度和湿度正常。用流量计测试流量，若数值在（16.5～16.9）L/min，属于正常范围，可以不用校准；若测出流量数据在正常值范围外，则必须将流量校准系数K，B 改为1，0，继续测试，将16.67 除以流量测试值得到的系数保存。

（2）膜片校准。监测仪自身带有标准膜片，膜片校准不用人工插入，主机的校准功能菜单中可以进行膜片自动校准，膜片校准后，保存系数和Um值即完成校准。Um校准应进行多次测试，待Um值稳定后再保存。

3 常见故障处理

在仪器运行观测中，因各部件集成度较高，业务人员只能通过控制面板上显示屏或数据接收电脑上发现数据异常或故障报警。常见故障排除方法如下。

3.1 显示“流量故障”或显示“流量偏小”

首先检查抽气泵电源接线、电源电压、继电器有无故障，排除故障后，重点检查气管有无异物堵塞，如有异物则应先清理气管；检查温度传感器及接线等是否正常；检查流量控制器电压是否正常；检查更换控制芯片TLC2543 或TLC5618。

3.2 观测数据PM2.5大于PM10

正常情况，PM2.5的观测数据应小于PM10，如出现数据PM2.5大于PM10的数据“倒挂”情况，应先检查两个监测仪主机的系统时间是否一致；若时间一致，则应对仪器设备进行校准，最后清理切割器。未按时清洁切割器和未按时校准监测仪是造成数据倒挂的主要原因。

3.3 观测数据频繁出现异常值

逐项检查会引起流量故障的项目，如切割器是否清洁，采样管气密性是否良好，采样管是否堵塞，监测仪系数修正是否正常，逐项检查排除。若怀疑是探测器故障，先检查测量计数是否正常，然后测量高压模块电压是否正常，并检查更换控制芯片6N137 和MC14106。

3.4 案例分析

（1）2018 年5 月10 日，襄阳的LGH-01EP 监测仪主机面板显示观测到的PM2.5数据为1000 μg／m3，达到仪器量程的最大测量范围，且一直保持1000 μg／m3的观测数据无变化。值班人员判断为观测数据异常，先后检查了电源、继电器、气管连接等，未见异常；然后检查流量控制器的电压，未见异常；清洁切割器并检查流量亦未见异常，然后检查计数装置，发现计数设备故障，不能正确计数。更换后，数据恢复正常。

（2）2018 年3 月6 日，武汉的LGH-01E 监测仪观测到PM2.5的数据值大于PM10，属于数据“倒挂”，值班人员清洁切割器并同时校准仪器后，数据恢复正常。

4 结束语

大气颗粒物观测已成为综合大气探测业务的重要组成部分，为了观测资料的准确性，各个站点需着重做好以下工作。

（1）观测系统的正常运行离不开业务人员的操作实践和维护维修，做好业务工作人员的维护维修培训尤为重要。

（2）规范、及时、可靠的完成仪器的日常维护，重点做好纸带安装、仪器校准和切割器清理。

（3）遇有仪器故障或数据异常，按先检查软件后排查硬件，先检查室内设备后检查室外设备的顺序逐项排查。