AE31型黑碳气溶胶监测仪的使用与日常维护

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 气 溶 胶 的 含 量 ，即 光 学 衰 减 测 量 方 法 ，也
是最简单的物理测量方法。
根 据 式 （１）可 以 定 义 ，当 一 束 光 透 过 一 个 过 滤 收
集了空气样品中颗粒物的光学纤维滤膜时的光学衰
重庆大气超级站配备的黑碳仪为美国 ＭＡＧＥＥ 科技 公 司 研 制 和 生 产 的 ＡＥ３１ 型 Ａｅｔｈａｌｏｍｅｔｅｒ黑 碳仪，这也是当前国 内 外 最 广 泛 运 用 的 实 时 观 测 黑 碳气溶胶的仪器。 笔 者 通 过 实 践 经 验，对 该 仪 器 的 工 作 原 理 、仪 器 结 构 、工 作 流 程 和 日 常 保 养 与 维 护 等 方面进行介绍和总 结，以 期 为 相 关 的 用 户 人 员 提 供 参考。
ＡＥ３１ 型 黑 碳 仪 的 主 要 技 术 参 数 指 标 见 表 １。
参数名称 测量范围 测量灵敏度 测量精度 光源波长 最小测量周期 数据记录周期 模拟输出 数 字 输 出／输 入 仪器显示 采样流量
表 １ ＡＥ３１黑碳仪主要技术参数 技术指标
０～１，０００，０００ｎｇ／ｍ３ ＜０．１μｇ／ｍ３ ５％
减的量值就是（透射）光 学 厚 度 （Ａλ）。 根 据 定 义，光 学衰减为正的无量纲数值。
利用透光均匀的光学纤维滤膜采集大气气溶胶
的样品，并 用 固 定 波 长 的 单 色 光 （波 长 为 λ）测 定 光
学衰减，当采样膜上 黑 碳 气 溶 胶 颗 粒 的 尺 度 小 于 波
长尺度 参 数 ２πλ时，黑 碳 气 溶 胶 的 沉 积 量 ＭＢＣ 与 光
如果 仪 器 指 示 未 在 正 常 工 作 状 态，可 用 下 面 的 步骤 进 行 系 统 初 级 故 障 诊 断 （Ｆｉｒｓｔ－ｌｅｖｅｌ Ｄｉａｇｎｏ－ ｓｉｓ），查找 故 障 产 生 的 原 因。 初 级 故 障 诊 断 不 仅 是 对仪器进行一次全 面 的 检 查，而 且 技 术 人 员 在 发 现 问题时应能现场进 行 维 护 或 返 回 实 验 中 心 修 理，并 根据需要做好详细的记录。
学衰减 ＡＴＮλ 存在线性关系：
ＡＴＮλ ＝σ品 对 波 长 λ入 射 光 的 当 量
衰减系数，与黑碳 气 溶 胶 在 波 长 λ的 质 量 吸 收 系 数
ｋｋ有关，但它不是一个“物理常数”，需要通过 光 热 解 析－氧化的方法或其他方法测定。
２ 仪 器 结 构 及 参 数
２０１２年第２期 分 析 仪 器
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ＡＥ３１型黑碳气溶胶监测仪的使用与日常维护
李 礼１，２ 杨 灿１ 唐 晓１
（１．重庆市环境监测中心，重庆 ４０１１４７；２．重庆大学资源及环境科学学院，重庆 ４０００３０）
摘要 黑碳气溶胶是目前大气科学监测与研究的重要参数，美 国 ＡＥ３１ 型 黑 碳 仪 则 是 当 前 国 内 外 最 广 泛 运 用 的黑碳气溶胶在线观测仪器。根据实际使用经验，对 ＡＥ３１型黑碳 仪 的 工 作 原 理、仪 器 结 构、工 作 流 程 和 日 常 保 养 与维护等方面进行了介绍和总结。
３７０，４７０，５２０，５９０，６６０，８８０，９５０ｎｍ ７ 个 波 段 １秒
１ 分 钟 ～１ 小 时 －５～ ＋５Ｖ，黑 碳 浓 度 或 报 警 信 号
ＲＳ－２３２ 接 口 ４行液晶显示屏 ２～６ 升／分 钟 （内 置 泵 、可 调 节 ）
２０１２年第２期 分 析 仪 器
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参数名称 数据存储介质容量
操作环境 电源 重量
机箱尺寸
续表 １
技术指标
ＣＦ 卡，容量可扩展
０～４０℃ ，一 般 室 内 环 境
１００～２４０ＶＡＣ，５０～４００Ｈｚ，约 ６０Ｗ
约 １８ 公 斤
约 ４００×２７０×３１０ｍｍ
３ 仪 器 工 作 流 程
黑 碳 仪 工 作 时 ，在 抽 气 泵 的 驱 动 下 ，环 境 空 气 连 续 地 通 过 滤 膜 带 的 采 样 区 （其 形 状 为 圆 形 ，也 称 为 采 样 点 ），气 溶 胶 样 品 被 收 集 在 该 部 分 滤 膜 上 。 每 隔 一 个时 间 周 期，仪 器 开／关 测 量 光 源 一 次，并 测 量 有 光 源照射和无光源照 射 两 种 条 件 下，透 过 石 英 滤 膜 的 气溶胶采样点 和 参 照 点 的 光 强。 根 据 光 强 信 号，计 算每个测量周期内 采 样 点 的 光 学 衰 减 量，得 出 采 样 过 程 收 集 的 黑 碳 气 溶 胶 的 质 量 ，再 除 以 采 样 体 积 ，即 可以计算出采样空气中黑碳的平均质量浓度。这就 是 所 谓 的 “时 间 差 分 测 量 ”的 工 作 方 式 。 如 果 测 量 周 期与所关注的空气质量变化时间尺度相比较短时， 可以认为观测是连续的。如果平均浓度从一个观测 周期到下一个周期 的 变 化 不 大，则 认 为 该 平 均 值 合 理反映了测量周期内环境空气中黑碳气溶胶的实际 浓 度 。 ［９，１０］
用 不 同 的 颜 色 快 捷 、定 性 地 显 示 仪 器 的 运 行 状 况 ；还 有一个 用 来 与 内 部 计 算 机 交 互 对 话 的 键 盘 （如 图 １）。
仪器主 机 的 前 面 板 可 以 打 开 （如 图 ２）。 打 开 后 ，可 以 看 见 位 于 中 央 的 光 学 测 量 腔 室 （位 于 保 护 罩 内 ）、由 一 个 进 膜 驱 动 器 和 两 个 滤 膜 带 卷 轴 组 成 的 滤 膜 带 驱 动 机 构 、以 及 位 于 基 板 下 部 的 软 盘 驱 动 器 、流 量 调 节 螺 丝 、手 动 进 膜 按 键 、电 源 开 关 等 。 ２．２ 仪 器 后 面 板
ＡＥ３１黑碳仪的外观及内部结构照片如图 １ 和
基 金 项 目 ：环 保 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 （２０１００９００１） 作 者 简 介 ：李 礼 ，男 ，１９８３ 年 出 生 ，博 士 研 究 生 ，工 程 师 ，主 要 从 事 大 气 环 境 监 测 与 科 研 工 作 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｌｉ＿ｊａｓｈ＠１６３．ｃｏｍ
为上、下两部分。 上 层 部 分 主 要 安 装 了 光 学 测 量 腔 室 、滤 膜 带 驱 动 机 构 、流 量 测 量 和 控 制 系 统 的 各 主 要 部件。下层部分安 装 了 仪 器 的 电 源 模 块、光 学 检 测
器的前置电路板、电 源 接 口 模 块、流 量 调 节 针 阀、各 种 管 路 、模 拟／数 字 通 讯 接 口 等 。 ２．４ 仪 器 主 要 技 术 参 数
后面 板 的 下 部 是 总 电 源 开 关、流 量 调 节 阀 和 各 种连接口，依次为 电 源 线 连 接 口、进 气 管 连 接 口、打 印机连接口、模拟 输 出 电 压 （－５～ ＋５Ｖ）信 号 连 接 口和 ＲＳ－２３２数据通讯连接口等。
图 ２ ＡＥ３１黑碳仪前后内部结构图
２．３ 仪 器 内 部 主 要 部 件 黑碳 仪 的 内 部 构 造 以 一 个 安 装 基 板 为 分 界，分
ＡＥ３１ 型 黑 碳 仪 的 测 量 循 环 周 期 如 下 ： ⑴ 光源关 闭；⑵ 测 量 无 光 源 照 射 条 件 下 采 样 点和 参 照 点 的 光 强 信 号 （“暗”信 号，ＳＺ 和 ＲＺ）；⑶ 打开光源，让系 统 稳 定；⑷ 测 量 光 源 照 射 时 采 样 点 和参照点的光 强 信 号 （“亮 ”信 号，ＳＢ 和 ＲＢ）；⑸ 测 量仪器的采样流量 Ｆ；⑹ 关 闭 光 源，再 让 系 统 稳 定； ⑺ 再次测量 “暗”信 号；⑻ 进 行 计 算，显 示 数 据，并 写入磁盘，进行 内 部 检 查；⑼ 等 待 下 一 个 测 量 周 期 （回 到 步 骤 ⑶ ）的 开 始 。 测 量 周 期 的 长 短 由 用 户 设 定 ，测 量 周 期 长 ，仪 器 可以分配更长的时间来稳定仪器和进行每个变量的 测量。
１ 测 量 原 理
光 在 介 质 中 传 播 ，其 强 度 会 随 之 衰 减 ，这 种 衰 减
遵循 Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律：
Ｉλ Ｉλ０
＝ｅ－Ａλ
（１）
式中，对波长为λ的入射光，Ｉλ０为光源的入射 光
强，Ｉ为经过介质后的光强，Ａλ 为介质的光学厚度。
对于 黑 碳 气 溶 胶 样 品 构 成 的 介 质 而 言，光 学 厚
（１）电 源 和 显 示 屏 打 开 仪 器 电 源 开 关 ，如 果 开 关 红 色 指 示 灯 亮 ，说 明电源模块正常；打 开 电 源 开 关，仔 细 观 察 显 示 屏， 屏 幕 背 景 光 亮，并 显 示 软 件 编 号，然 后 满 屏 显 示 “Ｍａｇｅｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ”，则 说 明 显 示 屏 正 常 。 （２）主 板 和 程 序 继 续 观 察 显 示 屏 ，屏 幕 左 上 角 光 标 闪 动 ，这 时 仪 器正在 载 入 程 序，几 秒 钟 后，屏 幕 会 显 示 “Ｍａｇｅｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ”、软 件 版 本 号 和 ６０ 秒 的 倒 计 时 ，如 果 此 过 程正常，说明仪 器 主 板 和 程 序 都 没 有 问 题。 记 下 显 示在屏幕第２ 行 的 软 件 版 本 号。 按 向 下 箭 头，屏 幕 显示 “Ｏｐｅｒａｔｅ”；再 按 一 下，会 显 示 “Ｃｈａｎｇｅ Ｓｅｔ－ ｔｉｎｇｓ”；再按，屏 幕 显 示 “Ｓｉｇｎａｌｓ ＆ Ｆｌｏｗ”，按 ＜Ｅｎ－ ｔｅｒ＞ 进 入 ，进 入 后 再 按 一 次 ＜Ｅｎｔｅｒ＞ 键 。 （３）数 据 采 集 和 光 学 测 试 到这一步，显示屏开始显 示 的 是 几 行 数 字：第 １ 行显示的是‘ＲｅｆＶ’（参考电压），为光探 测 器 检 测 到 的参照 区 电 压；第 ２ 行 显 示 的 是 ‘ＳｅｎＶ’（感 应 电 压），为 光 探 测 器 检 测 到 的 采 样 区 的 感 应 电 压；第 ３ 行显示的是 ‘ＦｌｏｗＶ’，为 空 气 流 量 传 感 器 检 测 到 的 流速信号。如果这 ３ 行 数 字 正 常 显 示，说 明 仪 器 主 电路板上测量电压信号的功能是好的。如果仪器不 能 显 示 这 几 行 数 字 信 号 ，长 时 间 显 示 空 白 ，说 明 模 数
度 Ａλ 与黑碳气溶胶的量以及入射光波长有关：
Ａλ ＝ｋλ × ＭＢＣ
（２）
式中，ｋλ 为黑碳气溶胶的质量吸收系数（截面积），
单位为ｃｍ２／ｇ；ＭＢＣ为介质中黑碳的密度，单位为ｇ／ｃｍ２。
黑碳气溶胶能在很宽的波长范围内有效地吸收
入射电磁波（光子），黑 碳 仪 则 是 利 用 黑 碳 气 溶 胶 的
关 键 词 ＡＥ３１ 型 黑 碳 仪 测 量 原 理 仪 器 结 构 工 作 流 程 日 常 维 护
黑 碳 气 溶 胶 （Ｂｌａｃｋ Ｃａｒｂｏｎ，ＢＣ）是 大 气 气 溶 胶 中最主要的吸光物 质，它 在 可 见 到 红 外 波 段 范 围 内 对太阳辐射均有强 烈 的 吸 收 作 用，对 气 溶 胶 总 的 光 吸收贡献在９０％以上，是造成大 气 能 见 度 恶 化 的 主 要 原 因 ；黑 碳 气 溶 胶 细 粒 子 参 与 大 气 物 理 化 学 反 应 ， 对复合型大气污染 的 形 成 和 加 重 有 较 大 贡 献，对 区 域大气 环 境 和 气 候 均 产 生 重 要 影 响 。 ［１－８］ 因 此，黑 碳气溶胶已成为目前大气污染监测与研究的重要指 标，实时在线工作的 黑 碳 仪 则 成 为 获 取 大 气 黑 碳 气 溶胶数据的最主要手段。
４ 日 常 保 养 与 维 护
ＡＥ３１型黑碳 仪 是 连 续 在 线 监 测 仪 器，其 设 计 是开机后自动运 行，断 电 后 自 动 恢 复 采 集 数 据。 除
了定期的质量控制 程 序，对 仪 器 有 一 定 的 常 规 日 常 保 养 和 维 护 要 求 ，以 使 仪 器 处 于 良 好 的 运 行 状 况 ，确 保测量数据质量。 ４．１ 初 级 故 障 诊 断
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分 析 仪 器 ２０１２年第２期
图２所示。
图 １ ＡＥ３１黑碳仪外观图
２．１ 仪 器 前 面 板 在仪 器 前 面 板 上 有 一 个 液 晶 显 示 屏，用 以 显 示
测 量 结 果 和 各 种 操 作 信 息 ；屏 幕 下 方 有 ５ 个 指 示 灯 ，
减 ＡＴＮ 为：
（ ） ＡＴＮ
＝ １００×ｌｎ
Ｉ０ Ｉ
（３）
式中，Ｉ０为透 过 空 白 滤 膜 的 光 强，Ｉ 为 透 过 收 集 有气溶胶样品的滤膜的光强。
式（３）中的因 子 １００ 是 为 了 方 便 表 示 光 学 衰 减
的 量 值 而 引 入 的 ，如 果 没 有 这 个 因 子 ，定 义 的 光 学 衰