七波段黑碳气溶胶监测仪的设计与实现
气溶胶浓度检测系统的设计与实现
气溶胶浓度检测系统的设计与实现一、引言随着现代工业化过程的发展，产生的尾气和废气等污染物质逐渐增多，并向周围环境释放，给人们的身体健康和生活质量造成了很大的威胁。
为了减少对环境造成的损害，对环境质量监测的要求也越来越高。
其中，气溶胶的含量和分布是环境监测中的重要内容之一。
因此，设计一种气溶胶浓度检测系统是十分必要和重要的。
二、气溶胶的检测气溶胶简而言之，就是指空气中存在的小颗粒物质，一般小于10微米。
气溶胶是由颗粒物、氧化物、有机物和黑碳等复杂的物质组成的，常带有负电荷或正电荷。
由于气溶胶填充了空气中的大气颗粒物和成分，因此它的分布和含量对环境和人体健康有一定的威胁。
因此，设计一种气溶胶浓度检测系统是必要的。
三、气溶胶浓度检测系统的设计在设计气溶胶检测系统时，我们需要考虑下列关键因素：1. 集气系统气溶胶的检测需要使用集气系统，将空气采样到检测点上来。
高效的样品收集和样品预处理是保证气溶胶浓度检测系统准确性的关键。
采用的集气系统应能快速，稳定地将空气样品收集到样品管中，避免气溶胶沉降而导致采集过程中浓度变化。
2. 入口流量调节在集气系统中，需要对入口流量进行严格的控制，以确保样品收集时间和收集质量的稳定性。
我们可以使用气体遮挡系统，或者一些可控入口阀控制空气的进入量，以达到所需的流速控制。
3. 样品管气溶胶存放在样品管内，以进行统计检测。
因此，根据需要选择合适的样品管材质和大小。
通常，系统中使用的样品管一般为玻璃或聚合物管，长度几十厘米到一米不等，直径为1-2厘米，长度可以根据需要进行调整。
4. 主要检测仪器常见的气溶胶浓度检测仪器包括激光粒度分析仪、激光粒度计、高精度质谱仪和光学衍射仪。
这些仪器能够对气溶胶的成分、分布和浓度进行高精度检测。
5. 数据传输和存储在气溶胶浓度检测系统中，数据的传输和存储是非常重要的。
数据应该在进行实时处理的同时，以可读的形式传导到输出界面，方便用户检测和分析。
一些常见的数据传输方式包括RS232、RS485、USB和以太网等。
Aethalomete黑碳仪
地址：北京市海淀区北清路160号65栋二层 100095Add ： 2/F, 65th Building,No.160 Beiqing Rd. Haidian, Beijing 100095, R.P.China电话(Tel)：010-6246 3898，6246 6055 传真(Fax)：010-6246 6355 http ：//美国Magee 科技Aethalometer ™ 黑碳仪美国MAGEE 科技公司研制和生产Aethalometer ™ 黑碳仪是实时观测黑碳气溶胶的仪器，可同时在紫外、可见和近红外的7个波长上对大气黑碳气溶胶进行长期观测。
在全球广泛使用，包括在南极和北极地区。
获得美国EPA-ETV 认证。
多个波长（370, 470, 520, 590, 660, 880, 950 nm ）的同时测量工作原理黑碳气溶胶(Black Carbon, BC)是大气气溶胶中最主要的吸光物质，除去一些特殊的天气状况（如沙尘、扬尘）,黑碳气溶胶对气溶胶总的光吸收贡献在90%到95%以上。
黑碳仪就是利用黑碳气溶胶对光的这种吸收特性进行测量的。
仪器观测采用透光均匀的石英纤维膜采集大气气溶胶样品，这是因为石英纤维滤膜基本可以消除气溶胶非吸收成分对透过率测量的影响。
技术特性： z 黑碳仪能够对黑碳的质量浓度进行实时监测，数据的记录频率可以选择从每六小时输出一次到每分钟输出一次。
z 可以选择单波段、双波段、多波段以及便携式型号，能够满足不同的观测需求。
z黑碳仪的BC测量值可以当量换算为热光碳分析法的EC测量值，仪器本身有菜单选项以EC(Elemental Carbon)为单位显示读数。
1分钟测量精度达到0.1ug/m3（采样流量3升/分钟）。
z采用加强的石英滤膜，可实现自动换膜。
z黑碳仪操作简便，工作可靠，维护工作量小。
停电后可自动恢复观测。
z内置气体质量流量计和微电脑控制的采样泵，采样流量为2-6升/分钟（可调），工作稳定。
黑碳仪工作原理
黑碳仪工作原理黑碳仪是一种测量空气中颗粒物（PM）浓度的仪器。
它可以直接或间接地测量黑碳在大气中的含量，因为黑碳是PM2.5和PM10中具有代表性的颗粒物。
黑碳（BC）是由不完全燃烧有机物质产生的干净燃料（如木材、煤和油）的一种副产物。
它主要含有以碳为主体的颗粒物，这些颗粒物可以通过空气传输并在人体内沉积。
黑碳是一种强烈的吸光物质，因此可以使用吸光光度法来测量其浓度。
黑碳仪包括两个主要部分：样品流动系统和吸光光度计。
样品流动系统由采样头和样品传输系统组成，采样头将空气引入样品传输系统中。
样品传输系统将空气输送到吸光光度计中进行浓度测量。
对于直接测量黑碳含量的黑碳仪，样品流动系统中需要一个磁滚轮，使空气稍微受到扰动，以避免黑碳团聚。
这些小颗粒可以在输送过程中沉积并产生误差。
吸光光度计包括一个光源、一个流动池、一个检测器和一个处理器。
黑碳通过流动池中的样品传输系统，并吸收水平放置的光束中的能量。
取决于黑碳在光束中吸收的绝对值，在检测器中测量到的特定波长上的光强度会减弱。
检测器将从流动池中读取通过的光信号，并将其传递给处理器，在那里信号被处理并计算出黑碳的浓度。
对于间接测量黑碳含量的黑碳仪，使用一种称为反距离加权（反距离平方）算法。
该算法通过测量预测黑碳的强度，然后根据模式确定黑碳的浓度。
模型通常基于空气质量用传感器、气象数据和地理信息系统（GIS）来管理。
这使医生能够快速计算出空气中的黑碳含量。
总而言之，黑碳仪是一种使用吸光光度法直接或间接测量空气中黑碳浓度的仪器。
它主要由样品流动系统和吸光光度计组成，并采用磁滚轮进行扰动以防止黑碳团聚。
通过这种测量方法，黑碳仪使我们能够更好地了解大气污染的性质，从而帮助我们保护环境和人类健康。
美国 Magee 科技 Aethalomete 黑碳仪 说明书
地址：北京市海淀区北清路160号65栋二层 100095Add ： 2/F, 65th Building,No.160 Beiqing Rd. Haidian, Beijing 100095, R.P.China电话(Tel)：010-6246 3898，6246 6055 传真(Fax)：010-6246 6355 http ：//美国Magee 科技Aethalometer ™ 黑碳仪美国MAGEE 科技公司研制和生产Aethalometer ™ 黑碳仪是实时观测黑碳气溶胶的仪器，可同时在紫外、可见和近红外的7个波长上对大气黑碳气溶胶进行长期观测。
在全球广泛使用，包括在南极和北极地区。
获得美国EPA-ETV 认证。
多个波长（370, 470, 520, 590, 660, 880, 950 nm ）的同时测量工作原理黑碳气溶胶(Black Carbon, BC)是大气气溶胶中最主要的吸光物质，除去一些特殊的天气状况（如沙尘、扬尘）,黑碳气溶胶对气溶胶总的光吸收贡献在90%到95%以上。
黑碳仪就是利用黑碳气溶胶对光的这种吸收特性进行测量的。
仪器观测采用透光均匀的石英纤维膜采集大气气溶胶样品，这是因为石英纤维滤膜基本可以消除气溶胶非吸收成分对透过率测量的影响。
技术特性： z 黑碳仪能够对黑碳的质量浓度进行实时监测，数据的记录频率可以选择从每六小时输出一次到每分钟输出一次。
z 可以选择单波段、双波段、多波段以及便携式型号，能够满足不同的观测需求。
z黑碳仪的BC测量值可以当量换算为热光碳分析法的EC测量值，仪器本身有菜单选项以EC(Elemental Carbon)为单位显示读数。
1分钟测量精度达到0.1ug/m3（采样流量3升/分钟）。
z采用加强的石英滤膜，可实现自动换膜。
z黑碳仪操作简便，工作可靠，维护工作量小。
停电后可自动恢复观测。
z内置气体质量流量计和微电脑控制的采样泵，采样流量为2-6升/分钟（可调），工作稳定。
AE33七波段黑碳气溶胶分析仪维护浅析
AE33七波段黑碳气溶胶分析仪维护浅析霍新峰欧阳俊（北京赛克玛环保仪器有限公司"匕京102299$摘要：黑碳是大气气溶胶的重要组成部分，黑碳主要由含碳的物质不完全燃烧产生，对人体健康和环境空气质量的影响极大&针对新一代AE33黑碳分析仪运行稳定、维护简单、监测数据质量可溯源等特点，本文着重介绍AE33黑碳分析仪的安装、维护、质量控制方面的技术要点，并分享仪器使用和维护经验，为环境空气黑碳自动监测提供技术参考&关键词：七波段黑碳自动监测安装维护质量控制DOI：10.3969/j.issn.1001—232x.2021.03.036Maintenance of the Aethalometer®Model AE33.Huo Xinf e ng,Ouyang Jun(Beijing Saak-Mar Environment Instrument Ltd.,Beijing102299,China)Abstract:Black carbon is an important component of atmospheric aerosols,which has a great impact on human health and ambient air quality.The new generation of Aethalometer®Model AE33black carbon analyzer has the characteristics of stable operation,simple maintenance and traceable monitoring data quality.This paper mainly introduces the technical points of the Aethalometer F Model AE33,such as installation,maintenance and quality control,and shares the use and maintenance experience of the instrument, so as to provide technical reference for automatic monitoring of black carbon in ambient air.Key words:Seven-wavelength；Aethalometer；Automatic monitoring；Installation maintenance；Qualitycontrol黑碳气溶胶（以下简称黑碳）是大气气溶胶中一种重要的组成部分，主要来源于含碳物质的不完全燃烧⑴，其人为源主要为煤炭、石油等石化燃料的燃烧以及生物质燃烧黑碳在大气气溶胶中占比较小，但是它在从可见光到红外的波长范围内，对太阳辐射均有强烈吸收，黑碳对气溶胶光学吸收的贡献接近90%+3］黑碳在大气边界层上部受热，使边界层界面热流量减少，从而影响污染物垂直扩散，导致污染物累积，加剧雾霾形成［4］&大气中的黑碳化学性质稳定，既不能通过己有污染物反应生成，也不能通过大气中的化学反应被清除［5］,通常只能靠气象条件使其扩散，降低浓度&如风速大于2.5m/s时，有利于空气中黑碳的扩散；此外，降水对黑碳的清除作用也比较明显［6'7\由于黑碳的这种特性，因此黑碳的监测对评估空气质量及大气能见度有积极的意义&新一代AE33黑碳分析仪,测量性能优异，人机交互友好，通讯接口丰富，可执行常规性能测试及验证等操作。
大气碳黑气溶胶检测仪的研制
摘 要 根 据大 气 中碳黑 气 溶胶 在可 见光 及 近红外 波段 具有 较 强的 吸光 特 性 ， 制 了 可检 测 碳黑 气 溶 胶 的专 用 仪 研 器 。本文 介绍 了该 仪器 的检测 原 理 、 件系 统设 计和 软件 系统 设计 。 硬 仪器 采 用单 片机 控 制信 号 的 采集 、 理 和显 示 ， 实 处 能 时快 捷地 检测 大 气 中碳黑 气溶 胶 的浓 度 。对 比实验 表 明 ， 仪 器设 计合 理 ， 该 可满 足碳 黑气 溶胶 在线 检测 的要 求 。 关 键 词 碳 黑 气 溶 胶 光 衰 减 法 电荷 积 分 Ａ Ｃ Ｄ
ｌ 引 言
碳 黑气 溶 胶 （ ｌｃ ａｂ ｎ Ｂ 是 大 气 气 溶 胶 ｂａ ｋ ｃｒ ｏ ， Ｃ） 的重要 组成 部分 ， 源 于 含碳 物 质不 完 全 燃 烧 而排 来 放 出来 的无 定型碳 质 ， 可 见光 到红 外 波 段 范 围 内 在
有 强 吸光 特 性［ ， 仪 器使 用 透 光 均匀 的石 英滤 纸 ５本 ］ 采集 气溶 胶样 品 ， 测量 光 线 透 过 滤 纸 时所 产 生 的 再 衰减 量 （ Ｎ） ＡＴ 。在有 效 范 围 内 ， 衰 减 量 ＡＴＮ 与 光
式（） ， １ 中 Ｌ为 通 过 原 始 滤 纸 即空 白滤 纸 部 分 的光强 ； Ｉ为通 过样 品滤 纸 的光 强 ； Ｃ为 单位 面积 ｍＢ 石 英滤 纸上 沉积 的碳 黑 总 质 量 ， 位 为 ｇ ・Ｔ ＿ ； 单 １ 。 Ｉ
森林 大火 等 ， 有 区域性 和偶 然性 ， 人为 源排 放却 具 而 是长期 和 持续 的 。自工 业 革 命 以来 ， 类 出 于 自身 人 发展 的需 要 ， 大量 使 用 煤 、 油 等 化石 燃 料 ， 他 如 石 其 汽车尾 气 、 生物燃 烧 等 都 成 为 大 气 中碳 黑 气 溶 胶 的
AE-31型黑炭监测仪及其使用维护
2024年 第4期AE-31型黑炭监测仪及其使用维护与故障处理AE-31 Black Carbon Aerosol Monitor and it's UseMaintenance and Trouble Shooting阙成蛟1 何 晴2 车琦琦1 楼凌云3 胡 敏3（1 舟山市定海区气象局，浙江舟山 316000；2 舟山市气象局，浙江舟山 316100；3 金华市气象局，浙江金华 321000）Que Chengjiao1, He Qing2, Che Qiqi1, Lou Lingyun3, Hu Min3(1 Dinghai District Zhoushan Meteorological Bureau, Zhoushan Zhejiang 316000;2 Zhoushan Meteorological Bureau, Zhoushan Zhejiang 316100;3 Jinhua Meteorological Bureau, Jinhua Zhejiang 321000)摘 要：本文介绍了黑炭气溶胶的基础知识和大气成分观测常用的黑炭气溶胶监测仪Aethalometer AE-31型的工作原理、构成部件、使用要点、巡查维护和故障排查处理等内容。
对日常工作中常用的维护使用经验进行分析总结，给出简单故障的排查处理方法，以提高黑炭气溶胶监测仪运行的稳定性以及数据的完整性和准确性。
关键词：黑炭气溶胶监测仪工作原理构成部件使用要点巡查维护故障处理Abstract：This paper introduces the basic knowledge of black carbon aerosol and the working principle,components structure, main points of use, inspection, maintenance and trouble shooting of black carbon aerosol monitor Aethalometer AE-31, which is commonly used in atmospheric composition observation. In order to improve the stability of the black carbon aerosol monitor and the integrity and accuracy of the data, the common experience in use and maintenance in daily work is analyzed and summarized.Key words：B lack carbon aerosol monitor Working principle Components structure Main points of use Inspection and maintenance Trouble shooting收稿日期：2023-09-21作者简介：阙成蛟，大学本科，工程师，主要研究方向为仪器仪表自动化。
气溶胶的测量与控制技术研究进展
气溶胶的测量与控制技术研究进展随着现代工业、交通运输等人类活动的发展，气溶胶的排放量和种类越来越多，对空气质量和人类健康造成了严重的影响。
气溶胶是由固体或液体颗粒悬浮在气体中形成的混合物，如工业废气、机动车尾气、火力发电、烟草烟雾等都是气溶胶的来源。
因此，气溶胶的测量和控制技术研究已经成为当代环境科学的重要研究领域。
一. 气溶胶的测量技术气溶胶的测量技术主要包括物理检测和化学检测两种方法。
1.物理检测方法物理检测方法包括降尘采样法、分光光度法、激光衍射粒度仪、扫描电子显微镜等。
降尘采样法是一种传统的物理检测气溶胶的方法。
它采用碳纤维过滤膜收集悬浮在空气中的颗粒物，利用天平称量颗粒物质量，从而判断气溶胶的浓度。
这种方法的操作简单，但需要一定时间的聚集采样后才能进行检测。
分光光度法是利用红外、紫外和可见光等不同波长的光线照射颗粒物，通过测量不同波长的透过率或反射率来计算气溶胶浓度和成分的检测方法。
这种方法精度高、信号稳定，但受颗粒物吸收和反射的影响，难以准确得到粒径分布和成分信息。
激光衍射粒度仪是利用激光照射颗粒物，测量散射光强度和方向，从而推算出颗粒物的粒径分布的检测方法。
这种方法可同时测量粒径分布以及粒径与所在环境的关系，但对光散射角度、颗粒物的形状等因素较为敏感。
扫描电子显微镜是一种高分辨率的物理检测方法，可用于颗粒物形态、大小、表面状态的观察和成分分析。
但这种方法需要取样，在处理过程中会失去部分信息，且操作相对比较复杂。
2.化学检测方法化学检测方法主要是通过化学反应或在化学反应中参与的发光现象来推算特定气溶胶成分的浓度。
典型的化学检测方法包括化学吸收光谱法、化学发光法、原子吸收光谱法等。
其中，化学吸收光谱法是常用的气溶胶组分检测方法之一，该方法在评价气溶胶元素组成、化学物质组成等方面具有广泛应用前景。
二. 气溶胶的控制技术为了有效控制气溶胶的排放，可以采用物理方法、化学方法和生物技术等多种控制技术。
黑碳仪.doc-实验室管理处
大型精密仪器设备购置申请论证报告
仪器设备名称黑碳仪
项目名称气溶胶污染对于植被的生长的影响
项目负责人梁勤欧
填表日期2017-07-22
实验室管理处制
填表说明
1．此表须在学院申购该设备前填写完成，并与申购计划一起上报有关部门。
2．单价10万元及以上仪器设备的申购均需填写此表。
单价10-40万元的仪器设备由各学院自行组织校内专家论证、评议；单价40万元以上的仪器设备由各学院组织校内外专家（其中必须有校外专家）论证、评议，项目经费、设备管理等部门参与。
3．此表填写必须使用碳素墨水钢笔或计算机激光打印。
4．此表一式2份（如设备为进口设备，需提交3份）。
气溶胶监测仪的使用原理,你懂吗
气溶胶监测仪的使用原理，你懂吗气溶胶监测仪是一种用于监测空气中气溶胶粒子浓度和大小分布的仪器。
这种仪器在环境保护、工业安全、医疗卫生等领域均有广泛应用。
但是，很多人并不了解气溶胶监测仪的使用原理，本文将为大家介绍气溶胶监测仪的基本原理和工作流程。
气溶胶的定义首先，我们需要了解什么是气溶胶。
气溶胶是指空气中悬浮的微观粒子，通常在0.01到100微米之间。
气溶胶来自于自然界，例如火山灰、海水飞沫以及植物花粉等，也来自于人类活动，如排放的汽车尾气、工业废气和燃煤等等。
气溶胶粒子具有复杂的成分和结构，可以分为有机气溶胶，无机气溶胶，以及混合气溶胶。
这些气溶胶粒子对人类健康和环境保护都具有重要的影响。
气溶胶监测原理气溶胶监测仪的基本原理是利用光学方法或电子学方法对空气中的气溶胶进行检测。
其中最常用的监测方法是激光光散射技术。
激光光散射技术激光光散射技术基于气溶胶粒子所产生的散射光对激光束进行散射，从而探测气溶胶粒子。
当激光束穿过气溶胶云层时，气溶胶粒子会向周围发射光线，其中一部分光线会回到光源处，对被检测粒子所散发出的光进行衰减和散射，因此检测到的信号在强度和散射角度上都与粒子的属性相关。
工作流程气溶胶监测仪的工作流程大致相同，主要包括样品采集、样品处理和检测三个过程。
1.样品采集前置盒分离器的作用是分离气相和颗粒相，使得样品只包含颗粒物。
通常样品采用的是吸附管或集气袋，或者直接通过气道进样。
2.样品处理将采集到的样品导入气溶胶监测仪中，根据不同的检测方法，采用不同的处理方法，如过滤、电荷中和、增湿等等，以使得样品达到适合检测的状态。
3.检测样品处理完成后，将样品导入气溶胶监测仪进行检测，通过光学或电子学等方法对气溶胶粒子进行检测和计数，从而得到气溶胶浓度和粒径分布等参数。
结论气溶胶监测仪的使用原理是基于光学或电子学方法对空气中的气溶胶粒子进行检测。
其中最常用的监测方法是激光光散射技术，通过样品采集、样品处理和检测等三个步骤，可以获得空气中气溶胶粒子的浓度和大小分布等参数。
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。
基于光衰减法的黑碳气溶胶监测系统设计
基于光衰减法的黑碳气溶胶监测系统设计摘要：根据光学衰减法原理，设计了一款黑碳气溶胶监测仪，可以实时监测黑碳气溶胶的质量浓度，完成光强检测并保证精度要求；能够稳定地控制气体流量；控制机械机构进行相应运作；仪器配置数据掉电不丢失；提供人机交互功能监测仪硬件电路的实现。
并分析了黑碳监测仪的数据和与其他仪器的比对数据。
关键词：黑碳气溶胶；光学衰减法黑碳气溶胶[1](Black carbon，BC)是大气气溶胶中一种重要组成部分，来源于含碳物质不完全燃烧而排放出来的无定型碳质，它在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收。
根据测量黑碳气溶胶的浓度使用的检测方法分类，可以分为：热学法和光学法。
热学法基本原理是利用元素碳和有机碳的不同物理特性，采取分段升温分步热解，得到元素碳和有机碳的含量；光学法是利用黑碳气溶胶对光的强吸收特性，来测定大气中黑碳气溶胶的含量。
通过对黑碳气溶胶的观测方法研究，为了满足现在快速、实时监测的需要，确定采用光学衰减法来实现黑碳气溶胶的测量。
1光学衰减法黑碳监测仪系统通过对黑碳气溶胶的观测方法研究，为了满足现在快速、实时监测的需要，确定采用光学衰减法来实现黑碳气溶胶的测量。
1.1黑碳监测仪测量原理光学衰减法可连续实时监测黑碳气溶胶的质量浓度。
其原理是利用黑碳气溶胶对可见到红外波段范围内的强吸光特性。
如图1所示，监测仪以恒定的流速把样气抽进监测室，使用透光均匀的石英纤维滤纸采集气溶胶样品，使其附着之上，以固定波长的光源照射，因为黑碳的附着，通过石英载体的光强将减少，计算其衰减量（ATN），黑碳浓度越高，衰减量越大。
图1光学衰减法测量原理示意图1.2 黑碳质量浓度计算当一束光透过收集了空气样品颗粒物的滤纸时的光学衰减[2]为：2-1式中，为入射光透过空白滤纸的光强，为同一光源透过收集有气溶胶样品的滤纸后的光强。
在有效范围内，光衰减量与单位面积石英滤纸上沉积的黑碳总质量有着线性关系：2-2式中，是黑碳气溶胶的质量吸收截面，与监测光波长成反比。
黑碳气溶胶浓度测量的研究进展
的作用 ， 例如它对地 球的辐射平衡 、 气候 、 的形 成 、 云 降水 、 云
量等有 明显影响。Ｂ Ｃ粒 子 对 光 的 吸收 可 以改 变 其 沉 降 形 式
黑碳气溶胶 不像硫酸盐气溶胶 那样具有单一 的化学成分 ，
可 以 说 是 一 种 混 合 物 。 型 的 黑 碳 气 溶 胶 的 形 态 具 有 链 式 球 典
２７ ｏ ｏ ３ ｏ Ｏ． Ｎ
维普资讯
１碾 ５ 李
方 法 的 不 同 ，Ｃ 可 以分 为 两 类 ： 力 Ｅ 和 光 学 Ｂ 。 其 中 ， Ｅ 热 Ｃ Ｃ 热 力 Ｅ 可 以 由 Ｔ Ａ 方 法 测 定 ， 使 用 消 光 法 测 量 （ 如 黑 Ｃ Ｏ 而 比 碳测量 仪 ） 常得 到的是 Ｂ 通 Ｃ的 浓 度 。 目前 ， 少 有 报 道 讨 很 论热力 Ｅ Ｃ和 光 学 Ｂ 的不 同 ， 即使 关 于 黑 碳 测 量 仪 与其 它 Ｃ ｒ Ａ方 法 比较 的 研 究 中 也 少 有 相 关 报 道 。 在 不 同 的 测 量 环 ０ 境 中， 黑碳 测 量 仪 的 衰减 系 数 叮也 是 不 同 的 。 ｉ ｓｅ等 人 发 Ｌｏ ｓ ｕ
维普资讯
⑩ ⑧⑩⑧⑧⑩◎⑩ ⑩⑧
赵 敬德 亢 燕 铭 ２ １２ ） ０ ６ ０ （ 东华 大 学 环境 科 学 与 工程 学 院 上 海
摘要 黑碳 气溶胶 （ Ｃ） 气溶胶的重要 组成部 分 ， Ｂ 是 目前 它已经超过 ＣＯ 成为影 响全球 变暖效应 的第 ２大重要 因素 ， ， 其
和云 的生存期 ， 降低 冰雪的反射率并促 进冰雪 的融 化。
由 于 黑 碳 气 溶 胶 粒 子 的 尺 寸 非 常 小 。 以 直接 被 吸 人 并 可 沉积 在肺 内 ， 会引发 呼吸 系统哮 喘以及心 血管 、 症等疾 将 癌 病 的发 生 １ ５ １ 。 通常 ， 质气溶 胶 中的碳元 素根据 其热 力学特 性 ． 碳 主要 被 分 成 两 类 ： 机 碳 （ ｒ ｎｃＣ ￣ｏ ， 称 Ｏ 和 元 素 碳 有 Ｏｇ ｉ ａ ｎ 简 ａ Ｃ） （ ｌ ｎａ Ｃ ｒｏ ， 称 Ｅ 。 是 按 照 碳 元 素 的 光 学 吸 收 特 Ｅｅ ｔ ａｂｎ 简 ｍｅ ｌ Ｃ） 但
利用黑碳仪观测数据分离气溶胶吸收系数的计算方法
胶的质量浓度。假设 SB（C λ）、Sdu（st λ）可以用一个简单
的经验公式表示为（Fialho et al.，2005）：
SB（C λ）=KBCλα 和
（5）
Sdu（st λ）=Kdustλβ，
（6）
KBC 和 Kdust 为系数项，α、β 为黑碳和沙尘气溶胶
吸收系数的波长幂指数（以下简称波长指数）。将公
195），α=-0.95 可做为塔中地区黑碳气溶胶吸收系
数的波长指数。对 2006 年沙尘暴（强沙尘暴）天气
过程影响时段分别进行了统计回归分析，计算的沙
尘气溶胶波长指数频次分布近似正态分布，沙尘暴
天气下 β 的频次分布呈现为双峰型（图 1（b）），频次
峰值对应所有数值的平均值为 β=（-2.55±0.009）（n=
Desert and Oasis Meteorology
第5卷 第2期 2011 年 4 月
利用黑碳仪观测数据分离气溶胶 吸收系数的计算方法
陆 辉 1，魏文寿 2，吴新萍 3，曹 兴 4，唐湘玲 5
（1.塔城地区气象局，新疆 塔城 834700；ห้องสมุดไป่ตู้.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.塔中气象站，新疆 库尔勒 840013；4.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002； 5.石河子大学师范学院地理系，新疆 石河子 832000）
基于光衰减法的黑碳气溶胶检测算法及其软件实现
注 的热 点污染 物 。 目前 ， 国际上对 黑碳 气 溶 胶 的测 量 大 多 采 用光
热 分析 法 、 学分 析 法 以及 光 电探 测 法 Ｊ 光 。光 热 分
时地监 测 黑 碳 气 溶 胶 的 质 量 浓 度 。黑 碳 仪 用 透 光
均匀 的石英 纤维 滤 纸 采集 气 溶 胶 样 品 ， 以 恒定 的 它
光衰减 法的黑碳 气溶胶 浓度测量 算法。采用虚 拟仪器 设计方 法， 利用 Ｄ ｌｈ ． ｅ ｉ ０和 Ｓ Ｌ Ｓｒ ｒ０ ０开发 黑碳仪 上位机 软件 。 ｐ７ Ｑ ｅｖ ２０ ｅ 上位机软 件实现 了黑碳 气溶胶 浓度测量算 法， 并能控制下位机 运行 情况、 存储 与静态和 动态显示黑碳 气溶 胶浓度值 。研 制仪
器试 验 结 果 表 明 ， 碳 气 溶 胶 测 量 算 法 与实 现 软 件 达 到 了设 计 要 求 。 黑
关键词 黑碳气溶胶
检测
光衰减 法
Ｄｌ ｉ ｅ ｈ ｐ
中图法分 类号
Ｔ ３ １７ ； Ｐ ９ ． ５
文献标志码
Ａ
黑碳 气 溶 胶 （ Ｃ，ｌｃ ａｂｎａｒｓ１ 是 大 气 Ｂ ＢａｋＣｒｏ ｅｏｏ）
后 的光强 ， 。光 探 测 器将 光 强信 号 转 换 成 电 压 值
，
下 位机通 过 串 口将 电压 值 传 给 上位 机 ， 位 机 上
软件 由电 压值 得 到 黑碳 气 溶 胶 采 样 样 本 的 光 衰 减
量， 由光 衰减 量进 一 步计 算 得 到 该 测 量周 期 内收 集 的黑碳 气溶 胶 质 量 ， 以被 采 样 空 气 的体 积 ， 除 即可 计算得 到 采 样 气 体 中黑 碳 气 溶 胶 的浓 度 值 。光 衰
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黑碳气溶胶是大气气溶胶的一种重要组成成分，主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质。
位于热带地区和东亚的发展中国家已成为黑碳最大碳斟“。
黑碳气溶胶在大气气溶胶成分中所占的比例较小，在大气中浓度也较低，但它对气候和大气环境的影响却不容忽视。
黑碳气溶胶能吸收从可见光到红外波段的辐射，部分研究认为其是造成全球变暖的一个潜在因子。
黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地一气系统的辐射平衡，又可以作为云凝结成冰核改变云的微物理特性，间接影响区域或全球气候旧。
1。
因此，长期连续监测黑碳气溶胶十分必要，大气中的黑碳气溶胶也越来越受到关注，已经成为当前国际大气化学研究的热点之一。
1测量原理
黑碳气溶胶监测仪除了使用850hill光源外，还配备了6种辅助光源，以便分析黑碳气溶胶的来源分布和理化特性。
监测仪的原理基于光学衰减法，利用黑碳气溶胶对可见到红外波段范围内的强吸光特性。
以恒定韵流速把样气抽进气体监测室，经滤纸过滤后，黑碳颗粒附着在透光均匀的石英纤维滤纸上，每隔1个时问周期，仪器开／关测量各波段光源1次，分别测量透过滤纸的气溶胶采样区和空白参考区的光强，如图l所示。
随着黑碳量的增加，透过气溶胶样品滤纸的光强将减少，对应的光衰减量则增大，如式(1)所示：41：
2系统总体设计
黑碳监测仪总体设计如图2所示。
系统采用威纶触摸屏为监测仪操作界面，提供远程Pc网络监控功能，历史数据可本地或网络导出。
数据采集采用20位精密、宽动态范围电荷模数转换器DDCl01，检测透过空白滤纸、样品滤纸的光强，以及温度、流量数据。
根据运算、重要数据断电不丢失的需要，系统还扩展了外部RAM和EEPROM。
3系统硬件设计
3．1气路相关设计黑碳监测仪的气路是整个系统工作的基础，其结构如图3所示。
系统开机后抽气泵即开始工作，通过质量流量控制器使流量稳定在一定范围内，气体匀速通过石英滤纸并沉积黑碳在滤纸上，以供监测。
质量流量控制器选
用D07-7B型5L质量流量控制器，其稳定有一个过程，
同时出于节省滤纸的需要，当系统在进行光源校准等不需要黑碳在滤纸上沉积的工作时，打开旁路电磁阀，切换气路。
光学探测系统采用双探测器分别检测通过空白滤纸和样品滤纸的光强。
流量计的设定通过12位数模转换芯片MAX531实现，控制电压范围为0—5V。
走卷纸机构设计使系统在黑碳沉积达到一定量时更换新滤纸。
3．2信号采集电路设计信号采集中由于光电探测器的电流非常微弱，弱电流测量中最主要的部分是对弱电流信号的，放大，常用的实现方法有跨阻放大器、积分放大器和I-F变换器。
跨阻放大器电路的缺点是对噪声干扰非常敏感，不能测量一段时间内的累积输出电荷；积分放大器电路适合于测量缓慢变化的信号，电路存在死时间，会丢失部分电荷信息；I-F变换器电路设计复杂，稳定性、一致性较差瞪]。
为克服传统弱电流放大方法存在的不足，实现弱小光电流信号的精确测量，系统采用了电荷积分型模数转换芯片DDCl01。
信号采集单元是系统的一个重要组成部分，DDCl01不但完成光信号的测量，同时也将流量反馈信号、温度信号转换成数字信号。
DDCl01芯片采用串行的方式与单片机进行通讯，其接口电路设计如图4所示。
芯片采用2MHz有源晶振提供时钟信号，该时钟信号也作为双BCD同步计数器HC4518(两片级连)计数信号，后接双精密单稳多谐振荡器HCA538，提供低电平100p,s、高电平2500p,s的方波。
该方波即DDCl01的FDS信号，其有效持续信号小于过采样时间，为连续积分模式Mj，FDS信号用于启动DDCl01进行信号测量与数据转换。
在数据转换完成后，DVALID跳变为低电平，单片机在收到该信号后，首先控制D—TX信号为低电平，DVALID即恢复为高电平，再读取转换后的数据。
数据读取完成后，再置D_TX为高电平。
为同时实现光强、流量反馈与温度信号的测量，采用DG442进行4选1分时桥接到DDCl01的AIN输入端。
其中温敏电阻与流量反馈的信号较强，分别采用了分流与限流措施。
3．3触摸屏设计触摸屏是一种新型的人机交互设备，已广泛应用于工业控制系统中，为用户提供丰富友好的操作界面，使仪器操作更具人性化。
系统采用威纶MT8070iH2，7寸，16：9宽屏，65536色哪LCD触摸屏，分辨率800×480；内置400MHz CPU，128MB内存，提供网络与USB接口，适合系统功能要求，便于实现黑碳仪的远程集中控制与历史资料获取功能。
主控单片机通过MAX232芯片扩展了RS232接口，使之与触摸屏进行数据传输。
通讯采用Modbus协议，波特率为19200bps。
．
3．4光源、电机与电磁阀驱动电路设计单片机接口不足以驱动光源、电机与电磁阀动作，同时端口数量有限，因此需要通过驱动电路来实现，这些信号分为7路，其中气泵控制信号由单片机控制外围接口芯片82C55直接给出，其他6路由82C55经反相器74LS06给出。
7路控制信号其中4路为走纸、卷纸、旁路电磁阀与气泵控制，这4路信号驱动继电器以实现相应功能；另外3路为光源控制信号，通过8选l模拟开关CIM051得到7路光源的控制信号，控制信号经7路达林顿管驱动器ULN2003驱动继电器工作，接通或断开相应LED光源。
LED 光源供电电压由12V电源经稳压模块LM317提供，LM317输出电压经精密可调电阻连接到LED灯管。
系统在首次工作前要调整可调电阻，通过观测触摸屏DDC数据，使相应光源DDC值一致，确保同一环境下多台仪器数据的一致性。
4系统软件设计
系统的软件设计分为单片机软件设计与触摸屏组态设计。
触摸屏在位于某一操作页面时会不停地通过串El以Modbus协议方式给单片机发送数据，并要求返回相应数据。
单片机在完成初始化后，将根据触摸屏发送过来的操作指令动作。
单
片机主流程姐图5所示，触摸屏软件设计通过相应的组态软件实现。
4.1循环检测程序设计
当触摸屏处于实时测量页面时，每隔1个周期要进行1次循环检测工作，即测定各光源经过空白滤纸和样品滤纸的光强以及温度、流量反馈DDC值，并把这些值保存到相应数组，根据式(5)反演出该时段的黑碳浓度平均值。
循环检测流程如图6所示。
4.2触摸屏组态触摸屏的组态是在EasyBuilder组态软件下完成的。
页面采用分级设，在主页面提供系统设置,系统测试、历史数据与实时测最4个功能按键。
系统设置里包括时间设置、冲地址设定、滤纸设置y滤纸安装等选项。
点击相应选项，系统将会跳转到相应贞面甲发送相应数据给单片机，单片机根据实际情况返回相应数据;系统测试提供光源测试、光源校准、解〔鼠测试与流量校准4个选项;数据查看分为表格数据查沂。
图形数据查看，本地数据导出到优盘与网
络远程导出到i十算机功能;实时侧量页而是系统正常工作员面。
如果开机后在一定时间内不进人其他页面，系统将会自动进人实时测量状态。
图T所示的是实时测量工作页面。
远程控制时打开浏览器窗口.输人触摸屏iP地址即可实现远程
监控功能.历史数据可从优盘或网络以GSV文件格式导出，使于进·步的分析与处理。
5系统验证
为了验证设计的正确性，将仪器与国外同款类型的仪器
（美国MAGEE公司AE31)一起进行了为期15d的数据比对实验。
实验时系统采用与AE31一致的系统光源（370,470,520,580,660,880、950nm)，将两机并排放置，使用相同的专业采样管，进气端并列系在一起.数据采集问隔为5min。
分别采用各自的算法采集数据。
数据比较结果见表1.其中在更换斑点至出数据时设计的系统需要l0min,AE.31需要15min
由表1可见,2台仪器间的数据一致性较好，随波长增加，绝对偏差减小。
系统运行稳定、设计合理、可以满足实现黑碳气溶胶长期连续监测要求，在使用、维护以及二次开发方面更方便.且系统提供了网络功能.便于连网监测。