氣溶膠觀測業(yè)務中的問題及處理

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，觀測人員按照《大氣成分觀測業(yè)務規(guī)范(試行)》及技術操作手冊的規(guī)定做好日常的觀測與維護工作。結合運行過程中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

氣溶膠質量濃度是指單位體積大氣中所含氣溶膠的質量，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當量直徑≤ 2.5 μm的顆粒物，它能較長時間懸浮于空氣中，其質量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。氣溶膠質量濃度觀測系統(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，該設備可以實時測量 31 個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，但有時也出現(xiàn)了硬件和軟件故障，筆者對近2 a運行中出現(xiàn)的問題進行分析，結合故障處理過程中的維護經驗，提出相應的解決措施。

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。半導體激光源以高頻率產生激光照射樣氣室，其頻率足夠快，保證在樣氣中的顆粒物不會錯過激光的照射。如果在某一時刻，測量室中沒有顆粒物，激光就會穿過樣品室到達吸收井被吸收；如有顆粒物存在，激光照在上面會發(fā)生散射，散射光經反射鏡(與激光照射方向成90°角)聚焦后到達對面的檢測器，根據(jù)檢測器接收到脈沖信號的頻次和強弱，可得出顆粒物的數(shù)量和所屬粒徑范圍，進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由于氣溶膠觀測時制采用世界時，首先要把計算機的時區(qū)更改為“(UTC)協(xié)調世界時”，開啟GRIMM180后再在計算機上打開前端數(shù)據(jù)下載軟件，該軟件自動連接儀器并與計算機校時，儀器自檢無誤后進入待機狀態(tài)，要等到正五分[1](5、10、15………)時，儀器將自動啟動，此時前端數(shù)據(jù)下載軟件開始下載監(jiān)測數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)采集軟件負責讀取前端數(shù)據(jù)下載軟件生成的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采集生成對應項目的小時數(shù)據(jù)文件，即質量濃度多要素(PMMUL)和數(shù)濃度譜(NSD)的小時數(shù)據(jù)，2種數(shù)據(jù)的分辨率都是5 min(每個小時數(shù)據(jù)文件里有12條分鐘數(shù)據(jù))，不同的是PMMUL是通過串口實時傳送到業(yè)務機上，而NSD是先保存到儀器的存儲卡上，等待下個定時(每3 h)軟件發(fā)出指令再推送到業(yè)務機上。

③數(shù)據(jù)傳輸軟件會在每個正點后5 min上傳上1個時次的PMMUL及NSD小時數(shù)據(jù)以及在每日的02時30分[2](北京時10時30分)上傳上1日由人工錄入值班記錄而形成的質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日開機試運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下載NSD數(shù)據(jù)，在之后的若干小時內，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儀器開機后指示燈狀態(tài)正常并順利通過自檢，表明儀器運行正常；③更換業(yè)務計算機，重設前端下載軟件參數(shù)，儀器開機后問題依舊，說明原計算機串口正常；④懷疑是軟件安裝問題，在與軟件的作者聯(lián)系后確認軟件安裝無誤，此時問題仍然存在，排除軟件運行問題；⑤既然硬件與軟件都運行正常，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(每3 h)發(fā)出的指令卻沒有傳送給儀器，導致無法傳輸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10分，值班員在巡視GRIMM180顆粒物監(jiān)測儀時發(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，且維持長時間不變，溫濕度傳感器的電壓值 Ue2 =41，Dryer指示燈熄滅，因為儀器內設的除濕啟動值為 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水，GRIMM180使用除濕系統(tǒng)在NAFION管的內外壁產生壓差，使水分子從高壓的內管通過壁膜進入低壓的外管[1](圖3)，以達到干燥樣氣的目的。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，重新調整除濕啟動值，濕度數(shù)據(jù)采集恢復正常。(注：由于濕度對氣溶膠質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)負壓不正常，顯示值約為-20，但儀器仍在運行，而除濕泵停止工作。

3.3.2 分析處理 ①重啟GRIMM180，開機顯示“Self Test Not OK!”和“VACUUM NOT OK! PLEASE CHECK”同時Dryer指示燈一直為紅色，查閱技術手冊[1]，說明除濕氣路有彎折、堵塞或漏氣現(xiàn)象；②儀器關機并取出采樣管，仔細查看除濕氣路(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中白色方框內紅色管路對接前后變化，開機后儀器仍然顯示“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，開機后儀器通過自檢，顯示“Self Test OK!”，運行恢復正常。

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，在第一時間便向儀器公司反映該故障，鑒于儀器在報警后仍能照常工作，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。更換后儀器運行正常，不再報警。

圖6 塵過濾器故障處理示意圖

3.5 系統(tǒng)時間錯誤及處理

3.5.1 錯誤描述 GRIMM180正常運行期間每3 h就會在前端下載軟件的命令下與計算機對時，但是觀測人員在值班期間曾多次發(fā)現(xiàn)計算機時間會突然自動跳轉到下一個時次，由于采集軟件會在小時數(shù)據(jù)文件名上加注時間以表明是哪個小時的數(shù)據(jù)，如果不及時改正系統(tǒng)時間那么就會導致該時數(shù)據(jù)內容與時次不符的現(xiàn)象。

3.5.2 分析處理 計算機在運行過程中系統(tǒng)時間非人為自動跳時，而不是發(fā)生在重啟計算機后，且該計算機是新配置的氣溶膠觀測業(yè)務專用機，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。由于市局網絡地址的劃分，所有需要上傳觀測數(shù)據(jù)的計算機IP地址都被分配到了內網段，不能對外訪問互聯(lián)網，考慮360安全衛(wèi)士需要訪問外網升級，嘗試全部卸載該類軟件后該問題得到解決。

3.6 質控信息錯誤及處理

3.6.1 錯誤描述 2013年3月5日10時30分，傳輸軟件開始報警，提示當日質控信息文件不存在導致上傳失敗，接班員在查詢上一班日志后及時補填了該條信息，根據(jù)規(guī)定[3]，若能挽回記錄可不統(tǒng)計錯情，否則統(tǒng)計15個錯情。

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

4 小結

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

圖7 生成的日質控信息文件

[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《觀測司關于氣溶膠質量濃度觀測系統(tǒng)投入運行的函》.2012.

[3] 中國氣象局綜合觀測司.大氣成分觀測業(yè)務規(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量濃度垂直分布的影響[J].中國科學院研究生院學報，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

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