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DOAS系统的质量保证与质量控制

来源：华佗健康网

第19卷　第1期　　　　　　　　中　国　环　境　监　测　　　　　　　　　　Vol119No11

2003年2月　　　　　　　EnvironmentalMonitoringinChina　　　　　　　　　Feb12003

DOAS系统的质量保证与质量控制

王晓熊,孙鸿良　　(杭州市环境监测站,浙江杭州　310007)

摘　要:DOAS是一种全新的空气监测仪器,由DOAS组成的空气监测系统和传统的点式监器空气监测系统在工作原理、运行维护、及质量控制等方面有很大的不同,就DOAS系统的质量保证和质量控制作一阐述。关　键　词:DOAS;质量保证;质量控制

中图分类号:X83015　　　文献标识码:A　　　文章编号:100226002(2003)0120031204

1　DOAS的简单介绍

DOAS

(Differential

Optical

Absorption

Spectroscope差分吸收光谱仪)于70年代末被研

2.3　每一月应该做的项目

制成功,80年代中期成为商品问世。它是一种非接触性开放式长光程监测仪器,具有传统的点式监测仪器所没有的优点,例如DOAS非常稳定、精确,无需空气采样系统,它的维护量很少等等。它的出现引起了世界各地研究机构和空气监测部门的广泛关注,人们对DOAS和传统的点式监测仪器作了大量的对比试验,发现二者的相关性非常好。

DOAS按监测对象分有空气监测仪器和污染

・对系统的发射器、接收器、光缆等做一次

光学检查

・把硬盘中的数据做一个备份・参比校准(Referencecalibration)

2.4　每三月应该做一次校标(Spancalibration)2.5　每一年应该做的项目

・准确度检查(Accuracyaudit)

・整个系统的全面检查,对所有标气作一次重新鉴定

3　系统检查(Systemcheck)

系统检查用来检查光谱仪的硬件功能,例如光栅的定位精度、旋转圆盘的稳定性及PMT板、A󰃗D板的功能等。

具体操作:按ESC键将仪器退出测量模式,回到主菜单,按F5键即进入“系统检查”。通常情况下,P1、P2、P3、P4、P5均应OK。下面给出各参数的正常范围。

～150P1　-50

～7000P2　3000

～40P3　　20

～20P4　-20

～100P5　011

这5个参数中,只有P4是可以由操作者命令仪器进行自动修正的,但必须在P3正常而且连续两次做系统检查得到的P4值相差不大(10%以内)的情况下才可以对P4作自动修正。

P1、P2、P3、P5不正常则应该检查光强或修理仪器。需要强调的是,在P3不正常时绝不能对P4作自动修正。

源监测仪器两大类,能对20多种无机和有机气态污染物作实时在线监测。按光谱范围分有紫外2可见光和可见光2红外两大类。

国内已有特别行政区、深圳、厦门、杭州、宁波、福州等城市的空气监测部门从瑞典和美国引进了DOAS系统。本文以瑞典OPSIS公司生产的AR500为例来介绍一下DOAS系统的质量保证和质量控制。

2　DOAS系统的常规检查一览表

2.1　每一周应该做的项目

・系统检查(Systemcheck),看一下P1、P2、P3、P4、P5是否正常

・检查光强数据是否正常・检查标准偏差是否正常

2.2　每两周应该做一次精确度测试(Precisiontest)

收稿日期:2002207211;修订日期:2002212210作者简介:王晓熊(1946-),男,高级工程师1

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4　波长检查(Wavelengthprecisioncheck)

通过此项检查,确认仪器的光栅定位精度是否在允许范围(10个波道)内。仪器出厂时,各被测气体对于汞灯所发射的光的吸收光谱被存储于仪器的硬盘中。我们要做的是用一个汞灯部件(CA004)来对某一被测气体做一个新的吸收光谱,然后将其和硬盘中存着的原先的该气体对于汞灯所发射的光的吸收光谱作一个比较,一般情况下,二者的重合程度应大于或等于90%。如果二者的重合程度小于90%但大于50%,而且二者的偏差小于50个波道,则可以让仪器进行自动校正,可以多次重复此项校正,直至结果满意为止。如果校不过来或二者的偏差大于50个波道,则应修理仪器。

虽然也可以对波长检查发现的偏差作手工校正,但一般情况下,不要使用手工校正,除非经过特别培训。

如果被测气体对汞灯所发射的光没有吸收光谱,则可以选中软件菜单上的“观察其余(View

,然后选定该被测气体,屏幕上会显现residuals)”

出该气体10个最新的吸收光谱,任选其一让仪器

对其进行重新评估,便可以得到该被测气体相对应的特征吸收波长的偏移量,如果偏移量在允许范围(10个波道)内,则是正常的。否则,应该修理仪器。需要指出的是,这种波长检查的准确程度不仅取决于光栅的定位精度,而且取决于评估程序。所以,当该被测气体的浓度太低或仪器显示的被测气体的浓度低于其相应的偏差值时,不宜采用“观察其余”这种做法。只要被测气体有对于汞灯所发射的光的吸收光谱,就应该用汞灯来做波长检查。

且稳定时间较长。

511　参比校准(Referencecalibration)

51111　在下列情况下,应该进行参比校准。

・正常情况下每个月做一次

・发现仪器的零漂大于01025ppm时(美国EPA的要求)

・仪器的主要部件经过修理后・仪器在搬移过程中遭受震动后・仪器安装完毕后

51112　参比校准需要的硬件设备

・校准池CB100一个和光接收单元RE060两个

・校准光源部件CA150一个并带有所需型号的氙灯

・氙灯电源部件PS150一个・3～5米长,型号符合要求的光缆两根・测光表LM10一个

・紫外滤光片UF220一个(仅用于对NO及NH3的校准)

51113　操作步骤(适用于除碳氢化合物以外的气体)

・退出测量模式,断开和中心站的电话线路。

・确认校准光源使用了所需型号的氙灯,校准光源在使用前至少预热30分钟。

・将校准光源发出的光用光缆连至校准池一端的光接收单元,并按说明书的要求将校准光路调至最佳。

・将来自监测光路的光缆从仪器上拔去,将来自校准池另一端的光缆接至仪器。

・由于一米的校准光程比起几百米的监测光程要小几百倍,所以如果校准所在的室内污染不特别大的时候,室内污染的水平降低几百倍以后可以认为是零。但如果室内污染水平较高或监测光程较短或对清洁点做此项校准时,应该使用一个零气源和一个长019米的光池,将该光池放入校准池,一端通流量为015～1升󰃗分的零气,另一端排空。

・做系统检查,如果各参数都正常,再做下一步,否则停下来排除故障。

・做波长检查,如果正常,再做下一步,否则停下来排除故障。

・在仪器软件的菜单上作必要的设置,在改变设置前将原来的设置记录下来。

5　校准(Calibration)

和传统的点式监测仪器一样,DOAS的校准也有校零和校标,校标又有单点校准和多点校准。不同的是,DOAS的校零(即参比校准)通常不需要零气源(除非特殊情况下),而传统的点式监测仪器则必须要一台高质量的零气源。DOAS的校标也需要用标气,但无须配备动态配气装置就能做多点校准,而传统的点式监测仪器如果没有动态校准装置就无法做多点校准。此外,DOAS校准时响应快且稳定,而传统的点式监测仪器响应慢

王晓熊等:DOAS系统的质量保证与质量控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　33

—————将要校准的气体的offset设置为0将Celllength设置为监测光程的长度将Cellflushtime设置为0将Pathcontrol设置为Manual

将Temperatureandpressurecorrections—进入Measurementsetup菜单,将Multiplexertype设置为None。

—千万不要在Pathspecification菜单中改变Pathlength的值,这里的Pathlength指的是室外的监测光程L而不是校准池的长度Lc。—将Temperatureandpressurecorrections设置为Constant,分别为20°C和10113kPa。

—进入Measurementtime菜单,将被测气体的time设置为30至60秒之间的值,其余气体的time设置为0。

・将3个光池的气路串连起来,一端通标气另一端通到室外排空,标气的流量为012～015升󰃗分。要确保标气气路没有泄漏,排空的标气不干扰校准。

・校准池里不放任何光池,让仪器进入测量模式,运行10分钟让其稳定,然后记录下第1点(零点)的值(如果该值大于仪器对该气体的监测

),让仪器运行5个下限的3倍,则必须重新校零。

测量周期,记录下5个测值,算出其算术平均值。

・将10mm长的光池Lc1放入校准池做第2点的校准,运行10分钟稳定后,让仪器运行5个测量周期,记录下5个测值,算出其算术平均值。

・依次将单个光池或光池组合Lc2、Lc1+Lc2、Lc3、Lc1+Lc3、Lc2+Lc3和Lc1+Lc2+Lc3放入校准池按照上一操作步骤做其余6点的校准。

・计算

—将以上步骤得到的数据记入表1。

表1中的Cc为标气浓度,L为监测光程的长度,Lc为光池长度

—计算斜率k、截距b和相关系数r:

∑Xi(Yi-Y)

斜率k=

∑Xi(Xi-X)截距b=Y-kX

设置为Constant,分别为20°C和10113kPa

—将要校准的气体设置为Active

—将校准时间设置为180秒+该气体在一个测量周期中所用的测量时间

—Max1Repetitions可以设置为2。如果参比校准重复2次还没有存入新的参比校准结果,一般是零气、校准光源、校准池等有问题,也有可能是Newref1Limit定得不合适。

—将Newref1Limit设置为实际监测的监测下限,将Threshold设置为Newref1Limit的10倍左右。

・进入Calibrationprocedures的菜单,选中referencecalibration,对于Manualcontrol?回答N,仪器就自动进行参比校准;回答Y,则由操作者控制参比校准的每一个步骤。如果要退出参比校准,按ESC键。新的参比校准结果会以扩展名为ref的文件自动存入硬盘。512　校标(Spancalibration)

51211　在下列情况下,应该进行校标,做一次多点校准,至少要在全量程(或80%以上的量程)范

围内大致均匀地做6个点的校准,其中一个点为零点。而且校标必须在参比校准后进行。

・正常情况下每三个月做一次

・发现仪器的标漂大于15%(在仪器量程的上限的80%处)时(美国EPA的要求)

・仪器的主要部件经过修理后・仪器在搬移过程中遭受震动后51212　校标需要的硬件设备

除了校零时所需要的硬件设备之外,还需要一套光池(至少需要长度分别为10mm、20mm和40mm的光池各一只)以及一批标气。51213　操作步骤

・做参比校准。

・在仪器软件的菜单上作必要的设置,在改变设置前将原来的设置记录下来。

—进入Span󰃗offset菜单,将span设置为1,将offset设置为0。

—进入Stationsetup菜单,将Stationname改为新的名字。

∑(Xi-X)(Yi-Y)∑(Xi-X)∑(Yi-Y)

上述式中的X=∑Xi󰃗8,Y=∑Yi󰃗8,

相关系数r=

为5次测值的算术平均值,其变化波动范围应小于该点对应的5次标准偏差的算术平均值Di,k应该在018～112之间,b应该小于在满量程10◊处所得测值的标准偏差的2倍,r应该大于0199。

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表1

光池

　　—Lc1Lc2

Lc1+Lc2Lc3

Lc1+Lc3Lc2+Lc3

Lc1+Lc2+Lc3

光池长度Lc

(m)

00101010201030104010501060107

计算浓度X=CcϖLc󰃗L

(ppb)

X1=0X2X3X4X5X6X7X8

仪器响应值Y

(ppb)

Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8

标准偏差D(ppb)

D1D2D3D4D5D6D7D8

如果上述要求达不到,则应检查校准气路是否有问题(如标气流量不对,排空的标气干扰了校准等)、软件的设置是否有问题、校准用的氙灯是否有问题以及光强是否有问题。

—如果上述要求都达到,则可以计算新的span和offset:

span=1󰃗koffset=-b

设置为0。

・卸下监测光路上接收端的前窗,将校准光池CC150固定在原前窗的位置上。

・以1升󰃗分的流量向校准光池的一端输入零气,校准光池的另一端排空。

・稳定5分钟后,记录至少3个连续的测值,分别计算它们的标准偏差及这3个测值的算(n-1)术平均值。(标准偏差=∑(Xi-X)2󰃗

・分别向校准光池的一端输入用来做准确

然后进入Span󰃗offset菜单,将新的span和offset的值设置进去。

・按照上述步骤对其它气体校标

・校标结束后,将系统的硬件连接和软件设置恢复到校准前的原状,让仪器进入正常运行。

6　准确度检查(Accuracyaudit)和精确度测试(Precisiontest)

美国EPA规定,每两周至少做一次精确度测试,每一年至少做一次准确度检查。这两项检查都是在监测光路上做的,这和校准不一样,虽然这两项检查的操作有点象单点校准。此外,这两项检查都要求在空气的背景浓度较低且比较稳定的条件下进行。

检查需要的硬件设备有校准光池CC150、零气源和标气等。

操作步骤:

・在仪器的软件菜单上作必要的设置和改动

—进入Stationsetup菜单,将Stationname改为新的名字。

—进入Measurementsetup菜单,将Multiplexertype设置为None。

—进入Measurementtime菜单,将被测气体30至60秒之间的值记录下来,其余气体的time

度检查的标气,校准光池的另一端通往远处排空。

标气浓度C1=CaϖL󰃗Lc(Ca的值为该被测气体量程的上限的80%左右,L为监测光程的长

)。度,Lc为校准光池CC150的长度20mm。

・稳定10分钟后,记录至少3个连续的测值及相应的标准偏差,分别计算它们的算术平均值Ca。

・再以1升󰃗分的流量向校准光池的一端输入零气,校准光池的另一端排空。

・稳定5分钟后,记录至少3个连续的测值及相应的标准偏差,分别计算它们的算术平均值。

・将前后两次通零气得到的两个算术平均值做一个算术平均,得到的值即为空气的背景浓度值。但是前后两次通零气得到的两个算术平均值之差不能大于Ca的值的20%,所有的标准偏差也不能大于Ca的值的20%。如果这两个条件有一个或都不能满足,则应重做准确度检查。如果这两个条件都能满足,则将Ca记录下来作为这次准确度检查的结果。

・按照同样的操作步骤做精确度测试,用到的标气浓度为C2=CpϖL󰃗Lc(Cp的值为该被测气体量程的上限的8%～10%左右,L为监测光程的长度,Lc为校准光池CC150的长度20mm)。如果同样满足上面的两个条件,则将Cp

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2003年2月　　　　　　　EnvironmentalMonitoringinChina　　　　　　　　　Feb12003

TSP-PM10-PM215-2型中流量大气

颗粒物采集系统的开发和应用

王　玮,刘红杰　　(中国环境科学研究院,北京100012)

摘　要:自行开发并研制了TSP2PM102PM21522型中流量TSP、PM10、PM215大气颗粒物采集系统,是目前中国唯一可以采集TSP、该系统精心设PM10、PM215样品并提供足够的样品量进行大气颗粒物化学成分分析的中流量大气颗粒物采集器。计和加工的限流孔可以保持完全固定的流量,保证切割粒径的稳定,减小采样的误差并方便操作。该系统已经成功地应用于20多个城市和地区大气颗粒物的监测和研究中,为研究大气颗粒物的污染状况和来源提供了有效的技术手段和支持。

关　键　词:大气颗粒物;采集系统;TSP;PM10;PM215

中图分类号:X851　　　文献标识码:A　　　文章编号:100226002(2003)0120035203

DevelopmentandapplicationofmodelTSP-PM10-PM215-2mediumvolumesamplingsystem

WANGWei,LIUHong2jie(ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

Abstract:TheauthorsdesignanddeveloptheModelTSP2PM102PM21522mediumvolumesamplingsystemforcollectionofTSP,PM10,PM2151whichisuniqueinChinathatcouldsampleTSP,PM10,PM215particleswithenoughsampleamountforchemicalanalysis1Thedeliberatelydesignedandfabricatedmeteringholeensuresfixedflowrateandstabilizethecuttingdiameter1Itcouldreducethesamplingerrorsandprovideconvenientoperationaswell1Thesystemhasbeensuccessfullyutilizedinover20citiesandareas,supportingtheresearchofpollutionstatusandsourceanalysisofparticulatematters1Keywords:particulatematters;samplingsystem;TSP;PM10;PM215

1　系统开发的必要性

大量研究表明,随着粒径的减小,粒子在人体肺泡和支气管中的沉积和吸附效率就越高,而这些粒径的粒子中又常常含有大量的有毒有害物质。如粒径011Λm左右的粒子在人体肺泡中的吸附效率可达50%～70%,这些粒子中包含Pb、

、Cd、Cr、V、NiMn、As等有毒元素和PAHs(多环

芳烃类化合物,其代表性物质苯并[a]芘)等强致癌有机物。因此,调查大气颗粒物,特别是易进入

人体的细粒子的污染状况,掌握其主要来源并制订相应的控制对策是极其重要的。细粒子还对能见度有很大的影响,可以造成能见度下降,影响城市景观并由此产生一系列问题。细粒子中来源于燃烧等人为因素的一次粒子和酸性气态污染物形成的二次粒子通常酸度较高,也在一定程度上促进了酸沉降污染。

随着各种除尘器的使用和对土壤扬尘、道路扬尘的控制,较易被去除的大粒子的排放水平有很大的降低,但由于细粒子的去除比较困难,所以

记录下来作为这次准确度检查的结果。

・这两项检查结束后,将校准光池CC150卸下并用零气吹干净,将系统的硬件和软件设置恢复到校准前的原状,让仪器进入正常运行。　　由于在测量苯、甲苯等碳氢化合物浓度所用到的波长范围内,氧是最主要的干扰物,因此,在对苯、甲苯等碳氢化合物的测量做校准时,必须做氧背景扣除的工作。由于氧对碳氢化合物的干扰是非线性的,有必要对各测量光程中氧的截面特性分别予以记录。具体操作略。

7　氧背景扣除

收稿日期:2002209217;修订日期:2002212209

作者简介:王　玮(1962-),男,北京人,研究员,主要研究方向:大气化学和气溶胶1

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