恶劣气候环境下大气颗粒物监测仪的流量校准

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大气环境监测工程师们助力FP-25大气采样校准仪雏形诞生

呼吸一口清爽冰冷的空气,感受雪花拍打在脸上的瞬间。。。这样的场景是不是很美呢?你可知道这样的气候环境几乎导致所有流量校准仪的既定精度极限失效。幸运的是,FP-25大气采样校准仪不受丝毫影响。多亏所有现场大气环境监测工程师不断提出的宝贵意见,FP-25大气采样校准仪实乃为这类变化多端的气候环境量身定制的流量校准仪。

艾里卡特FP-25大气采样校准仪校准Thermo Fisher Partisol 2000(FRM) 颗粒物连续监测仪

上图为FP-25校准Thermo Fisher Partisol 2000(FRM)
颗粒物连续监测仪

接下来我们就来讲讲FP-25大气采样校准仪如何诞生的故事。艾里卡特全新大气采样校准仪FP-25从研发到上市,几个测试版本经过美国国内具有代表性气候特点的环境监测站数轮反复试用,聆听了众多一线大气环境监测工程师的核心意见,才有了如今这台专用于所有大气颗粒物在线监测仪流量校准的FP-25大气采样校准仪

故事始于几个曾用过艾里卡特便携式流量校准仪的大气环境监测工程师,几位工程师在校准内含质量流量控制器的动态气体发生器的过程中颇为受挫,冗长的20个校准点过程极为繁琐,于是便将容积式流量计替换成了艾里卡特便携式流量校准仪,至此以后每个点的校准过程仅需短短几秒钟,即便在流量低至5 sccm时。

Alicat艾里卡特低压损便携式流量校准仪

上图为低压损便携式流量校准仪

此后不久,艾里卡特推出了低压损便携式流量校准仪,其中一些工程师便将其用于工作在室外的大气颗粒物采样仪的流量校准。对一台实验室级别的高精度流量校准仪来说,要在室外苛刻的气候环境下工作实为不易。由此,我们便产生了设计一台既具有实验室级别的精度同时又能工作于恶劣气候环境下的流量校准仪的想法。

如何缩短热平衡时间

Alicat艾里卡特FP-25大气采样校准仪校准赛默飞世尔2025i(FRM)颗粒物连续监测仪

上图为FP-25校准校准赛默飞世尔2025i(FRM)颗粒物连续监测仪

用过低压损便携式流量校准仪的工程师们告诉我们,校准仪在室外需花较长时间才能与环境温度达到平衡,尤其是在阳光照射强烈的晴天。被不锈钢整个包裹的内置的温度传感器十分适用于实验室内,挪到室外环境下就有点不济了。由此,我们将不锈钢换成了铝,相应减少包裹面积,但还是无法克服因热辐射产生的问题。

为了缩减热平衡时间,最初的设想是改动内部温度传感器的位置,将其往下垂直移动些便可更加精确地测量空气温度,即便只是人为地消除因太阳热辐射而造成的长时间热平衡问题。后来我们为FP-25大气采样校准仪增加了快速相应的外置温度探针,将气道内的空气温度修正至大气环境温度。作此改良后,FP-25大气采样校准仪即可于室外酷热的阳光直射环境下迅速启动开始流量校准并长时间工作,即便从开着暖气的车中取出马上置于冰点以下的环境温度工作,也仅需几分钟温度平衡。

如何保证零点以下的流量测量精度

大气环境是要全年监测的,美国北部和加拿大地区的工程师们常常需要在零下30度的室外环境下对大气颗粒物监测仪进行流量校准。零点以下温度环境对电子仪器设备有严重的破坏性,电池续航时间变短、LCD显示屏变暗甚至模糊、橡胶密封圈脆化等。在冰点以下的环境工作,活塞式流量校准仪将直接结冰从而无法工作,文丘里管式流量校准仪的压力传感器则变得无法预计的响应缓慢,从而导致流量测量的精度偏差。

在零度以下的工作环境保证流量测量精度十分具有挑战性。零点以下的温度变化将使电子压力传感器自身发生形变,从而导致响应偏差。对于这一广为熟知的棘手问题,艾里卡特的工程师们最终想出一创新的解决方案。我们对每一台FP-25大气采样校准仪的压力传感器在-30°C ~ +60°C整个温度量程范围内进行测试,于多个点监测其响应性能,最终生成每一台FP-25大气采样校准仪独有的压力-温度响应曲线,并将曲线融为此台FP-25大气采样校准仪最终流量与压力标定的一部分。得益于这一独特的设计,FP-25大气采样校准仪的流量测量精度相比于Alicat标准精度的流量校准仪更胜一筹,其流量读数精度在-30°C ~ +60°C这个温度量程范围内始终优于1%。

如何克服刮风、灰尘、雪花。。。对流量校准的影响

Alicat艾里卡特FP-25大气采样校准仪校准Met One BAM 1020/1022(FEM)颗粒物连续监测仪

上图为FP-25校准Met One BAM 1020/1022(FEM)颗粒物连续监测仪

据几位工作在一线的大气环境监测工程师告诉我们,风力的影响在大气颗粒物在线监测仪的流量校准过程中由始至终都是一个不容小觑的严重问题,一片小小的雪花即能阻塞文丘里管流量计从而导致无法正常工作。这是因大气颗粒物在线监测仪的流量校准依据是体积流量,测量体积流量时伴随的最典型的特征就是气路中前后压差极小,从而不至于影响体积流量读数。也正是因为这极小的压损,使其对风异常敏感。确实如此!因为此时此刻我桌上的一台低压损便携式流量标定仪的显示屏上正跳动着由于办公室内开着空调而产生的空气流量的读数。灵敏至此无疑是绝对保证了流量测量的精度,但若处于有风的环境下工作却又衍生了另一个麻烦。此外,有风的天气还将把空气中的灰尘或雪花也一起带进流量标定仪中。

为解决这个问题,我们首先想到的是从大气颗粒物在线监测仪的制造商们那里找突破,因为大气颗粒物在线监测仪本身的防风防尘问题是很久以前就已被攻克的。每一台大气颗粒物监测仪的入口处都有滤膜用以过滤大颗粒尘埃,百叶窗式的设计使得进口管以下的空气流量不受风力影响。艾里卡特FP-25大气采样校准仪正是充分利用了上述这些大气颗粒物监测仪既有的防风防尘性能,将FP-25大气采样校准仪直接嵌入连接于大气颗粒物监测仪的进气管道下方,我们称之为直接模式。采用此连接模式,FP-25大气采样校准仪直接被接在PM10监测仪入口管段下方或PM2.5监测仪气旋切割器(VSCC)上方(如果有VSCC的话),彻彻底底地保护了流量传感器免遭刮风、灰尘、雨水、雪花的影响,从而确保FP-25大气采样校准仪校准流量读数时所处于的工况环境总是无限接近于大气颗粒物监测仪在正常工况下测得的流量读数。

大雪纷飞、狂风暴雨、艳阳高照。。。FP-25大气采样校准仪能在任何气候环境下正常稳定地校准每一台大气环境监测仪的流量。若您需要在其它特殊环境工况下校准气体流量,也欢迎告诉我们,艾里卡特十分乐意帮您排忧解难。

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