大氣顆粒物監測儀的流量校準在惡劣氣候環境下的應用

大氣環境監測工程師們助力美國Alicat 66系列大氣采樣校準儀雛形誕生，寒冷地溫暖氣候環境幾乎導致所有流量校準儀的既定精度極限失效。幸運的是，Alicat 66系列大氣采樣校準儀不受絲毫影響。多虧所有現場大氣環境監測工程師不斷提出的寶貴意見，Alicat 66系列大氣采樣校準儀實乃為這類變化多端的氣候環境量身定制的流量校準儀。

全新大氣采樣校準儀66系列從研發到上市，幾個測試版本經過美國國內具有代表性氣候特點的環境監測站數輪反復試用，聆聽了眾多一線大氣環境監測工程師的核心意見，才有了如今這臺專用于所有大氣顆粒物在線監測儀流量校準的Alicat 66系列大氣采樣校準儀。

故事始于幾個曾用過Alicat便攜式流量校準儀的大氣環境監測工程師，幾位工程師在校準內含質量流量控制器的動態氣體發生器的過程中頗為受挫，冗長的20個校準點過程極為繁瑣，于是便將容積式流量計替換成了Alicat便攜式流量校準儀，至此以后每個點的校準過程僅需短短幾秒鐘，即便在流量低至5 sccm時。

此后不久，Alicat推出了低壓損便攜式流量校準儀，其中一些工程師便將其用于工作在室外的大氣顆粒物采樣儀的流量校準。對一臺實驗室級別的高精度流量校準儀來說，要在室外苛刻的氣候環境下工作實為不易。由此，便產生了設計一臺既具有實驗室級別的精度同時又能工作于惡劣氣候環境下的流量校準儀的想法。

如何保證零點以下的流量測量精度

大氣環境是要全年監測的，美國北部和加拿大地區的工程師們常常需要在零下30度的室外環境下對大氣顆粒物監測儀進行流量校準。零點以下溫度環境對電子儀器設備有嚴重的破壞性，電池續航時間變短、LCD顯示屏變暗甚至模糊、橡膠密封圈脆化等。在冰點以下的環境工作，活塞式流量校準儀將直接結冰從而無法工作，文丘里管式流量校準儀的壓力傳感器則變得無法預計的響應緩慢，從而導致流量測量的精度偏差。

在零度以下的工作環境保證流量測量精度十分具有挑戰性。零點以下的溫度變化將使電子壓力傳感器自身發生形變，從而導致響應偏差。對于這一廣為熟知的棘手問題，Alicat的工程師們最終想出一創新的解決方案。我們對每一臺66系列大氣采樣校準儀的壓力傳感器在-30°C ~ +60°C整個溫度量程范圍內進行測試，于多個點監測其響應性能，最終生成每一臺66系列大氣采樣校準儀獨有的壓力-溫度響應曲線，并將曲線融為此臺66系列大氣采樣校準儀最終流量與壓力標定的一部分。得益于這一獨特的設計，66系列大氣采樣校準儀的流量測量精度相比于Alicat標準精度的流量校準儀更勝一籌，其流量讀數精度在-30°C ~ +60°C這個溫度量程范圍內始終優于1%。

如何克服刮風、灰塵、雪花等對流量校準的影響

據幾位工作在一線的大氣環境監測工程師告訴我們，風力的影響在大氣顆粒物在線監測儀的流量校準過程中由始至終都是一個不容小覷的嚴重問題，一片小小的雪花即能阻塞文丘里管流量計從而導致無法正常工作。這是因大氣顆粒物在線監測儀的流量校準依據是體積流量，測量體積流量時伴隨的最典型的特征就是氣路中前后壓差極小，從而不至于影響體積流量讀數。也正是因為這極小的壓損，使其對風異常敏感。確實如此！因為此時此刻我桌上的一臺低壓損便攜式流量標定儀的顯示屏上正跳動著由于辦公室內開著空調而產生的空氣流量的讀數。靈敏至此無疑是絕對保證了流量測量的精度，但若處于有風的環境下工作卻又衍生了另一個麻煩。此外，有風的天氣還將把空氣中的灰塵或雪花也一起帶進流量標定儀中。

為解決這個問題，我們首先想到的是從大氣顆粒物在線監測儀的制造商們那里找突破，因為大氣顆粒物在線監測儀本身的防風防塵問題是很久以前就已被攻克的。每一臺大氣顆粒物監測儀的入口處都有濾膜用以過濾大顆粒塵埃，百葉窗式的設計使得進口管以下的空氣流量不受風力影響。Alicat66系列大氣采樣校準儀正是充分利用了上述這些大氣顆粒物監測儀既有的防風防塵性能，將Alicat66系列大氣采樣校準儀直接嵌入連接于大氣顆粒物監測儀的進氣管道下方，我們稱之為直接模式。采用此連接模式，66系列大氣采樣校準儀直接被接在PM10監測儀入口管段下方或PM2.5監測儀氣旋切割器(VSCC)上方(如果有VSCC的話)，徹徹底底地保護了流量傳感器免遭刮風、灰塵、雨水、雪花的影響，從而確保66系列大氣采樣校準儀校準流量讀數時所處于的工況環境總是無限接近于大氣顆粒物監測儀在正常工況下測得的流量讀數。