动态校准仪臭氧发生器开度测试系统自动化研究

刘文秀，徐 虹，李 媛，郑乃源，杨 宁

（天津市生态环境监测中心，天津 300191）

挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）可以在大气中通过一系列光化学反应生成臭氧（O3），其属于二次污染物，对人体健康和生态环境均产生较大影响。《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）将臭氧8 h 浓度作为一项监测指标，其参与空气质量考核[1]。监测数据显示，近年来，我国重点城市颗粒物污染有所减缓，但臭氧污染问题日益严峻，尤其在京津冀地区，O3浓度不降反升，其与PM2.5并列成为影响空气质量的重要污染物，高质量的臭氧监测数据对打赢我国大气污染防治攻坚战起到基础保障作用。

1 现状与不足

当前，我国环境空气质量自动监测站点均采用颗粒物（PM10和PM2.5）及气态污染物（SO2、NO2、O3、CO）连续监测系统，气态污染物监测系统的核心组成部分包括分析仪器和校准设备，校准设备用于对分析仪器进行校准，保证监测数据准确有效。气态污染物监测系统的校准设备就是动态校准仪，它通常分为两种：带光度计和不带光度计。气态污染物监测中，大多数站点使用的是不带光度计的动态校准仪，其内置了臭氧发生器，要定期对臭氧发生器进行量值溯源，才能在量值传递中作为工作标准[2]。

在对臭氧校准仪进行校准前，臭氧发生器必须进行量值溯源，溯源合格的臭氧发生器才能对臭氧校准仪进行量值传递，保证输出准确的臭氧浓度值。作为传递标准的臭氧校准仪和提供足够压力且清洁零气的零气源必须符合《环境空气气态污染物（SO2、NO2、O3、CO）连续自动监测系统运行和质控技术规范》（HJ 818—2018）[3]（以下简称《技术规范》）及《环境空气臭氧监测一级校准技术规范》（HJ 1099—2020）[4]要求。

在保证零气流量恒定的前提下，通过调节臭氧发生器的臭氧发生控制装置（即开度），使其输出臭氧开度（单位%）所对应的目标浓度值（单位mg/m3和μg/m3）。由于动态校准仪开度测试人工操作比较复杂，而且费时，为了去人工化，本研究构想并设计了环境空气自动监测系统动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统，实现环境空气自动监测系统运行与质控中量值传递的批量化、自动化。

2 研究构想

本研究以赛默飞世尔科技有限公司（Thermo Fisher SCIENTIFIC）内置臭氧发生器的动态校准仪146i 为例，对站点中动态校准仪进行开度测试，每个测试点需要进行测试、调整，最终找到一个合适的开度值。构想是建立一个动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统，用于环境空气自动监测系统质量保证，实验室对多个臭氧发生器进行开度测试，确保输出的臭氧浓度值为目标浓度值。

在臭氧发生器开度自动测试中，首先用标准质量流量计（型号DFM27/DFM37）对动态校准仪的2 个质量流量计流量进行校准，流量误差控制在±1%，确保流量准确和稳定；配备赛默飞世尔科技有限公司的111 型零气发生器[5]，零气源在使用前需要进行性能测试，确保符合《技术规范》要求；连接用的气路管道全部使用清洁的特富龙（Teflon）管道。本研究采用赛默飞世尔科技有限公司的臭氧校准仪（型号49i-PS）作为传递标准。自动测试所用标准质量流量计和臭氧校准仪均已溯源至国家计量检定部门。

2.1 自动测试系统连接

该自动测试系统包括内置臭氧发生器的动态校准仪146i（共5 台，简称臭氧发生器1#、2#、3#、4#、5#）、111 型零气发生器、臭氧校准仪49i-PS、工控机IPC-610、智能数字量采集器C2000 MD88、电磁阀和多串口通信卡MOAX CP-168U。

臭氧校准仪的气体入口与各个臭氧发生器的气体出口连通。每个臭氧发生器与臭氧校准仪的连通管路均设置一个电磁阀（其作用是控制臭氧发生器与臭氧校准仪连接，而臭氧发生器内部的电磁阀用于控制臭氧发生器流量，它们存在区别）。臭氧校准仪用于采集臭氧发生器开度所对应的臭氧浓度值。

工控机的通信接口与多串口通信卡的总线接口连接，多串口通信卡的多个端口分别与臭氧校准仪、智能数字量采集器和多个臭氧发生器连接。智能数字量采集器的多个输出接口分别与多个电磁阀连接，工控机用于向臭氧校准仪输出控制指令并采集臭氧校准仪检测到的浓度值，还用于开启待测试臭氧发生器的电磁阀，并关闭除待测试臭氧发生器的电磁阀以外的电磁阀。在同一时刻，只允许一个电磁阀处于开启状态。

2.2 系统自动测试

根据规范要求，需要测试满量程的臭氧气体（浓度0%、10%、20%、40%、60%、80%）所对应的开度。测试结束后，可以根据目标浓度值，对其余几台臭氧发生器进行开度测试。因此，实验室一天可以批量对几台臭氧发生器进行测试。

3 结果与讨论

3.1 结果

《技术规范》要求，在保证零气流量恒定的前提下，调节工作标准臭氧发生器开度，使其产生仪器响应满量程的0%、10%、20%、40%、60%和80%浓度的臭氧气体，它与臭氧校准仪监测到的臭氧浓度值的校准曲线应满足以下条件：相关系数r大于0.999；0.97 ≤斜率a≤1.03；截距b在满量程的±1%范围内。此外，《技术规范》要求监测仪器跨度漂移应控制在±5%以内，跨度漂移计算公式如下：

式中：SD为跨度漂移，%；S'为监测仪器对标气的响应值，μg/m3；S为规定检查用标气的浓度值，μg/m3。

采用本研究研发的动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统，按照预先编好的程序，分别对臭氧发生器1#、臭氧发生器2#、臭氧发生器3#、臭氧发生器4#和臭氧发生器5#开展测试，测试结果如表1 所示。5 次测试结果跨度漂移分别为-0.5%～0.7%、-2.0% ～4.6%、-3.8% ～2.0%、-2.0% ～1.3%和-0.8%～1.7%，满足跨度漂移在±5%以内的要求。

表1 动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统测试结果

3.2 讨论

绘制工作标准臭氧发生器臭氧浓度设置值与传递用臭氧校准仪示值对应的臭氧标准值之间的校准曲线。这五次测试的相关系数分别为0.999 99、0.999 89、0.999 93、0.999 95 和0.999 94，均满足大于0.999 的要求。斜率方面，五次测试的斜率分别为1.004、0.998、1.006、1.009 和1.008，均满足斜率≤1.03 的要求。截距方面，五次测试的截距分别是-0.116、-0.173、-0.027、-0.560 和0.791，分别占满量程（1 071 μg/m3）的-0.02%、-0.03%、-0.01%、-0.11%和0.16%，均在满量程的±1%范围内。由此可见，动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统测试结果均满足《技术规范》的要求。

4 结论

经验证，采用本研究研发的动态校准仪臭氧发生器开度自动测试系统，五次测试结果跨度漂移均满足在±5%以内的要求；绘制工作标准臭氧发生器臭氧浓度设置值与传递用臭氧校准仪示值对应的臭氧标准值之间的校准曲线，其在相关系数、斜率和截距方面均满足《技术规范》的要求。该自动测试系统利用工控机实现臭氧发生器电磁阀的控制、臭氧校准仪浓度值的获取以及臭氧发生器内部开度控制程序的调控，实现了臭氧开度测试的自动化。其中，动态校准仪可在维修或质控后进行批量化自动测试，并借助智能数据量采集器采集测试结果，节省单台测试的人力与时间投入，提高工作效率。