空气质量监测系统(AQMS)的进展

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1、空气质量监测系统（AQMS）的进展(The Development of the Air Quality Monitoring System)杭州市环境监测中心站 王晓熊 邮编 310007摘 要：从上世 纪80年代到现在，空气质量监测系统在我国内地发展得很快，不仅数量从无到有，从少到多；而且质量也跟上了国际先进水平。本文比较了三代空气质量监测系统 的优劣，重点 讨论了监测仪器，并展望了空气质量监测系统的发展趋势。关键词：空气质量监测系统（AQMS） 监测仪器 进展一、概况自从上世 纪80年代以来，我国内地的空气质量监测系 统 AQMS(Air Quality Monitoring Syste

2、m)经历了一个从无到有，从少到多的 过程。1983年北京市从美国 TE 公司引进了 AQMS，接着广州和上海也相 继引进了同 类型的 AQMS，80年代的中期至90年代是AQMS 在中国内地迅速 发展的时 期，各省会城市、计划单列市以及其他的环保重点城市都相继有了AQMS。至今内地约有200多个 AQMS 在运转。从2000年以来，AQMS 的发展重点已转向各中小城市，特别是在我国 东南部经济发达地区，AQMS 的发展更快一些。如浙江的富阳市，虽然是个县级市，却已经从瑞典 OPSIS 公司引进了2套先进的 DOAS 系统组成了 AQMS。浙江临安市的 AQMS 也正在筹建之中。二、AQMS 的

3、进展1、AQMS 的硬件AQMS 的硬件主要集中在子站，中心站的硬件就是一台电脑 （控制机）及用于和子站联络的通信设备。一个子站的硬件又可以分为采样系统、监测仪器（一次仪表）、校准设备，数据 处理设备、通信设备、支持设备等。其中监测仪器是最重要的，也是本文讨论的重点。（1）监测仪器总的来 说，气体 污染物的监测仪器的发展经历了第一代湿法仪器（上世纪50年代 90年代），第二代干法 仪器（上世纪60年代 现在），第三代DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy，差分吸收光 谱仪，上世 纪80年代 现在）这么一个过程。湿法 仪器因其传感器采用

4、了库仑池，需要大量溶液和试剂 而得名。湿法仪器的基本原理是化学法和电化学法。日本 Horiba 公司、荷 兰 Philips 公司和美国Beckman 公司是湿法仪器的主要生产厂家。日本使用湿法仪器的历史 较长，但到上世 纪80年代中期，湿法仪器也逐 渐被干法仪器所取代。干法仪器的基本原理是物理法和物理化学气相测量法，因为不需要溶液而被称为干法仪器。美国、法国和德国是干法仪器的主要生产国，欧美国家大多使用干法仪器。在中国，北京分析仪器厂在上世纪70年代后期和80年代初期曾研制和生产了一批湿法 仪器，沈阳分析 仪器厂、天津第三分析仪器厂也生 产过一些湿法仪 器。上世纪80年代，中国很多城市都想组

5、建 AQMS，但根据当时的经济发展水平，只有少数大城市有条件从国外直接引进先进的监测仪 器，大多数中小城市只能购买国产监测仪器或国内厂家组装的 进口监测仪器。再说，对于 AQMS这个新事物，当时人们的认识水平还很有限。所以在上世纪80 年代初期到中期，以北京分析仪器厂生产的DK 系列产品为主的湿法仪器被很多省会城市用于AQMS。但这些湿法仪器少则1-2 年，多则4-5就运转不下去了。使用湿法仪器在5年及5年以上的地方有西安（用的是天津第三分析仪器厂生产的湿法仪器）和南京（用的是日本 Horiba 公司生产的湿法仪器）。杭州在1980年-1983年曾用北京分析仪器厂生产的 DK 系列湿法仪器 组

6、成了第一代 AQMS，规模是1个中心站1个子站，地点在杨公堤的卧龙桥边。后来杭州在1987年采用了美国 ML 的干法仪器组成了第二代 AQMS，规模是1个中心站 5个子站。西安和南京也在90年代分别采用了美国 DASIBI 公司和美国 ML 公司的干法仪器取代了湿法仪器。相对于使用库仑池（对溶液有较高要求）的湿法仪器，基于物理原理的干法仪器在仪器的各项性能指标、如检出限、漂移、线性、重现性、精度等方面均优于湿法仪器， 维护和修理更方便，更适用于无人值守的子站或流动监测车。上世纪70年代未，DOAS 被瑞典学者研制成功，瑞典 OPSIS 公司于上世纪80年代将 DOAS 作为商品推向市场，例如用

7、于 环境空气监测的 AR500 、AR510和用于污染源监测的 AR600、 AR610。AR500工作在紫外-可见光区域，可测NO、NH3、O3、SO2、NO2、Hg、Cl2、ClO2、HNO2、Ben、Tol、oXy、pXy、mXy 等。AR510工作在可见光-红外区域，可测 CO、CH4、H2O、HF 等。DOAS 的主要生产厂家还有美国 TE 公司和法国 ESA 公司等。DOAS最初在欧洲用得较多， 继而被世界各国所广泛采用，近年来 DOAS 在世界各地的用户迅速增加。DOAS 因其监测 距离长而且是开放式的，所以有的文献称DOAS 为长光程（long-path ）光谱仪 或开放式光程

8、（open-path）光谱仪。相对于 DOAS，干法仪器常被称为点式仪器（point analyser ）或传统仪 器（conventional instrument）。在中国，香港特别行政区和台湾地区是最早使用 DOAS 的地方，时间在上世纪90年代。内地最早使用 DOAS 的是深圳，以后厦门、杭州、宁波、拉萨、福州、海口、沈阳、辽阳、鞍山、富阳等地相继在AQMS 中采用了 DOAS。比起第一代的湿法 仪器和第二代的干法仪器，第三代的 DOAS 的优点是非常显著的。以下就几个主要方面作一对比。无 论是湿法仪器还是干法仪器，其传感器和样气是直接接触的。 对于湿法仪器，库仑池中的溶液在和样气接触

9、后，用不了多久就得更换溶液。对于干法仪器来说， 传感器内的光学元件（如透镜、反射镜、滤光片等）会受到气溶胶一类污染物的污染而蒙上污垢。使仪器的整体性能逐渐下降。一般2-3年后，需要将传感器部分拆开清洗，甚至大修。而这个过程若在工厂进行，仪器的性能还能得到恢复，但往往无法送回工厂而在现场 就进行拆洗或大修，之后装配和调试的质量无法按制造厂的要求受控，一般在大修后仪器的整机性能会下降。而 DOAS 是非接触性仪器，和样气接触的是由发射端发射的光，各污染物的吸收光谱是通过接收端会聚后由光导纤维传导到仪器内部的传感器去的，这就确保 DOAS 内部的分光计（Spectroscopy）不受样 气的污染从而

10、保证其仪器性能不致下降。湿法仪器和干法仪器都需要采样系统把样气导入仪器。采样系统的各个环节多多少少会造成被测物质的损失。有 时候这种损失会比较大，例如夏天由于室外温度高，室内开空调而使采样管道容易形成水珠（在湿度大时尤其如此）这种情况对各污染物（尤其是 SO2）的 监测结 果影响较大。而 DOAS 无需采样系统 ，不存在 类似问题。在校零问题上，DOAS 更胜一筹。对监测仪器的质控来说，校零是一项重要的工作。然而在国内、各级计量部 门并不提供商品零气。少数大城市可以从国外进品零气，大多数用户只能使用仪器供应商提供的零气发生器来作为零气源或购买高纯度的惰性气体（例如氮气或氩气）来作为零气。由于买

11、不到由计量部门提供的零气，用由零气发生器提供的零气或高纯氮来校零是无法溯源的，而且肯定会有误差。所以干法仪器在校零后有时会出现负值，通常的处理办法是微调仪器上的校零旋钮或在仪器上设置一个估计的修正值 。对于 DOAS 来说，其校准装置为一个长1米的校准池，在对仪器校零时，可以在校准池中通零气（零气发生器产 生的零气或高纯氮，在现场污染物浓度较低时 ，可以直接使用现场空气），由于 DOAS 一般的监测距离为 300米左右，所以零气在1米校准池上产生的误差对监测结 果的影响是该误差的三百分之一，这样就很好地解决了监测仪器校零不准的难题。漂移问题 。对于监测仪器来说，漂移（零漂和标漂）是个重要的指标

12、。湿法 仪器的漂移较大，需要经常校准。干法 仪器在仪器状态好的时候，漂移是不大的，但每月至少校准1-2次，如果仪器状态不佳或仪器经过大修，它的漂移就会比较大。不但影响测量结果，而且校准频次增加，而 DOAS 在一年或更 长的时间里的漂移是非常小的。代表性。干法仪器有时也被称为点式仪器，因为它在一个点上采集样气。而 DOAS 的监测距离为数百米，可以认为 DOAS 的监测范围 大于干法仪器的监测范围 ，因而有更好的代表性。 异常 值的识别。在仪器输出的污染物浓度数据中，如果连续3个或4个以上的小时均值为一样时，一般认为是出现了异常值。对于 DOAS 来说，可以通过观察污染物浓度数据对应的光强及偏

13、差是否正常来判断，而 对于干法仪器来说，只能硬性规定连续的3个还是4个数据相同应判为异常数据。在空气污染物水平低时，DOAS 更显优势。无论是湿法 仪器还是干法仪器，其监测的污染物浓度在其量程的20%-80%时，其线性较好，监测数据较为准确。但一旦空气非常干 净，污染物浓度在仪器量程的20%附近或以下时，干法仪器的监测数据基本上变化不大，近似于一条直 线，其原因是此时仪器的线性不好，而且此时污染物在采样系统上的损失已不能忽略不计。而 对于 DOAS 来说，在污染物浓度很低时照样给出有变化的曲线。DOAS 还 能同时监测有机污染物，而干法仪器一般要另外再增加仪器，有的测总烃的干法仪器用FID 作

14、为检测器，则需配备氢气钢瓶，增加不安全因素。DOAS 的日常 维护比干法仪器简单，需要的消耗品和备 件较少， 维护运转费用较低。关于颗粒物的 监测仪器此文不进行讨论，另外撰文讨论。（2）采 样系统。采样系统的作用是让样气不受损失地以恒定的流速稳定地流过采样管道。近期的采样管道比早期的采样管道增加了加热装置和除水装置。（3）校准设备校准 设备包括标准物质（渗透管、钢瓶气或 O3发生器等）零气发生器、动态校准仪等，用于对监测仪器作单点校准或多点校准。早期的动态校准仪用转子流量计来控制和显 示流量， 误差较大，近期的动态校准仪用质流 计代替了原来的转子流量计，可以把流量控制得较为精确，从而使动态配气

15、较为精确。（4）数据处理设备数据处理设备负责 数据输入 /输出、A/D 转换、数据存贮、数据运算等，早期的数据处理设备是一个微处理器或单板机，近期的数据处理设备是台电脑，电脑的性能也在逐年提高。早期的数据处理设备仅处理污染物的浓度数据，而且处理的手段也比较简单。近期的数据处理设备有强大的数据处理功能。在处理污染物的 浓度数据方面，可以对浓度数据进行各种运算、统计、分析，编制各种报表，绘制各种图形（折线图、饼图 、柱状 图等），用自定的表达式设置数据过滤器，自动剔除异常数据；此外还可以处理各监测仪器输出的状态参数，有的还配有故障诊断软件，使人们可以在中心站监控各监测仪器的工作是否正常，一旦发现问

16、题可以及时得到针对性的处理。（5）通信设备人们在中心站调用子站采集到的数据或对子站进行遥控操作是通过通信设备进行的。早期的通信设备有无线和有线 二种。无 线通信易受干扰，近年来基本上都采用通过电话线的有线通信了。数据通信时要用到调制解调器（modem ），早期的 modem 较简陋，近期的 modem 好的要上千元，如3com 公司的产品，采用美国德州仪器公司的芯片， 质量非常不错。（6）支持设备支持设备最重要的是电源的分路配置和稳压设备。子站的交流 输入应为三相电，对监测仪器、数据处理设备、采 样泵及空调器要分相使用。可以搞双路供电或配 备能坚持8小时以上的不间断电源(UPS)， 这在经常要拉 闸限电的地区尤为重要。稳压设备应采用比较稳定的磁 饱和稳压器。其他还应配置保证恒温恒湿的装置如空调器和除湿器等，监测仪器应配置正规的仪器架。此外还应在子站备有消耗品、备件及维护修理仪器用的工具。2、AQMS 的软件 AQMS 的软件包括二部分，子站的电