气溶胶观测业务中的问题及处理

2015-04-05吴有恒李可为吴世美

中低纬山地气象 2015年5期

关键词：气溶胶颗粒物仪器

吴有恒，李可为，吴世美

(贵州省贵阳市气象局，贵州贵阳 550001)

气溶胶观测业务中的问题及处理

吴有恒，李可为，吴世美

(贵州省贵阳市气象局，贵州贵阳 550001)

贵阳站于2013年1月1日起正式开展气溶胶观测业务，观测人员按照《大气成分观测业务规范(试行)》及技术操作手册的规定做好日常的观测与维护工作。结合运行过程中GRIMM180颗粒物监测仪出现的问题，分析故障成因，以图文形式展现处理方法。

GRIMM180；气溶胶观测；故障；处理

1 引言

气溶胶质量浓度是指单位体积大气中所含气溶胶的质量，单位为毫克每立方米(mg/m3)，或微克每立方米(μg/m3)。PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径≤ 2.5 μm的颗粒物，它能较长时间悬浮于空气中，其质量浓度越高，就代表空气污染越严重。气溶胶质量浓度观测系统包括硬件及软件系统，本站使用的硬件是GRIMM180颗粒物分析仪，该设备可以实时测量 31 个粒径通道的颗粒物数字浓度和PM10、PM2.5及PM1值，软件包括前端数据下载程序、数据采集程序、数据传输系统及质量控制信息采集系统。该监测仪从2013年1月正式投入使用以来整体性能比较稳定，但有时也出现了硬件和软件故障，笔者对近2 a运行中出现的问题进行分析，结合故障处理过程中的维护经验，提出相应的解决措施。

2 测量原理及观测流程

2.1 测量原理

GRIMM180颗粒物分析仪的抽气泵以恒定流量1.20 L/m 将环境空气吸入样气室。半导体激光源以高频率产生激光照射样气室，其频率足够快，保证在样气中的颗粒物不会错过激光的照射。如果在某一时刻，测量室中没有颗粒物，激光就会穿过样品室到达吸收井被吸收；如有颗粒物存在，激光照在上面会发生散射，散射光经反射镜(与激光照射方向成90°角)聚焦后到达对面的检测器，根据检测器接收到脉冲信号的频次和强弱，可得出颗粒物的数量和所属粒径范围，进而得出颗粒物的浓度[1](图1)。

图1 颗粒物浓度测量原理

2.2 观测流程

①由于气溶胶观测时制采用世界时，首先要把计算机的时区更改为“(UTC)协调世界时”，开启GRIMM180后再在计算机上打开前端数据下载软件，该软件自动连接仪器并与计算机校时，仪器自检无误后进入待机状态，要等到正五分[1](5、10、15………)时，仪器将自动启动，此时前端数据下载软件开始下载监测数据。

②数据采集软件负责读取前端数据下载软件生成的监测数据，采集生成对应项目的小时数据文件，即质量浓度多要素(PMMUL)和数浓度谱(NSD)的小时数据，2种数据的分辨率都是5 min(每个小时数据文件里有12条分钟数据)，不同的是PMMUL是通过串口实时传送到业务机上，而NSD是先保存到仪器的存储卡上，等待下个定时(每3 h)软件发出指令再推送到业务机上。

③数据传输软件会在每个正点后5 min上传上1个时次的PMMUL及NSD小时数据以及在每日的02时30分[2](北京时10时30分)上传上1日由人工录入值班记录而形成的质量控制信息文件到省局信息中心。(图2)

图2 观测数据传输流程

3 故障与处理

3.1 通讯故障

3.1.1 故障现象 GRIMM180自2012年12月10日开机试运行之后就存在软件不能自动获取NSD数据的问题，表现为只能在第1次打开前端下载软件时下载NSD数据，在之后的若干小时内，软件都不能自动获取该数据，除非重新启动前端下载软件，但也只是重新启动后第1次能够下载到数据。

3.1.2 分析处理 ①由于PMMUL数据下载正常，仅是下载NSD数据异常，首先排除了通讯数据线接触不良问题；②仪器开机后指示灯状态正常并顺利通过自检，表明仪器运行正常；③更换业务计算机，重设前端下载软件参数，仪器开机后问题依旧，说明原计算机串口正常；④怀疑是软件安装问题，在与软件的作者联系后确认软件安装无误，此时问题仍然存在，排除软件运行问题；⑤既然硬件与软件都运行正常，那么只剩下通讯数据线的问题，数据线能正常传输PMMUL数据但软件定时(每3 h)发出的指令却没有传送给仪器，导致无法传输NSD数据，在与仪器公司说明该情况后，于12月27日收到了重新定做的通讯数据线，更换后该问题得到解决。

3.2 温湿度传感器故障及处理

3.2.1 故障现象 2013年11月3日10时10分，值班员在巡视GRIMM180颗粒物监测仪时发现LCD屏上显示的湿度值为18%，与自动气象站采集的湿度值(92%)相差太大，且维持长时间不变，温湿度传感器的电压值 Ue2 =41，Dryer指示灯熄灭，因为仪器内设的除湿启动值为 40%，而温湿度传感器采集到的环境湿度低于40%，除湿泵停止运行。

3.2.2 分析处理在环境空气湿度大的情况下，颗粒物表面可能会凝结水，GRIMM180使用除湿系统在NAFION管的内外壁产生压差，使水分子从高压的内管通过壁膜进入低压的外管[1](图3)，以达到干燥样气的目的。由于没有备件更换，故先将除湿启动值设为0%，使除湿泵保持开启状态，待更换温湿度传感器后，重新调整除湿启动值，湿度数据采集恢复正常。(注：由于湿度对气溶胶质量浓度的影响相对简单[4]。随着湿度的增加，吸湿性和溶解性气溶胶粒子的尺度将随之增大，这种增大一方面依赖于大气中水汽的含量；另一方面，它还依赖于气溶胶粒子的物理特性和化学成分，所以除湿泵开启前后数据并无可对比性)。

图3 GRIMM180除湿系统工作原理

3.3 除湿泵故障及处理

3.3.1 故障现象 2014年12月5日13时05分，值班员发现监测仪Dryer指示灯为红色，LCD屏上显示“Dry Not OK!”，除湿系统负压不正常，显示值约为-20，但仪器仍在运行，而除湿泵停止工作。

3.3.2 分析处理 ①重启GRIMM180，开机显示“Self Test Not OK!”和“VACUUM NOT OK! PLEASE CHECK”同时Dryer指示灯一直为红色，查阅技术手册[1]，说明除湿气路有弯折、堵塞或漏气现象；②仪器关机并取出采样管，仔细查看除湿气路(图4中红色管路)，并无弯折或破损；③把除湿管对接，注意图4与图5中白色方框内红色管路对接前后变化，开机后仪器仍然显示“Self Test Not OK!”，压力表示值不在-40～-60之间，说明除湿泵故障； ④更换除湿泵，开机后仪器通过自检，显示“Self Test OK!”，运行恢复正常。

图4 除湿气路图

图5 除湿泵故障显示图

3.4 尘过滤器故障及处理

3.4.1 故障现象 2013年6月3日19时20分，仪器发出间歇性鸣叫，观测人员查看到仪器屏幕上显示“CHECK DUSTFILTER AND AIR PASSAGE”字样。

3.4.2 分析处理查阅技术手册[1]，说明需要更换尘过滤器，由于本站并未配置多余的尘过滤器，在第一时间便向仪器公司反映该故障，鉴于仪器在报警后仍能照常工作，软件下载、采集和传输正常，所以待尘过滤器到位后按照图6白色箭头指示的方向安装新的过滤器。更换后仪器运行正常，不再报警。

图6 尘过滤器故障处理示意图

3.5 系统时间错误及处理

3.5.1 错误描述 GRIMM180正常运行期间每3 h就会在前端下载软件的命令下与计算机对时，但是观测人员在值班期间曾多次发现计算机时间会突然自动跳转到下一个时次，由于采集软件会在小时数据文件名上加注时间以表明是哪个小时的数据，如果不及时改正系统时间那么就会导致该时数据内容与时次不符的现象。

3.5.2 分析处理计算机在运行过程中系统时间非人为自动跳时，而不是发生在重启计算机后，且该计算机是新配置的气溶胶观测业务专用机，首先排除主板电池的问题。使用杀毒软件扫描，未发现病毒。由于市局网络地址的划分，所有需要上传观测数据的计算机IP地址都被分配到了内网段，不能对外访问互联网，考虑360安全卫士需要访问外网升级，尝试全部卸载该类软件后该问题得到解决。

3.6 质控信息错误及处理

3.6.1 错误描述 2013年3月5日10时30分，传输软件开始报警，提示当日质控信息文件不存在导致上传失败，接班员在查询上一班日志后及时补填了该条信息，根据规定[3]，若能挽回记录可不统计错情，否则统计15个错情。

3.6.2 分析处理质控信息是在人工录入观测项目的相关信息后生成的数据文件，按照规定[3]必须每天生成当日质控信息文件。询问值班员得知3月4日(北京时3月4日08时—3月5日08时)全天无天气现象，仪器运行状态正常，无维护维修活动和周边活动，导致观测员认为一切正常无需录入信息，但正确的做法应该是在开始时间输入0：00，结束时间输入23：59，4个部分的编码均选用默认编码，保存后生成该日质控信息文件(图7)。还需注意的是必须在该日日界00时(北京时08时)之前录入，否则生成的是下一日的质控信息文件。