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暨惡劣氣候環(huán)境下大氣顆粒物監(jiān)測儀的流量校準(zhǔn)
呼吸一口清爽冰冷的空氣，感受雪花拍打在臉上的瞬間。。。這樣的場景是不是很美呢？你可知道這樣的氣候環(huán)境幾乎導(dǎo)致所有流量校準(zhǔn)儀的既定精度極限失效。幸運(yùn)的是，FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀不受絲毫影響。多虧所有現(xiàn)場大氣環(huán)境監(jiān)測工程師不斷提出的寶貴意見，FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀實(shí)乃為這類變化多端的氣候環(huán)境量身定制的流量校準(zhǔn)儀。
上圖為FP-25校準(zhǔn)Thermo Fisher Partisol 2000(FRM)
顆粒物連續(xù)監(jiān)測儀
接下來我們就來講講FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀如何誕生的故事。艾里卡特全新大氣采樣校準(zhǔn)儀FP-25從研發(fā)到上市，幾個(gè)測試版本經(jīng)過美國國內(nèi)具有代表性氣候特點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測站數(shù)輪反復(fù)試用，聆聽了眾多一線大氣環(huán)境監(jiān)測工程師的核心意見，才有了如今這臺(tái)于所有大氣顆粒物在線監(jiān)測儀流量校準(zhǔn)的FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀。
故事始于幾個(gè)曾用過艾里卡特便攜式流量校準(zhǔn)儀的大氣環(huán)境監(jiān)測工程師，幾位工程師在校準(zhǔn)內(nèi)含質(zhì)量流量控制器的動(dòng)態(tài)氣體發(fā)生器的過程中頗為受挫，冗長的20個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)過程極為繁瑣，于是便將容積式流量計(jì)替換成了艾里卡特便攜式流量校準(zhǔn)儀，至此以后每個(gè)點(diǎn)的校準(zhǔn)過程僅需短短幾秒鐘，即便在流量低至5 sccm時(shí)。
上圖為低壓損便攜式流量校準(zhǔn)儀
此后不久，艾里卡特推出了低壓損便攜式流量校準(zhǔn)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(zhǔn)。對(duì)一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的高精度流量校準(zhǔn)儀來說，要在室外苛刻的氣候環(huán)境下工作實(shí)為不易。由此，我們便產(chǎn)生了設(shè)計(jì)一臺(tái)既具有實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的精度同時(shí)又能工作于惡劣氣候環(huán)境下的流量校準(zhǔn)儀的想法。
上圖為FP-25校準(zhǔn)校準(zhǔn)賽默飛世爾2025i(FRM)顆粒物連續(xù)監(jiān)測儀
用過低壓損便攜式流量校準(zhǔn)儀的工程師們告訴我們，校準(zhǔn)儀在室外需花較長時(shí)間才能與環(huán)境溫度達(dá)到平衡，尤其是在陽光照射強(qiáng)烈的晴天。被不銹鋼整個(gè)包裹的內(nèi)置的溫度傳感器十分適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，挪到室外環(huán)境下就有點(diǎn)不濟(jì)了。由此，我們將不銹鋼換成了鋁，相應(yīng)減少包裹面積，但還是無法克服因熱輻射產(chǎn)生的問題。
為了縮減熱平衡時(shí)間，初的設(shè)想是改動(dòng)內(nèi)部溫度傳感器的位置，將其往下垂直移動(dòng)些便可更加地測量空氣溫度，即便只是人為地消除因太陽熱輻射而造成的長時(shí)間熱平衡問題。后來我們?yōu)?strong>FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀增加了快速相應(yīng)的外置溫度探針，將氣道內(nèi)的空氣溫度修正至大氣環(huán)境溫度。作此改良后，FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀即可于室外酷熱的陽光直射環(huán)境下迅速啟動(dòng)開始流量校準(zhǔn)并長時(shí)間工作，即便從開著暖氣的車中取出馬上置于冰點(diǎn)以下的環(huán)境溫度工作，也僅需幾分鐘溫度平衡。
大氣環(huán)境是要全年監(jiān)測的，美國北部和加拿大地區(qū)的工程師們常常需要在零下30度的室外環(huán)境下對(duì)大氣顆粒物監(jiān)測儀進(jìn)行流量校準(zhǔn)。零點(diǎn)以下溫度環(huán)境對(duì)電子儀器設(shè)備有嚴(yán)重的破壞性，電池續(xù)航時(shí)間變短、LCD顯示屏變暗甚至模糊、橡膠密封圈脆化等。在冰點(diǎn)以下的環(huán)境工作，活塞式流量校準(zhǔn)儀將直接結(jié)冰從而無法工作，文丘里管式流量校準(zhǔn)儀的壓力傳感器則變得無法預(yù)計(jì)的響應(yīng)緩慢，從而導(dǎo)致流量測量的精度偏差。
在零度以下的工作環(huán)境保證流量測量精度十分具有挑戰(zhàn)性。零點(diǎn)以下的溫度變化將使電子壓力傳感器自身發(fā)生形變，從而導(dǎo)致響應(yīng)偏差。對(duì)于這一廣為熟知的棘手問題，艾里卡特的工程師們終想出一創(chuàng)新的解決方案。我們對(duì)每一臺(tái)FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀的壓力傳感器在-30°C ~ +60°C整個(gè)溫度量程范圍內(nèi)進(jìn)行測試，于多個(gè)點(diǎn)監(jiān)測其響應(yīng)性能，終生成每一臺(tái)FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀*的壓力-溫度響應(yīng)曲線，并將曲線融為此臺(tái)FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀終流量與壓力標(biāo)定的一部分。得益于這一*的設(shè)計(jì)，FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀的流量測量精度相比于Alicat標(biāo)準(zhǔn)精度的流量校準(zhǔn)儀更勝*，其流量讀數(shù)精度在-30°C ~ +60°C這個(gè)溫度量程范圍內(nèi)始終優(yōu)于1%。
上圖為FP-25校準(zhǔn)Met One BAM 1020/1022(FEM)顆粒物連續(xù)監(jiān)測儀
據(jù)幾位工作在一線的大氣環(huán)境監(jiān)測工程師告訴我們，風(fēng)力的影響在大氣顆粒物在線監(jiān)測儀的流量校準(zhǔn)過程中由始至終都是一個(gè)不容小覷的嚴(yán)重問題，一片小小的雪花即能阻塞文丘里管流量計(jì)從而導(dǎo)致無法正常工作。這是因大氣顆粒物在線監(jiān)測儀的流量校準(zhǔn)依據(jù)是體積流量，測量體積流量時(shí)伴隨的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(shù)。也正是因?yàn)檫@極小的壓損，使其對(duì)風(fēng)異常敏感。確實(shí)如此！因?yàn)榇藭r(shí)此刻我桌上的一臺(tái)低壓損便攜式流量標(biāo)定儀的顯示屏上正跳動(dòng)著由于辦公室內(nèi)開著空調(diào)而產(chǎn)生的空氣流量的讀數(shù)。靈敏至此無疑是保證了流量測量的精度，但若處于有風(fēng)的環(huán)境下工作卻又衍生了另一個(gè)麻煩。此外，有風(fēng)的天氣還將把空氣中的灰塵或雪花也一起帶進(jìn)流量標(biāo)定儀中。
為解決這個(gè)問題，我們首先想到的是從大氣顆粒物在線監(jiān)測儀的制造商們那里找突破，因?yàn)榇髿忸w粒物在線監(jiān)測儀本身的防風(fēng)防塵問題是很久以前就已被攻克的。每一臺(tái)大氣顆粒物監(jiān)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(shè)計(jì)使得進(jìn)口管以下的空氣流量不受風(fēng)力影響。艾里卡特FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀正是充分利用了上述這些大氣顆粒物監(jiān)測儀既有的防風(fēng)防塵性能，將FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀直接嵌入連接于大氣顆粒物監(jiān)測儀的進(jìn)氣管道下方，我們稱之為直接模式。采用此連接模式，FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀直接被接在PM10監(jiān)測儀入口管段下方或PM2.5監(jiān)測儀氣旋切割器(VSCC)上方(如果有VSCC的話)，徹*底地保護(hù)了流量傳感器免遭刮風(fēng)、灰塵、雨水、雪花的影響，從而確保FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)流量讀數(shù)時(shí)所處于的工況環(huán)境總是無限接近于大氣顆粒物監(jiān)測儀在正常工況下測得的流量讀數(shù)。
大雪紛飛、狂風(fēng)暴雨、艷陽高照。。。FP-25大氣采樣校準(zhǔn)儀能在任何氣候環(huán)境下正常穩(wěn)定地校準(zhǔn)每一臺(tái)大氣環(huán)境監(jiān)測儀的流量。若您需要在其它特殊環(huán)境工況下校準(zhǔn)氣體流量，也歡迎告訴我們，艾里卡特十分樂意幫您排憂解難。
