β射線法大氣顆粒物監測儀異常塵斑探討

文/王宜府 潘煥雙 余有淑（安徽藍盾光電子股份有限公司）

β 射線法大氣顆粒物監測儀器采樣斑點異常可能會影響大氣顆粒物濃度的測量值。因此，在儀器運行中發現采樣斑點異常的情況，需要及時分析采樣斑點產生異常的原因，并予以解決，確保監測儀器運行正常，使得監測數據準確可靠。

一、概述

基于β 射線吸收原理的大氣顆粒物監測儀是目前在國內環境監測領域中應用最廣的大氣顆粒物監測儀器，包括TSP 監測儀、PM10監測儀、PM2.5監測儀等。這類儀器的共同點是利用C14作為放射源釋放出β 粒子，先后兩次通過同一位置的空白濾紙帶及帶有塵斑的濾紙帶發生的能量衰減量不同，利用濾紙帶背后的β 粒子探測器根據先后兩次探測的β 射線強度I0及I1反演出大氣顆粒物的濃度。

儀器的工作過程是在抽氣泵的作用下（恒定流量，一般為16.7L/min），大氣顆粒物隨同大氣進入大氣顆粒物切割器，經切割分離后大氣顆粒物繼續隨氣流沿管路下行至儀器內部的濾紙帶處并吸附在濾紙帶上，采樣一定時間后大氣顆粒物在濾紙帶上積累并形成褐色斑點——采樣斑點，也就是塵斑。儀器對這個塵斑進行測量并將測量結果換算成等效濃度（大氣顆粒物的濃度）顯示在儀器界面上，即完成了一個大氣中相應粒徑的顆粒物濃度的采樣與測量周期。隨后在驅動電機控制下將已完成測量塵斑移走，換一個空白處繼續采樣、測量，以此往復進行。儀器通過特定電路與程序實現對傳動機構的全程自動控制，使得所有動作均可自動完成。

在理想狀態下，每個塵斑的形狀應該是非常圓潤、飽滿的，而在實際運行過程中，會由于各種原因導致塵斑形狀出現異常。本文通過實際測量過程中出現的各種異常塵斑性狀分析，探討出現異常的原因和解決措施。

二、異常問題描述

本公司承接國家環境空氣監測網城市環境空氣自動監測站運行維護項目（含試行、第一輪、第二輪）已經4 年多時間，對各類主流品牌的β 射線法大氣顆粒物監測儀在不同地域、不同季節、不同天氣條件下的運行狀況均有了解和分析，基本做到對所運維的各品牌儀器的采樣斑點的狀態實時掌握。根據現場運維人員的總結與反饋，采樣斑點的異常狀態主要分為塵斑拖尾、塵斑毛刺及塵斑缺口三種現象。具體情況如圖1 所示。

圖1 塵斑異常形狀圖

三、異常塵斑產生的原因及解決措施

針對上述三種情況的塵斑異常，要結合現場實際逐一進行具體分析并予以解決。

1.塵斑拖尾

這種現象主要出現在儀器入口處的采樣管為彎管類的儀器，由于該儀器的濾紙帶是夾在上下兩個平臺之間，下平臺為不動的定平臺，上平臺是通過凸輪和彈簧相互作用可上下移動的動平臺。該儀器的一個特點是默認設置為每24h 移動塵斑再換一個采樣點，或者是當塵斑負載量達到1500μg 時自動走紙而換一個采樣點。因此，當長時間在同一個采樣點處進行采樣時，在密封的上下平臺長時間壓力下以及在一定濕度的影響下，采樣斑點的圓周濾紙帶與上平臺處于局部的真空狀態，使之產生較強的粘附力。在采樣及測量完畢后、移動塵斑前需要使上平臺上升，就在上升過程中有時濾紙帶沒有與上平臺分離，接著濾紙帶會自動前行，受濾紙帶的牽引，塵斑與上平臺發生相對位移而產生摩擦，從而使塵斑產生拖尾現象。如圖1（a）所示。觀測顯示，紙帶塵斑越厚，拖尾現象越嚴重。

解決辦法是，當遇到重霧霾天氣或者連續陰雨天氣，濕度大時，將儀器默認設置的每24h 移動塵斑一次設置為每8h 移動塵斑一次。一方面減少了動平臺壓濾紙帶的時間以減小定平臺對濾紙帶的粘結，另一方面減少了紙帶上塵斑的厚度從而減小拖尾程度。實際操作表明，處理后這種現象確實減少很多。

2.塵斑毛刺

塵斑毛刺現象是一種比較常見的異常塵斑，在本公司運維的各類儀器中，無論儀器入口處的采樣管是彎管還是直管，都出現過這種情況。通過分析總結，清楚地了解了產生這種現象的原因。入口采樣管為彎管類的儀器，通常是由于上下兩個平臺的接觸面不平行，采樣時不能很好地與濾紙帶接觸而密封，從而導致漏氣并導致塵斑有毛刺；入口采樣管為直管類儀器，則基本是由于采樣管端面與定平臺面不平行，或者采樣管的軸線與定平臺平面不垂直導致。無論哪種儀器，采樣時濾紙處采樣口平面不能與濾紙帶完全貼合而密封，都是導致塵斑產生毛刺的重要原因。如圖1（b）所示。

解決辦法是，對于彎管類儀器，一是要清理干凈上、下平臺平面上雜物；二是調整導套及壓縮彈簧，使上平臺能自然升降。這樣處理是要確保儀器在采樣時使上、下平臺平面能平行地壓緊濾紙而密封。對于直管內儀器，首先是要檢查定平臺和直管端口處有沒有異物，如有則需清理干凈；如無異物，則要松開直管下端鎖緊裝置，將直管的端面直接與定平臺面接觸（移開濾紙帶）并按緊再重新鎖緊即可。

3.塵斑缺口

這種現象分析起來比較簡單，通過模擬場景可以清楚地了解產生原因。實驗中在采樣前預先在采樣斑點處放置一個材質不易被干擾的小物件，等采樣結束后塵斑就會留下與小物件水平投影形狀相似的空白而缺少一部分。通過多次實驗，確定產生塵斑缺口的原因是有雜物粘在采樣管端口處內壁上，且該雜物隨端口一起移動。無論是彎管的還是直管的儀器，都有可能發生這種現象。如圖1（c）所示。

解決辦法是清理干凈端口處采樣管內壁的雜物。

四、異常塵斑對顆粒物監測數據的影響

圖2 塵斑拖尾與同城市正常塵斑站點顆粒物數據比較趨勢圖

圖3 塵斑毛刺與同城市正常塵斑站點顆粒物數據比較趨勢圖

圖4 塵斑缺口與同城市正常塵斑站點顆粒物數據比較趨勢圖

上述三種異常情況對測得的數據是否有影響不能單憑主觀判斷，而應通過與相同時間環境下正常塵斑儀器的數據進行對比才能給出合理的結論。以下數據是本公司在運行維護期間，從發現異常塵斑站點的數據中隨機抽出三個類型，本文對其進行分析。

1.數據1：PM2.5 儀器塵斑拖尾現象對監測數據影響情況分析

2019 年2 月24 日檢查現場某站點，發現有一臺PM2.5儀器塵斑出現拖尾情況，對前后4 日PM2.5數據趨勢情況進行分析，發現這臺儀器的數據趨勢與同城市附近其他站點正常塵斑儀器數據基本一致，并未受到明顯影響。這是由于塵班拖尾的形成是在儀器的采樣、測量結束后形成的。即儀器移動塵斑時，塵斑與上平臺的相對位移而產生摩擦形成拖尾。圖2 為含有塵斑拖尾現象與其他正常塵斑的儀器PM2.5數據比較趨勢圖。

2.數據2：PM2.5儀器塵斑毛刺現象對顆粒物監測數據影響分析

2019 年6 月17 日檢查某個站點，發現顆粒物儀器塵斑毛刺現象，對6 月15 日至6 月20 日數據趨勢進行分析，發現塵斑毛刺儀器的數據比同城其他正常塵斑儀器監測數據明顯偏低。這是由于儀器密封效果不佳引起的，致使在采樣抽氣時有一部分室內氣體在此處參與了采樣，而室內PM2.5的濃度肯定要比室外低，由此測量的結果就會低于正常值了。圖3 為含有塵斑毛刺現象與其他正常塵斑儀器的PM2.5數據比較趨勢圖。

3.數據3：PM2.5儀器塵斑缺口現象對監測數據影響情況分析

2019 年1 月18 日現場某站點，發現PM2.5儀器紙帶存在塵斑缺口現象，對前4 日和后5 日的PM2.5數據趨勢情況進行分析，發現該站點數據趨勢與同城市其他正常塵斑儀器數據基本一致，并未受到明顯影響。這是因為在整個采樣過程中，采樣流量沒有變化，只是流速發生了忽略不計的變化，塵的收集面積稍微減小，但塵的采集量沒有變化，所以對測量結果沒有影響。圖4 為含有塵斑缺口現象與其他正常塵斑的儀器PM2.5數據比較趨勢圖。

五、結語

通過對異常塵斑產生原因及對測量結果影響的分析可以看出，并不是所有異常塵斑都會對測量結果造成影響。但在日常運行維護中，無論哪種異常塵斑都應及時處理。應根據不同的現象采取不同的處理辦法，及時消除對測量數據有效性的潛在影響。