AE33七波段黑碳气溶胶分析仪维护浅析

霍新峰 欧阳俊

(北京赛克玛环保仪器有限公司，北京 102299)

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以及生物质燃烧[2]。黑碳在大气气溶胶中占比较小，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，黑碳对气溶胶光学吸收的贡献接近90%[3]黑碳在大气边界层上部受热，使边界层界面热流量减少，从而影响污染物垂直扩散，导致污染物累积，加剧雾霾形成[4]。大气中的黑碳化学性质稳定，既不能通过己有污染物反应生成，也不能通过大气中的化学反应被清除[5],通常只能靠气象条件使其扩散，降低浓度。如风速大于2.5m/s时，有利于空气中黑碳的扩散；此外，降水对黑碳的清除作用也比较明显[6，7]。由于黑碳的这种特性，因此黑碳的监测对评估空气质量及大气能见度有积极的意义。

新一代AE33黑碳分析仪,测量性能优异，人机交互友好，通讯接口丰富，可执行常规性能测试及验证等操作。该仪器采用的双点位测量方法，既可消除“气溶胶负载”效应产生的影响，又能够给出实时的负载补偿参数，这些信息不但可以用于分析气溶胶光学特性，还能够在源解析模型中解释气溶胶的来源和老化过程[8]。以下结合多年的安装、维护维修经验，对AE33黑碳分析仪的安装、维护、质量控制作介绍。

1 AE33黑碳分析仪工作原理

虽然黑碳的物理和化学状态复杂，但是仍可以通过一定的物理或化学方法测量其在大气中的含量。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，能够在很宽的波长范围内有效地吸收入射电磁波(光子)。游离碳是已知的具有最宽泛连续吸收光谱的物质之一，在短波端吸收增强，在长波端吸收减弱。AE33黑碳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。这种物理测量方法被称为光学衰减测量法。

黑碳分析仪是根据大气气溶胶光学吸收特性和相应的黑碳质量浓度原理研制的。通过采样泵连续抽取含有气溶胶的样气，经采样管路后，气溶胶沉积在带有特氟龙涂层的玻璃纤维滤带上，7个不同波长的光(370、470、520、660、880、950nm)同时测量通过含有样品和空白点作为参考区域的滤带的透射，从滤带上光的衰减量的变化率推导出滤带上气溶胶的光学特性及瞬时浓度。在880nm波长的数据定义为黑碳浓度数据，其他波段的数据可用于源解析[9-13]。黑碳污染在城市中越来越严重[14-17]，有研究表明，该仪器在识别生物质燃烧和化石燃料燃烧作用明显[18，19]。

AE33黑碳分析仪从同一采样口获取两个样品积累速率不同的采样点，得到两个测量值。由于两个采样点具有相同的非线性特性，使得产生的饱和度将具有不同的量级。将两个采样点的测量结合起来可消除非线性，并提供负载补偿系数和黑碳的质量浓度。该测量方法不需要了解滤带上气溶胶的任何特性、是否存在、来源及其产生的光学非线性大小[8]。图1是AE33测量原理。

图1 AE33原理示意图

黑碳仪浓度计算公式(1)：

式(1)

其中：S：采样点面积(0.785cm2)

△ATN1：采样点1的光学衰减量增量

F1：采样点1的实时采样流量

ζ：滤带泄露率(与滤带型号有关，8060型滤带：0.01)

σair：质量吸收界面系数

C：滤带散射系数(与滤带型号有关，8060型滤带：1.39)

K：负载补偿系数

ATN1：采样点1的光学衰减量

t：采样周期

特别注意：

1)ATN1(t)=ATN1(t)-ATN1(0),ATN(0)是更换采样点后滤带上获取的第一个ATN值。

K值加权处理方程[8]：Kweighted=

2 安装注意事项

与安装其他颗粒物分析仪类似，安装AE33黑碳分析仪时，需将切割器、采样管路、防虫防水罐、数据线、电源线等依次连接，同时需要特别注意以下几个方面。

2.1 防水处理

过墙管需要用中性玻璃密封胶进行防水处理，以防由于暴雨导致站房漏水，雨水进入到仪器内部，导致仪器流量计损坏。

2.2 防虫防水罐安装

为防止仪器在高温高湿天气或下雨天时进水，在仪器进口处需要安装防虫防水罐，在安装时要特别注意防虫防水罐的方向，防止水滴进入到仪器内部损坏流量计。

2.3 采样点间隔调整

由于滤带材料的特殊性，滤带上采样点的间隔变小，每完成一个采样点走纸更换到下一个干净采样点的时候，原采样点未能完全离开在采样状态需要压紧滤带的光室，导致滤带采样点部分重合。可通过先让仪器处于待机状态，到OPERATION菜单下的二级子菜单ADVANCED菜单中找到 TA adjust(%)适当调整采样点间隔。如图2(1)所示。

图2 仪器ADVANCED菜单

2.4 UVPM与BIOMASS BURNING在界面显示的调整

黑碳分析仪AE33可以同时给出7个不同波段的测量数据及生物质燃烧占比的数据。在仪器主界面可以同时显示BC(880nm数据)和UVPM(370nm数据)或者BC和BIOMASS BURNING数据。可以通过先让仪器处于待机状态，到OPERATION菜单下的二级子菜单ADVANCED菜单中找到Home disply 进行选择在主菜单中显示UVPM或者Proc BB。如图2(2)所示。

3 仪器日常校准测试

流量校准和光学测试是AE33黑碳分析仪日常校准的重点。流量和光学信号的稳定性、准确性，将影响到测量数据的准确性。仪器测量的是所选标准状态下的黑碳浓度，因此环境温度，压力的测量值会影响到体积流量和标准流量的转化，因此只需要校准仪器内部流量计。减少校准温度和压力传感器的繁琐过程，减轻维护人员的工作量。以下结合工作经验，介绍流量校准及验证、光学测试、稳定性、清洁空气测试、泄露测试过程中注意事项：

3.1 流量校准及验证

在流量校准过程中需要使用经计量检定合格的流量计(推荐使用BGI_TC5图3(1))和流量校准膜图3(2)。其校准过程需注意仪器面板显示流量的单位是mlpm,而标准流量计测量单位是LPM。因此需要将外置流量计的测量值换算成mlpm，然后将标准流量计所测量值输入到仪器内如图4(1)。仪器校准3个不同点的流量，需要输入3次不同的流量值。

图3 BGI_TC5流量计、流量校准膜、中性密度光学滤光片组件

图4 流量校准菜单和流量验证结果显示菜单

在该仪器中流量校准和流量验证的注意事项是相同的，不同的是流量验证结束后给出验证的结果，如图4(2)所示。

3.2 泄露测试

在泄露测试过程中需要使用流量计和流量校准膜，流量验证时先测量滤带安装到仪器上的流量，然后测量流量校准膜安装到仪器上的流量。测试结束后会在仪器界面上显示测试结果，并提示是否通过。

在泄露测试过程中测试结果偏差超过10%时，需要检查仪器内部管路，在排除内部管路前提下，需要润滑光室组件，保障光室位置正常。

3.3 光学测试

在光学测试过程中需要使用到可追溯到NIST标准的中性密度光学滤光片组件图3(3)。测试过程以下几点需要特别注意：1)中性密度光学滤光片是需要放在滤带上进行测量，使其模拟滤带上采样到的黑碳；2)在进行测试时需要输入中性密度光学滤光片组件序列号，不同的组件测量值是不一样的；3)中性密度光学滤光片组件是由4个已知光学吸收且光学吸收逐步增加的玻璃组件构成，测试时需要按照序列号依次进行。

在光学测试过程中测试结果偏差超过10%，首先需要清理光室以及光源检测器，在排除光室及光源检测器洁净的前提下，考虑更换光源或检测板。

3.4 稳定性测试

在稳定性测试过程中不需要使用其他任何辅助工具。测试结果在测试结束后显示在界面上，并提示是否通过。如图5所示。

图5 稳定性测试结果

在稳定性测试过程中如果PPBC61>450 ng/m3，首先需要清理光室以及光源检测器，在排除光室及光源检测器洁净的前提下，考虑更换光源或检测板。

3.5 清洁空气测试

在清洁空气测试过程中，仪器内部已安装一次性过滤器，无需在仪器入气口接一次性过滤器。测试结果在测试结束后显示在仪器界面上，并提示是否通过。

在清洁空气测试过程中如果PPBC61>550ng/m3，首先需要检查仪器内一次性滤器是否需要更换，然后再清理光室及光源检测器，在排除一次性过滤器，光源及光源检测器洁净的前提下，考虑更换光源或者检测器板。

4 仪器日常维护

4.1 光室清洁

仪器的光室时仪器的核心部件，在日常维护过程中，仪器在其光室保存洁净状态时可获得最佳测试结果。保持光室及检测器的清洁对黑碳浓度测量起到重要的作用，根据各地空气质量情况，合理安排清理光室。清洁光室时可使用脱脂棉签沾无水乙醇进行清理，并使用压缩空气对其进行吹扫。图6为长期使用未及时清理光室导致的污染，使用该方法清理恢复正常。

图6 不洁净的光室

4.2 切割器清理

黑碳分析仪使用 的切割器是旋风式切割器，在5L/M流量下采集PM2.5颗粒物。需要对切割器进行定期清理，保障对黑碳浓度的最佳观测。

4.3 滤带参数设置

不同型号的滤带有不同的滤带参数，滤带的参数参与到黑碳浓度的计算，在使用滤带时需要特别注意滤带型号与滤带参数是否一致。

5 结语

AE33黑碳分析仪在国内气象、科研、高校、环保领域广泛使用，该仪器性能稳定，故障少，维护简单，深受广大用户喜爱。本文根据自身维修工作中积累的经验，归纳总结出该仪器的安装校准维护等要点及注意事项，旨在为从事环境空气质量自动监测技术人员及科研人员在黑碳自动监测技术方面提供参考。