空气质量连续自动监测电子教案

1、单 元 教 学 计 划教师姓名学时数4日期班级上课地点课程（学习领域）名称环境监测项目六空气质量监测单元主要教学内容任务6 空气质量连续自动监测教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标1. 能说清楚空气质量连续自动监测概念、作用及意义；2. 能讲述空气质量连续自动监测系统的组成及各部分作用；3. 能讲述主要污染物测定原理，并选择仪器；4. 会应用自动监测系统数据。1. 理解空气质量连续自动监测概念、作用及意义；2. 掌握空气质量连续自动监测系统的组成及各部分作用；3. 掌握主要污染物测定原理；4. 理解自动监测系统数据含义。1. 严谨认真，2. 交流合作，3. 新知识学习积极性能力训练任务空气

2、质量连续自动监测系统总结报告教学重点教学难点重点：1. 空气质量连续自动监测作用；2. 空气质量连续自动监测系统的组成及各部分作用；3. 主要污染物（二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳、PM2.5）的测定原理。难点：1. 空气质量连续自动监测系统的组成及各部分作用；2. 主要污染物（二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳、PM2.5）的测定原理；3. 系统数据识读与应用。教学方法、手段任务驱动，讲授、讨论和现场训练相结合教学组织形式根据当前空气质量报告参数的要求，分组查阅资料，理解空气质量连续自动监测系统组成，并学习、讨论主要测定指标的原理、数据意义，最后查阅资料完成空气质量连续自动监测系统总结报

3、告1份。作 业空气质量连续自动监测系统总结报告1份。备 注项目六 空气质量监测任务6 空气质量连续自动监测1.系统基本结构空气质量连续自动监测系统是一套区域性空气质量的实时监测网络，它的组成有各种形式，实时化和自动化程度可有所不同，但它们的基本结构是相同的：图 空气质量连续自动监测系统基本结构图图 计算机机房设备配置和结构框图（1）中心计算机室：整个系统运行的中心，一般由计算机、应用软件、输出设备和通讯设备等组成（如图）。其主要任务是：定时或随时收取各监测子站的监测数据，并对所收取的监测数据进行判别、检查、舍取和存储等；以报表和图表等形式输出各类监测数据报告；对监测子站的监测仪器进行零点和标点

4、检查校准、多点校准和远程诊断，随时收集仪器设备的工作状态信息等。 （2）质量保证实验室：是系统质量保证工作的核心，目的是为了保证系统的正常运行，获得准确可靠的监测数据。因此它担负着控制、监督和改进整个系统运行的重任：按质量保证程序，对系统使用的标准样品进行追踪标定和保管，对系统仪器设备进行标定、校准，在规定的时间内将需要计量认证的仪器设备送至权威计量部门进行检定和对自检的仪器设备组织力量进行检定，对检修后的仪器设备进行校准和主要技术指标的运行考核；对各监测子站运行状况进行检查，配合有关部门实施系统的审核工作；负责监测子站日常运行记录的检查、审核及记录的汇总归档保存；参与对监测数据的检查、检验、

5、确认和对系统运行情况进行分析。（3）系统支持实验室：整个系统的支持保障中心，任务主要是：根据仪器设备的运行要求定期进行预防性维护和保养、及时对发生故障的仪器设备进行针对性检修和负责系统的仪器设备、备品备件和有关器材的保管和发放。（4）监测子站：是整个系统的基础，它由采样系统、污染物监测仪、校准设备、气象监测仪、计算机/数据采集器等组成：（如图），任务主要是：实施对环境空气质量和气象状况进行连续自动实时监测；对监测数据进行采集、处理和存储；按中心计算机指令向中心传输监测数据和设备状态信息。图 监测子站设备配置和结构示意图2.系统组成主要由监测子站、中心站(包括中心计算机室、质量保证实验室和支持实

6、验室)组成。为确保各组成部分的正常运行，获得数据准确可靠且有良好的代表性，系统应包括：监测子站的数量、子站布局、测试污染物项目、数据捕获率和数据质量要求等。（1）监测点位：监测点位数一般根据空气质量连续自动监测网络覆盖区域的人口数、城市规模、该列污染物污染状况及发展趋势，经济建设的发展情况和要求来确定。监测点位的选择是一个较复杂的问题，对于以掌握区域内污染物的时空分布和人群的暴露状况为目的的城市区域空气质量监测网络，主要采用几何图形布点法和按人口和功能区域布点法等方法。监测点位的布局应考虑区域类别或特征、区域内污染状况、人口布局、地形和气象条件等因素。应在远离监测区域的主导风向上风方位设置一背

7、景对照点。监测子站设置：监测站的具体定位是相当重要的，子站的位置在系统的总体规划中所选择的区域范围内应具有代表性，使监测结果能反映该区域内空气的污染物实际浓度。（2） 监测子站：采样系统：由采样头、采样总管室外室内部分、采样支管和采样抽气风机组成，采样总管有垂直层流多路支管和竹节式多路支管两种。在设计时都应考虑到诸如防雨、防大的颗粒物落入采样总管和防止结露水流入采样支管。采样管一般采用对被测物无吸附和反应、无干扰物质释放的硼硅酸玻璃或聚四氟乙烯材料制成。样品气体在总管的滞留时间应小于10s。采样系统设置：应保证在采样口周围一定范围内没有遮挡物、采样口离地面高度应为315m，与支撑物之间的垂直或

8、水平距离应大于lm，并要充分考虑附近道路上行使的机动车辆影响。仪器设备：仪器的分析方法、测量范围和各项技术指标必须符合国家颁布的技术标准和规范的要求，获得国际上和国内权威机构的认证，具有国内外先进水平，长期运行安全可靠，故障率低。设备供应厂商具有现场技术支持能力。子站站房：采样环境要求控制所有能影响样品稳定性、样品内的化学反应或样品组分性能的外部物理要素，所以监测子站站房建设应满足以下要求：站房应为无窗或双层密封窗结构，有一小隔间作为进门与仪器室之间的缓冲，面积1025m2。室内温度应控制在25±5、相对湿度在80以下，并避免室外阳光直射仪器设备；站房周围应有疏通雨水渠道，防止因雨水

9、排泄不及时而进入站房，并采取防雨、防虫、防尘、防渗漏、防雷电和防电磁波干扰的措施；抽气风机排气口与监测仪器排气口应设在靠近站房下部2030cm的位置；电源电压波动不能超过±10，供电系统应配有电源过压、过载和漏电保护装置。站房内仪器设备安置可根据站房具体情况而定，但空调的出风不能直对采样管，钢瓶应放置在安全固定装置内。（3）中心站：u 中心计算机室：一般应配置两台或两台以上能满足系统软件工作要求的计算机，一台为主机，另一台作为辅机，配置UPS不间断电源、调制解调器、打印机和绘图仪，也可加配磁带机、磁盘阵列或光盘刻录机等。中心站与子站可采用有线或无线通讯方式，传播速率都应在2400b/

10、s以上，误码率在10-6以下；系统应用软件具有在线控制，数据、检查、判别、确认、记录和报警显示、报表图形输出及其它诸如编辑、图形数字输入、数据库管理、各种应用软件设计和开发等功能；计算机机房建设应符合相关技术要求。u 质量保证实验室：质量保证实验室装备一般包括：校准系统（包括零气发生器和多点动态气体校准器）、流量标准传递设备、基准标准物质、质量保证专用仪器、气象仪器校准设备及数字万用表等。质量保证实验室建设应符合有关技术要求。u 系统支持实验室：应配备通用和专用测试、调整和维修用电子仪器和工具，仪器气路检漏用的压力表和真空表，还应有一定数量的备份仪器，用于故障检修和预防性维修。系统支持实验室建

11、设应符合相关技术要求。3.主要污染物的监测原理(1) 紫外荧光仪测定SO2该法的原理是基于紫外灯发出的紫外光(190230hm)通过214rim的滤光片，激发SO2分子使其处于激发态，在SO2分子从激发态衰减返回基态时产生荧光(240420nm)，荧光强度由一个带着滤光片的光电倍增管测得。下式描述了这个反应： 式中：被吸收的光强；紫外灯光强；SO2吸收系数；激发光光程；SO2浓度。SO2浓度相对较低，激发光的光程较短，样品气是空气，以上等式可简化为：F=K(SO2)此光电倍增管测得的荧光，与SO2浓度呈正比。K由荧光室几何尺寸、荧光效率等决定。如果分析仪器的紫外光源以脉冲方式工作，则称为紫外脉

12、冲荧光法SO2分析仪。(2) 化学发光仪测定NO、NO2、NOx该法的工作原理是基于NO与O3的化学发光反应生成激发态的NO2分子，在返回基态时发出与NO浓度成正比的光，以下的等式描述了此反应。用红敏光电倍增管接收此光即可测得NO浓度。对于总氮氧化物(NOx=NO+NO2)的测定，须先将样气中的NO2转换成NO，再与O3进行测定，即测得NOx浓度，两次测定值的差值NOx-NO即为NO2浓度。该法灵敏度高、选择性好、响应快，检出限低；为降低光电倍增管的噪声，要使用制冷器使光电倍增管工作在较低的温度下。(3) 气体滤波相关红外吸收仪测定CO工作原理与红外吸收光谱法相同，采用了气体相关滤光技术。它是

13、基于被测气体红外光谱的结构与其它共存气体红外吸收光谱的结构进行相关比较，比较时使用高浓度的被测气体作为红外光的滤光器，在有其它干扰气体存在的情况下，比较样品气中被测气体红外吸收光谱。该法灵敏度高，稳定性好，检出限低。(4) 紫外光度仪测定O3该法的工作原理是基于臭氧分子内部电子的共振对紫外光(波长254nm)的吸收，直接测定紫外光通过臭氧时减弱的程度就可计算出臭氧的浓度。紫外光照射于一个交替地充满样品气和充满零气的玻璃管吸收池，光通过零气吸收池时的光强为I0，通过充满样品气体吸收池的光强为I，得到一个I/I0的比率，由朗伯比尔定律从光强的比率计算出臭氧的浓度。式中：I光通过样品池后的光强； I

14、0光通过零气池后的光强； a吸收系数； l吸收池长度； O3臭氧浓度； T样品温度； P样品压力。该方法线性良好，响应很快；主要干扰是颗粒物和湿气。(5) 长光程差分吸收光谱仪测定多种成分该法的工作原理为从氙灯发射出的紫外可见光束，在其光程中的SO2、NO2、O3等气体分子会对光产生特征吸收，形成特征吸收光谱，通过对特征吸收光谱的鉴别及朗伯比尔定律进行差分拟合计算得到整段光程内各种气态物质的平均浓度。该方法的仪器目前有有同轴反射式、发射单元在光程的另一端式和接收/光谱分析单元合为一体式的三种类型。该方法各类监测仪的工作原理可参见有关仪器说明书。该方法对自然光强的变化及影响能见度的雨、雾、尘、雪

15、的干扰在一定程度内可作自动修正。但当光强被大雨、浓雾或沙尘大幅度衰减，而使接收端得不到足够的光强信号时，该仪器不能正常运行。本方法适宜环境空气中SO2、NO2、O3测定，其检出限与光程有关。当光程为500m，平均时间为lmin时，该方法最低检出浓度：SO2为1ug/m3、NO2为1ug/m3、O3为3ug/m3。(6) PM10监测仪PM10连续自动监测仪的采样切割装置一般设计成旋风式，它在规定的流量下，对空气10um粒径的颗粒物具有50采集效率。 YEON微量振荡天平仪：是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换滤膜，振荡频率取决于锥形管特性和它的质量。当采样气流

16、通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。颗粒物质量与振荡频率之间的关系可由下式表示：式中：dm变化的质量；k0弹性常数(包括质量变换因子)；f0初始频率；f1最终频率。该法对空气湿度的变化较为敏感，为降低湿度的影响，对样气和振荡天平室一般进行50加热，这样会损失一部分不稳定的半挥发性物质。 Beta射线仪：工作原理可简述为：利用Beta射线衰减量测试采样期间增加的颗粒物质量。环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出。颗粒物沉淀在采样滤膜上，当

17、射线通过沉积着颗粒物的滤膜时射线能量衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。4.校准系统工作原理（1）零气发生器工作原理：图所示为零气发生器的零气制作流程，空气压缩机提供一定压力的干燥压缩空气作为供气动力，气体通过氧化池和催化装置将NO转化为NO2、将CO和包含甲烷在内的烃类转化成CO2和水；最后通过洗涤池中的洗涤剂，输出符合要求的零气。图 零气发生器的零气制作流程（2）多点动态气体校准器：由零气发生器提供零气源及空气动力，标准气由钢瓶气接入口进入，电磁阀控制入口的开启，进入的气体流量由质量流量控制器控制，钢瓶标准气和零气进入混合室进行混合产生所需浓度的标准气，最后经输出口输出。气相滴定的

18、过程为电磁阀和限流孔控制一定流量的零气进入O3发生器产生一定量和浓度的O3，然后在反应室与NO标准气气体发生气相滴定反应产生所需浓度的NO2标准气，最后经输出口输出。渗透管放置在温度控制非常精确的渗透装置内，由限流孔控制的一定流量的气体通过渗透装置使通过渗透管渗透膜渗出的气体进入混合室与零气混合产生所需浓度的标准气，最后再经输出口输出。 4质量保证和质量控制空气质量连续自动监测系统是由采样系统、监测仪器、数据通讯、计算机、系统管理及操作人员等多个环节构成，系统中无论哪个环节出现问题都将影响整个系统的可靠运行。监测仪器在长时间连续运行过程中由于电路、光路、气路的变化必然会产生仪器的零点、标点漂移

19、及出现各种各样的故障，还有供电质量的波动、临时停电干扰、气候条件的变化、操作人员和维护人员的技术素质差异等都直接影响监测数据的准确性，另外系统是无人值守连续自动运行，维护管理周期一般较长，运行期间出现的问题有时不能及时发现，所以必须对整个系统实施全面的质量保证，对系统所有的监测和校准过程执行严格的质量控制。 质量保证是指为了提供足够的信任表明系统能够满足质量要求，而在系统中实施的全部有计划和有系统的活动；其目的在于提供可满足监测目的且合乎质量要求的数据、将由于仪器故障及各种干扰影响导致数据损失降至最低和确保系统提供的监测数据有效、准确、可靠、可比。质量控制是指为了达到质量要求所采取的作业技术和

20、活动；其目的在于监视控制某一活动或工作的全过程，排除所有导致不合格、不满意的原因，识别不合格、不满意的结果。 图 空气质量连续自动监测系统的质量保证框图5空气质量连续自动监测系统的运行衡量一个正常运行的监测系统技术水平高低的标准在于整个系统运行的可靠性和所获取监测数据的准确性，由于环境监测仪器与一般分析仪器相比，在性能上有其特殊性，不但分析测试范围的量级较低，而且还要适合于长时间无人值守连续工作，因此保证系统运行可靠性的关键还在于对整个系统高质量的管理。各子站、中心站、质量保证实验室、系统支持实验室等应明确规定负责人员并且制定岗位责任制度，做到定岗、定责。同时规范自动监测系统的管理程序和内容，

21、认真填写记录并妥善保管，定期归档。(1) 系统的设施管理监测子站外部环境的管理：经常对监测子站周围的环境进行观察，如近距离是否新建高大建筑物，采样口周围的气流情况是否有异常等；加强监测子站周围污染源变化情况的监视，如有变化和异常情况应及时采取对策；夏季应加强对子站站房周围环境卫生的管理，保证监测子站室外环境空气的通畅，防潮湿环境空气进入室内和采样管中产生冷凝水。监测子站内部的管理：监测子站日常巡检时，须做到：查站房内温度、湿度和电源电压，夏季和多雨季节应加强对各子站的巡检，检查是否有漏水部位；加强对标准钢瓶气的管理，检查钢瓶气的消耗情况，严防气体泄漏做好站房内的清洁工作，做到物品堆放有序，地面

22、、仪器表面等处无明显积灰；检查维护工作应作记录成文并归档保存。中心站的管理：包括中心站计算机室、中心站质量保证室及中心站仪器维修室的管理等方面。u 中心站计算机室：管理人员每天上班即收取各监测子站的监测数据，如发现数据有异常，应填写数据报告单并经有关负责人确认签字后归档保存；在收取各监测子站的数据时，应检查各监测子站计算机或数据采集仪时钟和日历设置，若发现错误，及时调整；为保证中心站计算机房内设施的正常工作，无关人员不得随意进入机房；房内要做保持物品堆放有序，地面、计算机台面无明显积灰；每天检查计算机房内的温度和湿度，常年温度控制在25"C左右，相对湿度不超过80；应对检查作记录并归

23、档保存。u 中心站质量保证室：质保室仪器专用，加强对质保室专用仪器的管理和预防性维护(每半年至一年一次)；加强对质量保证室内的标准钢瓶气的管理，检查钢瓶气的消耗情况，严防气体泄漏；计量仪器设备由专人负责和管理，并按期接受国家计量部门的检定认证或权威部门的校准，只有经检定认证或校准并在有效期内方能使用；质量保证室工作人员未经许可不得入内；质量保证室机房内要保持物品堆放有序，地面、计算机台面无明显积灰；量保证室室内温度应保持在25左右，相对湿度不超过80；每天记录室内温度、湿度和气压；对检查作记录并归档保存。u 中心站仪器维修室：维修仪器用专用设备由专人负责和保管，并定期(每半年至一年)检查各专用

24、设备；保持物品堆放有序，地面、计算机台面无明显积灰；对检查作记录并归档保存。(2) 系统仪器设备器材管理监测子站内运行的仪器设备管理：对没有启动自动校零和校标的系统，定期(57d)对子站运行监测仪器进行零点和标点的检查、校准。零点和标点的检查、校准程序见空气和废气监测分析方法；定期(每半年至一年)对子站运行仪器进行多点线性校准；定期(每月不少于一次)对子站运行仪器进行精密度和准确度审核；定期(57d)检查子站内仪器和其它设备的工作状况；按仪器手册要求定期对子站运行仪器进行预防性维护检修。有关具体操作方法见空气和废气监测分析方法相关章节。仪器使用保管：建立仪器运行使用档案；所有仪器设备由专人负责

25、管理，在监测子站内的仪器设备由相关的使人负责管理，中心站仪器设备由仪器设备管理员负责管理，并建立仪器领用或借用制度；运行仪器设备发生故障，使用人应及时报告有关人员，并立即进行检修排除故障；经检修后的仪器交给质保员，质保员应尽快实施对仪器的调试和校准；经维修、调试和校准的仪器入库备用；仪器的故障、维修、调试和校准情况应作记录并归档保存。 备品备件的管理：备品备件应造册登记，每年年初及时向有关部门提出下一年度的备品备件申购目录；建立备品备件领用或借用制度；更换下的关键备品备件应交给备品备件管理人员。 标准物品管理：标准物品使用应作记录；用完后的标准物品应交给标准物品管理人员统一处理；标准物品过有效

26、期后，及时交给质保人员做追踪标定，并在标准物品的容器标签追踪标定的日期和重新标定后的浓度和不确定度等；不用的渗透管应保存在干燥且密封的容器中，并置于冰箱(约5)低温保存；气体钢瓶应置手温度和湿度都适宜的工作环境，且用钢瓶架固定；气体钢瓶装上减压阀后，应首先检漏。置于监测子站中的气体钢瓶，使用人每次应记录减压阀高、低压表头的读数。 (3) 系统维护为了使长期连续自动运行的监测系统保持良好的运行状态，除强调对监测仪器的合理选型，执行严格的质量控制程序，充足的备品备件等为必要的保证条件外；建立系统维护检修制度，有效的预防性维护保养减少故障的发生；及时地针对性检修迅速地排除故障是所需的充分条件，同时也是系统质量保证的重要组成部分。 预防性维护：是指在规定的时间内，对系统