主题：【分享】环境空气质量自动监测系统 知识

1.2  中心站系统软件的要求
        主要包括数据采集与处理功能、报警及诊断功能、远程测控功能、可扩展性等。
2  国内运行的环境空气自动监测系统的现状
    目前，我国正在运行的空气质量自动监测系统主要为以干法仪器为主，一台设备测量一个或最多两个参数的引进设备。安装形式主要有两类：固定站房式和车载式。主要供货商包括：（1）美国热电子公司（Thermo Electron公司）；（2）美国API公司（API公司）；（3）美国MONITOR公司；（4）美国DASIBI公司；（5）美国ESC公司；（6）法国ESA公司（如：重庆市）和法国SERES公司；（7）个别城市（如：贵阳市）采用日本DDK公司、HORIBA公司、岛津公司的产品。
    国内大部分空气质量自动监测系统基本上采用传统的专用数据采集传输系统，工作原理是利用子站的分析仪器直接测量空气中的污染物，测定结果（浓度值）经量程设定转换成模拟量后输入数据采集器，如：8800系统（ESC制造、API公司采用）、8001系统（美国DASIBI公司采用）、6002系统（TE公司采用）、SAM32系统（法国ESA公司采用）。数据采集器对所采集的数据进行分类保存，中心站的微机通过调制解调器（MODEM）用拨号方式与子站连通并下载采集器中的数据，利用报表软件对所获得的数据进行编辑处理。这种系统结构简单、造价低（约50 万元/子站），但可扩展性和测控能力有限。如：校准只能通过内标源和简单的零系统定时进行零点校准和单点校准。
    美国API公司比较完整的能够进行多点校准的典型的全干法系统的基本配置包括：气象参数测量与变换器（风速、风向、温湿度、气压），动态多点校准仪（700系统），采样系统，进样阀门切换控制系统，O3、SO2、NOx、CO、THC-CH4等测量仪器系统，PM10测量系统，记录仪等。系统控制器为8800系统。
3  DOAS大气环境质量监测系统
    近年来，国内部分城市引进了瑞典OPSIS公司、美国TE公司或法国ESA公司的基于差分光谱法（也称长光程法）原理的设备来代替SO2、NO2、O3等参数的测量。这类设备由于除了一台设备能够分时测量以上三个主要参数外还能测量如：THC、CH4、n-MHC、BTX等有机污染参数，因此受到一些用户的青睐。
    DOAS大气环境质量监测系统（Differential Optical Absorption Spectroscopy）是一种长光程空气质量监测技术，光源为高压Xe灯，由抛物反射镜准直成平行光出射，经过100 m甚至1,000 m的长光程，由接收端抛物反射镜将光汇聚耦合进入光纤，通过光纤导入光栅分光系统，在出射狭缝处用光电倍增管探测，得到吸收光谱。吸收光谱包含了大量来自大气分子、气溶胶的散射，灯光谱起伏、反射镜的光谱选择性等造成的宽光谱结构，通过对吸收光谱进行高阶多项式拟合，用原吸收光谱除以多项式拟合曲线获得吸收分子的特征差分光谱，去除宽带成分影响，将差分吸收光谱与实验室获得的吸收分子的标准浓度的参考光谱进行拟合，计算出浓度。由于该系统采用线采样，采样代表性较传统的点式有较大的改善，方法于90年代初开始用于空气质量监测，目前在欧洲得到了较广泛的应用。
    八十年代以来，美国、德国、瑞典、法国等国均研制成功了基于常规光源的长光程吸收光谱仪器，并相继用于城市大气污染的常规监测中。由于DOAS监测方法采用线采样，样品的代表性明显提高，有利于对空气质量的表征。利用差分技术可消除大气湍流对信号的影响、不同污染物之间的干扰和湿度、气溶胶的干扰。设备升级简便快速，系统软件操作方便，能够满足连续监测和实时处理的要求；通过Enviman或Report软件方便地进行小时均值、日均值、月均值和年均值的统计分析和监测报告，整个系统具有较强的可操作性。系统能够进行远程登录、远程维护、远程控制和分析仪参数调整，并实现局域网内数据共享。仪器维护方便，耗电少，运行费用低。
    法国ESA公司推出的典型的SANOATM长光程测控系统的基本配置包括：长光程测量系统，标气系统，RS232变换器和RS232扩展器，子站计算机系统，中心站计算机系统。其特点是采用RS232串行接口将每台仪器的所有数据通过MODEM用电话线与中心站计算机系统相连，随机配套的通讯软件可通过仿真数据采集器和仪器操作面板实现对子站的远程控制和诊断。与干法仪器设备（CO、PM10等）组合可组成长光程与干法共存的混合系统。其特点是能在长光程主机故障时不影响其它参数的测量。该系统的测距范围250～500 m。检测限分别为SO2 0.2 ppb，NO2、O3和对-二甲苯 0.6 ppb， 苯和亚硝酸0.9 ppb，邻-二甲苯、间-二甲苯、乙苯和苯乙烯0.8 ppb，甲醛 1.1 ppb，苯酚0.3 ppb，NO 1.5 ppb，NH3  3.5 ppb。
    几种长光程空气质量监测系统的性能特点见表3。
表3  长光程法空气质量自动监测系统的性能比较
公司简称        法国SANOA-CD        瑞典OPSIS        美国TE
光谱仪        独特的平域点像高质量光栅；无活动部分能够一次记录整个光谱；独特的几何学设计消除零点反射        以转动磁盘和活动光栅来扫描整个光谱；使用紫外线滤光器减少因反射作用的影响        以平行移动光栅来扫描整个光谱，线性较好
光学通道        反射镜和机械装置，机械装置用以自动对准发射器或第二光用源        光纤电缆        光纤电缆
处理单元        PC386微处理器及数学副处理器，另有子站计算机管理分析仪        接收装置与分析仪分为两部分，分析仪兼管其它参数，独力性较差        接收装置与分析仪分为两部分，另有数据采集器管理其它仪器
接收器与操作单元之距离        无限制        NO检测器用2～10 m光缆电缆连接，其它检测器用5～25 m光缆电缆连接       
发射器与接收器之距离        100～500 m        NO检测器100～200 m，其它检测器300～800 m        接收与发射安装在同一装置内，发射端只用无源反射镜即可，距离可缩短一倍有同样效果
使用两个或以上的发射器做多通道测量        可能，不需增添附件        可能需要增添多路传输系统和第二个接收器       
软件功能        具干法软件之设计经验、采用WINDOWS平台下开放式设计，界面友好        软件与其他设备通讯在MS-DOS平台下，界面设计较粗糙        界面已汉化，使用者较多
    中国环境监测总站将OPSIS DOAS方法与干法和化学法（湿法）进行的对比实验结果表明：（1）SO2、NO2、O3、苯和甲苯三种方法的监测结果之间具有良好的相关性；（2）DOAS的O3测量值比干法测量值偏高一个常数，但基本变化趋势是一致的，干法偏低的原因可能是O3与NO反应造成的；（3）OPSIS与化学法测量甲醛的结果没有相关性，这可能与化学法的检测限较高有关，而OPSIS甲醛检测数据更合理。另外，OPSIS甲醛检测结果与O3和NO2的总量表现出较好的一致性，这意味着空气中发生了光化学反应。
    根据干法和长光程法的各自特点，一套较完整的空气质量自动监测系统的配置应包括：采样系统，长光程测量系统，标气校准系统，分析系统（PM10、SO2、NO2、CO、O3等），气象参数测量系统（风速、风向、气压、室内温度、室外温度、室内湿度、室外湿度、光辐射和雨量等），RS232变换器，控制器（8～16路开关量输出、8～16路模拟量输出），钢瓶减压器及控制阀组，子站和中心站计算机系统。
    存在的主要问题：环境空气质量自动监测系统基本上靠引进国外技术和设备，现有系统往往良莠不齐，国内研发水平和能力有限；引进设备往往与我国的具体实际结合不够，尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面与实际需求相差较远。

4  我国空气质量自动监测系统的发展现状
    70年代后期，北分、沈分等厂家推出了一批库仑式湿法仪器；80年代中期，北分引进了美国MONITOR公司的88系列干法仪器的生产技术，随着该系列仪器的过时和淘汰，目前已无厂家生产。2000年，沈阳东宇公司引进美国DASIBI公司的生产技术，开始组装基于干法的空气质量自动监测系统；河北先河公司则自主研制成功基于干法的空气质量自动监测系统。
    中国环境监测总站对河北先河公司研制生产的XH2000型城市空气质量连续自动监测系统的性能测试结果表明：HX2000A型SO2分析仪和HX2000B型NOx分析仪的24 h零漂分别为－0.7～＋0.8 ppb和0.1～5.8 ppb，24 h标漂分别为－6.6～＋21.9 ppb和－0.9～＋6.6 ppb，响应时间（t95）分别为105 s（平均值）和63 s（平均值），重现性分别为0.25 ppb（SD）和0.58 ppb（SD），线性度分别为γ＝0.9989（但各点误差分别为－19.7、－12.7、－9.6、－5.1 ppb）和γ＝0.9995（但各点误差分别为－18.0、－11.1、－5.4、－2.1、1.7、5.7 ppb）。对比测试（SO2 64 h、NOx 116 h）结果表明：相关关系的R2分别为0.8831和0.827。XH2000型校准仪和HX2000L型零气发生器性能较好。XH2000H型数据采集器具有以下功能：（1）全中文界面，菜单式结构，具有提示功能；（2）可随时查询浓度的分钟（或任意时段）值、各仪器的状态参数、以往的数据、各仪器的校准和停电记录；（3）允许操作人员设置密码保护；（4）可通过电话线和MODEM将数据传输给中心站，也可用软盘复制数据，具有数据备份功能。中心站软件具有以下功能：（1）可通过MODEM与子站通讯，向子站发送零点校准和量程校准命令，设有密码保护；（2）可随时查询子站SO2、NOx仪器的当前各项工况参数，调取、存储数据采集器中的监测数据，查询历史数据中5、10、30、60 min以及24 h、一月、一季度或一年的平均值；（3）通用的数据处理软件系统可以直接使用该软件的监测数据，实现数据共享；（4）具有帮助、查询功能。
    XH2000型城市空气质量监测系统存在的问题为：（1）仪器方面：SO2分析仪的标漂接近EPA标准的上限，应进一步提高仪器的稳定性；分析仪自身不能记录零漂负值。（2）数据采集器方面：数据采集器系统时间与分析仪时间存在不一致现象；分析仪记录数据与数据采集器记录数据存在差异，应提高变送器的性能；数据采集器记录的校准数据中缺少仪器校准前的响应值记录； 数据采集器磁盘空间较小，不能存储较长时间的数据；数据采集器应具备自动更新数据的功能，保证有最近7天的数据记录。（3）中心站软件方面：中心站软件在一些功能方面尚需进一步改进：分析仪在执行中心站发出的自动校准命令时，在零点校准完成之后直接进行校标，中间没有所需的大于5 min的时间间隔，造成标气无法通入分析仪；软件没有将校零和校标的过程分开，不能单独进行零点校准；软件应在确保子站数据传输成功后，再向子站数据采集器发出删除旧数据的命令，防止因中心站和子站数据传输不成功而造成子站数据采集器中数据的意外丢失。

5  环境空气质量监测系统的发展趋势
    近年来，国外还在致力于发展基于激光光源的监测灵敏度更高的长光程吸收光谱仪，但目前尚处于试验阶段。在大气污染探测激光雷达方面，近年来倾向于发展探测灵敏度很高的差分吸收激光雷达，用于城市大气环境和城市污染源的高时空分辨率探测。德国、美国、意大利和瑞典等国已分别研制成功车载式差分吸收激光雷达样机，并正在进行实用性试验。考虑到差分吸收激光雷达的技术复杂、造价昂贵、可靠性差，对操作和维护人员的技术素质要求太高，估计近期内推广使用有困难。因此世界各国也在发展拉曼激光雷达技术。拉曼激光雷达虽然探测灵敏度较差，但其结构简单、造价较低、性能可靠，使用维护方便，使之很适合用于对城市大气污染源的流动监测，正好弥补了常规光学监测手段对污染源监测能力的不足。
    LIDAR（LIght Detection And Ranging的缩写）把短激光（全固态闪光灯泵激的钛Sapphire激光器，波长范围750～870 nm，建立在光学非线性晶体上的二倍频和三倍频设备把红外线激光辐射改变成紫外线辐射，波长范围250～400 nm）脉冲发射到大气层，沿着它的轨迹，光被小粒子散射开（米式散射），并且也被空气分子散射开（瑞利散射）。反向散射到LIDAR系统的少许光被望远镜和敏感的检测器接收，接收机信号被得到，作为一个时间函数。由于光的等速性，时间与散射器的距离有关，因此空间信息沿着电子束轨迹被检测。
    可以从接收到的信号推导出的信息取决于发射光的波长，也取决于探测方法。为了确定污染物的空间分布，要用激光雷达（LIDAR）差分吸收（DIAL，DIfferential Absorption Lidar technique的缩写）技术。DIAL方法利用的是待测气体的吸收和大气（包括气体分子和气溶胶）弹性后向散射的原理，一般在所选择波长（λON）处的气体吸收截面较大，并且大气气体的弹性后向散射截面很大，回波强度较大易于接收测量。这两个因素结合在一起，形成差分吸收方法测量的高灵敏度，再加上激光雷达的很高的距离分辨率和大范围实时测量的特点，使DIAL激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具。其基本过程为：扫描平镜能进行俯仰和方位转动，以实现三维空间立体扫描。通过自动控制指令控制扫描平镜的俯仰和方位转动，使发射光束射向被测大气，被测大气的后向散射光信号由扫描平镜反射到接收望远镜，通过小孔光阑、衰减片、窄带滤光片达到光电倍增管，前置放大器和高速A/D转换器对光电倍增管输出的微弱信号进行处理，获取测量数据并转送到计算机，数据处理软件对测量数据进行处理，获取被测污染物的浓度，并实时显示污染物的空间分布。
    激光雷达技术在环境监测中的应用在国际上受到了相当的重视。美国、德国、英国、加拿大、日本等发达国家都建有用于大气污染测量的激光雷达系统，并在环境监测中发挥着重要的作用。日本通产省已着手研制能观测三维大气中物质密度和组分的环境监测用激光雷达，以测量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等气体的三维立体分布。加拿大的Optech公司（1974年开始研制）和德国的Elight、OHB等公司已向环境监测与研究部门提供测污激光雷达样机。例如，德国Eligh公司的510 M型车载激光雷达，能够监测5种污染气体（SO2、NO2、O3、甲苯、苯）和气溶胶，但价格昂贵（120万美元），国内暂时还不可能装备。