氣溶膠觀測業(yè)務(wù)中的問題及處理

吳有恒，李可為，吳世美

(貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

氣溶膠觀測業(yè)務(wù)中的問題及處理

吳有恒，李可為，吳世美

(貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

貴陽站于2013年1月1日起正式開展氣溶膠觀測業(yè)務(wù)，觀測人員按照《大氣成分觀測業(yè)務(wù)規(guī)范(試行)》及技術(shù)操作手冊的規(guī)定做好日常的觀測與維護(hù)工作。結(jié)合運(yùn)行過程中GRIMM180顆粒物監(jiān)測儀出現(xiàn)的問題，分析故障成因，以圖文形式展現(xiàn)處理方法。

GRIMM180；氣溶膠觀測；故障；處理

1 引 言

氣溶膠質(zhì)量濃度是指單位體積大氣中所含氣溶膠的質(zhì)量，單位為毫克每立方米(mg/m3)，或微克每立方米(μg/m3)。PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤ 2.5 μm的顆粒物，它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，其質(zhì)量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。氣溶膠質(zhì)量濃度觀測系統(tǒng)包括硬件及軟件系統(tǒng)，本站使用的硬件是GRIMM180顆粒物分析儀，該設(shè)備可以實(shí)時(shí)測量 31 個(gè)粒徑通道的顆粒物數(shù)字濃度和PM10、PM2.5及PM1值，軟件包括前端數(shù)據(jù)下載程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及質(zhì)量控制信息采集系統(tǒng)。該監(jiān)測儀從2013年1月正式投入使用以來整體性能比較穩(wěn)定，但有時(shí)也出現(xiàn)了硬件和軟件故障，筆者對近2 a運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，結(jié)合故障處理過程中的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出相應(yīng)的解決措施。

2 測量原理及觀測流程

2.1 測量原理

GRIMM180顆粒物分析儀的抽氣泵以恒定流量1.20 L/m 將環(huán)境空氣吸入樣氣室。半導(dǎo)體激光源以高頻率產(chǎn)生激光照射樣氣室，其頻率足夠快，保證在樣氣中的顆粒物不會錯(cuò)過激光的照射。如果在某一時(shí)刻，測量室中沒有顆粒物，激光就會穿過樣品室到達(dá)吸收井被吸收；如有顆粒物存在，激光照在上面會發(fā)生散射，散射光經(jīng)反射鏡(與激光照射方向成90°角)聚焦后到達(dá)對面的檢測器，根據(jù)檢測器接收到脈沖信號的頻次和強(qiáng)弱，可得出顆粒物的數(shù)量和所屬粒徑范圍，進(jìn)而得出顆粒物的濃度[1](圖1)。

圖1 顆粒物濃度測量原理

2.2 觀測流程

①由于氣溶膠觀測時(shí)制采用世界時(shí)，首先要把計(jì)算機(jī)的時(shí)區(qū)更改為“(UTC)協(xié)調(diào)世界時(shí)”，開啟GRIMM180后再在計(jì)算機(jī)上打開前端數(shù)據(jù)下載軟件，該軟件自動連接儀器并與計(jì)算機(jī)校時(shí)，儀器自檢無誤后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，要等到正五分[1](5、10、15………)時(shí)，儀器將自動啟動，此時(shí)前端數(shù)據(jù)下載軟件開始下載監(jiān)測數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)讀取前端數(shù)據(jù)下載軟件生成的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采集生成對應(yīng)項(xiàng)目的小時(shí)數(shù)據(jù)文件，即質(zhì)量濃度多要素(PMMUL)和數(shù)濃度譜(NSD)的小時(shí)數(shù)據(jù)，2種數(shù)據(jù)的分辨率都是5 min(每個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)文件里有12條分鐘數(shù)據(jù))，不同的是PMMUL是通過串口實(shí)時(shí)傳送到業(yè)務(wù)機(jī)上，而NSD是先保存到儀器的存儲卡上，等待下個(gè)定時(shí)(每3 h)軟件發(fā)出指令再推送到業(yè)務(wù)機(jī)上。

③數(shù)據(jù)傳輸軟件會在每個(gè)正點(diǎn)后5 min上傳上1個(gè)時(shí)次的PMMUL及NSD小時(shí)數(shù)據(jù)以及在每日的02時(shí)30分[2](北京時(shí)10時(shí)30分)上傳上1日由人工錄入值班記錄而形成的質(zhì)量控制信息文件到省局信息中心。(圖2)

圖2 觀測數(shù)據(jù)傳輸流程

3 故障與處理

3.1 通訊故障

3.1.1 故障現(xiàn)象 GRIMM180自2012年12月10日開機(jī)試運(yùn)行之后就存在軟件不能自動獲取NSD數(shù)據(jù)的問題，表現(xiàn)為只能在第1次打開前端下載軟件時(shí)下載NSD數(shù)據(jù)，在之后的若干小時(shí)內(nèi)，軟件都不能自動獲取該數(shù)據(jù)，除非重新啟動前端下載軟件，但也只是重新啟動后第1次能夠下載到數(shù)據(jù)。

3.1.2 分析處理 ①由于PMMUL數(shù)據(jù)下載正常，僅是下載NSD數(shù)據(jù)異常，首先排除了通訊數(shù)據(jù)線接觸不良問題；②儀器開機(jī)后指示燈狀態(tài)正常并順利通過自檢，表明儀器運(yùn)行正常；③更換業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)，重設(shè)前端下載軟件參數(shù)，儀器開機(jī)后問題依舊，說明原計(jì)算機(jī)串口正常；④懷疑是軟件安裝問題，在與軟件的作者聯(lián)系后確認(rèn)軟件安裝無誤，此時(shí)問題仍然存在，排除軟件運(yùn)行問題；⑤既然硬件與軟件都運(yùn)行正常，那么只剩下通訊數(shù)據(jù)線的問題，數(shù)據(jù)線能正常傳輸PMMUL數(shù)據(jù)但軟件定時(shí)(每3 h)發(fā)出的指令卻沒有傳送給儀器，導(dǎo)致無法傳輸NSD數(shù)據(jù)，在與儀器公司說明該情況后，于12月27日收到了重新定做的通訊數(shù)據(jù)線，更換后該問題得到解決。

3.2 溫濕度傳感器故障及處理

3.2.1 故障現(xiàn)象 2013年11月3日10時(shí)10分，值班員在巡視GRIMM180顆粒物監(jiān)測儀時(shí)發(fā)現(xiàn)LCD屏上顯示的濕度值為18%，與自動氣象站采集的濕度值(92%)相差太大，且維持長時(shí)間不變，溫濕度傳感器的電壓值 Ue2 =41，Dryer指示燈熄滅，因?yàn)閮x器內(nèi)設(shè)的除濕啟動值為 40%，而溫濕度傳感器采集到的環(huán)境濕度低于40%，除濕泵停止運(yùn)行。

3.2.2 分析處理 在環(huán)境空氣濕度大的情況下，顆粒物表面可能會凝結(jié)水，GRIMM180使用除濕系統(tǒng)在NAFION管的內(nèi)外壁產(chǎn)生壓差，使水分子從高壓的內(nèi)管通過壁膜進(jìn)入低壓的外管[1](圖3)，以達(dá)到干燥樣氣的目的。由于沒有備件更換，故先將除濕啟動值設(shè)為0%，使除濕泵保持開啟狀態(tài)，待更換溫濕度傳感器后，重新調(diào)整除濕啟動值，濕度數(shù)據(jù)采集恢復(fù)正常。(注：由于濕度對氣溶膠質(zhì)量濃度的影響相對簡單[4]。隨著濕度的增加，吸濕性和溶解性氣溶膠粒子的尺度將隨之增大，這種增大一方面依賴于大氣中水汽的含量；另一方面，它還依賴于氣溶膠粒子的物理特性和化學(xué)成分，所以除濕泵開啟前后數(shù)據(jù)并無可對比性)。

圖3 GRIMM180除濕系統(tǒng)工作原理

3.3 除濕泵故障及處理

3.3.1 故障現(xiàn)象 2014年12月5日13時(shí)05分，值班員發(fā)現(xiàn)監(jiān)測儀Dryer指示燈為紅色，LCD屏上顯示“Dry Not OK!”，除濕系統(tǒng)負(fù)壓不正常，顯示值約為-20，但儀器仍在運(yùn)行，而除濕泵停止工作。

3.3.2 分析處理 ①重啟GRIMM180，開機(jī)顯示“Self Test Not OK!”和“VACUUM NOT OK! PLEASE CHECK”同時(shí)Dryer指示燈一直為紅色，查閱技術(shù)手冊[1]，說明除濕氣路有彎折、堵塞或漏氣現(xiàn)象；②儀器關(guān)機(jī)并取出采樣管，仔細(xì)查看除濕氣路(圖4中紅色管路)，并無彎折或破損；③把除濕管對接，注意圖4與圖5中白色方框內(nèi)紅色管路對接前后變化，開機(jī)后儀器仍然顯示“Self Test Not OK!”，壓力表示值不在-40～-60之間，說明除濕泵故障； ④更換除濕泵，開機(jī)后儀器通過自檢，顯示“Self Test OK!”，運(yùn)行恢復(fù)正常。

圖4 除濕氣路圖

圖5 除濕泵故障顯示圖

3.4 塵過濾器故障及處理

3.4.1 故障現(xiàn)象 2013年6月3日19時(shí)20分，儀器發(fā)出間歇性鳴叫，觀測人員查看到儀器屏幕上顯示“CHECK DUSTFILTER AND AIR PASSAGE”字樣。

3.4.2 分析處理 查閱技術(shù)手冊[1]，說明需要更換塵過濾器，由于本站并未配置多余的塵過濾器，在第一時(shí)間便向儀器公司反映該故障，鑒于儀器在報(bào)警后仍能照常工作，軟件下載、采集和傳輸正常，所以待塵過濾器到位后按照圖6白色箭頭指示的方向安裝新的過濾器。更換后儀器運(yùn)行正常，不再報(bào)警。

圖6 塵過濾器故障處理示意圖

3.5 系統(tǒng)時(shí)間錯(cuò)誤及處理

3.5.1 錯(cuò)誤描述 GRIMM180正常運(yùn)行期間每3 h就會在前端下載軟件的命令下與計(jì)算機(jī)對時(shí)，但是觀測人員在值班期間曾多次發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)時(shí)間會突然自動跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)次，由于采集軟件會在小時(shí)數(shù)據(jù)文件名上加注時(shí)間以表明是哪個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，如果不及時(shí)改正系統(tǒng)時(shí)間那么就會導(dǎo)致該時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)容與時(shí)次不符的現(xiàn)象。

3.5.2 分析處理 計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中系統(tǒng)時(shí)間非人為自動跳時(shí)，而不是發(fā)生在重啟計(jì)算機(jī)后，且該計(jì)算機(jī)是新配置的氣溶膠觀測業(yè)務(wù)專用機(jī)，首先排除主板電池的問題。使用殺毒軟件掃描，未發(fā)現(xiàn)病毒。由于市局網(wǎng)絡(luò)地址的劃分，所有需要上傳觀測數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)IP地址都被分配到了內(nèi)網(wǎng)段，不能對外訪問互聯(lián)網(wǎng)，考慮360安全衛(wèi)士需要訪問外網(wǎng)升級，嘗試全部卸載該類軟件后該問題得到解決。

3.6 質(zhì)控信息錯(cuò)誤及處理

3.6.1 錯(cuò)誤描述 2013年3月5日10時(shí)30分，傳輸軟件開始報(bào)警，提示當(dāng)日質(zhì)控信息文件不存在導(dǎo)致上傳失敗，接班員在查詢上一班日志后及時(shí)補(bǔ)填了該條信息，根據(jù)規(guī)定[3]，若能挽回記錄可不統(tǒng)計(jì)錯(cuò)情，否則統(tǒng)計(jì)15個(gè)錯(cuò)情。

3.6.2 分析處理 質(zhì)控信息是在人工錄入觀測項(xiàng)目的相關(guān)信息后生成的數(shù)據(jù)文件，按照規(guī)定[3]必須每天生成當(dāng)日質(zhì)控信息文件。詢問值班員得知3月4日(北京時(shí)3月4日08時(shí)—3月5日08時(shí))全天無天氣現(xiàn)象，儀器運(yùn)行狀態(tài)正常，無維護(hù)維修活動和周邊活動，導(dǎo)致觀測員認(rèn)為一切正常無需錄入信息，但正確的做法應(yīng)該是在開始時(shí)間輸入0：00，結(jié)束時(shí)間輸入23：59，4個(gè)部分的編碼均選用默認(rèn)編碼，保存后生成該日質(zhì)控信息文件(圖7)。還需注意的是必須在該日日界00時(shí)(北京時(shí)08時(shí))之前錄入，否則生成的是下一日的質(zhì)控信息文件。

4 小結(jié)

本文簡要介紹了氣溶膠觀測系統(tǒng)、測量原理及觀測流程，結(jié)合故障實(shí)例從硬件、軟件及人為操作3個(gè)方面分析了各類故障成因，總結(jié)了處理相關(guān)故障的技術(shù)方法，同時(shí)指出了巡視與維護(hù)中的主要注意事項(xiàng)。

圖7 生成的日質(zhì)控信息文件

[1] 中國氣象局綜合觀測司.GRIMM180 顆粒物監(jiān)測儀操作技術(shù)手冊.2012.

[2] 中國氣象局綜合觀測司.氣測函〔2012〕229號文《觀測司關(guān)于氣溶膠質(zhì)量濃度觀測系統(tǒng)投入運(yùn)行的函》.2012.

[3] 中國氣象局綜合觀測司.大氣成分觀測業(yè)務(wù)規(guī)章制度(試行).2012.

[4] 韓道文，劉文清，張玉鈞，等.溫度和相對濕度對氣溶膠質(zhì)量濃度垂直分布的影響[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2007，24(5)：619-624.

2014-12-01

吳有恒(1983—)，男(苗族)，工程師，主要從事氣象綜合觀測工作。

1003-6598(2015)05-0058-04

X513

B