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摘要：大气自动监测系统大致可分为自动测试，无线、有线数传通讯和计算机处理、控制、管理三个部份。大气自动监测系统一般进行二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、总悬浮微粒（TSP）、硫化氢（H2S）、碳氢化合物（HC）、臭氧（O3）以及风向（WD）、风速（WS）、气温（T）、气压（P）、相对湿度（RH）、雨量（RG）、日照度等项目的连续自动监测和控制管理。本文主要阐述大气自动监测系统在建设过程中所遇到的技术问题进行了探讨。对其中的关键技术，如采样点的分布、样品采集、数据采集、传输通讯、数据处理、系统控制和管理等进行了论述。
1 大气自动监测系统采样点的分布
随污染地区的面积，污染源的种类及规模、地形地势及气象条件的不同，大气污染的状况也不同。监测点的选定，同监测仪器的选择和污染物分析具有同等重要的地位，如果选择不当，会使所得数据价值不大，并会对以后多年的工作都有影响。
大气自动监测系统采样点的分布，除布点的一般原则（如避免局部污染、高大建筑物的影响等）之外，还可在污染源较分散的情况下，采用方格式坐标平均布点和功能区布点，上述这些布点方法从污染的扩散变化规律来说，都是比较简单的方法，比较全面科学的方法，应该进行风洞模拟试验。大气扩散风洞模拟试验可模拟春、夏、秋、冬自然气候，包括气温气压、风向、风速、湿度、地形地貌、建筑物、高山、大海、湖泊等，然后将污染源设置在实际地点，调节污染源排放浓度，进行排放，同时进行全面的测试，计算确定污染物最大落地地点，进行监测点的设置。也可以根据大气稳定度、地面风速、常年风向频率、太阳辐射强度、污染源高度等因子，代入大气扩散规律方程进行计算，依据计算结果进行布点。
2 大气自动监测系统的样品采集
大气自动监测系统空气采样必须经过颗粒物过滤和发生干扰物质的分离，否则，就会损坏自动测试仪器和影响测试精度。
空气在太阳光照时下，空气中的某些污染物质在不停地发生光化学反应，当空气被抽入光线较暗的采样管道中，有些光化學反应停止，而且向可逆方向进行。因为大气自动监测要求所得数据为实时数据，这样就要求空气样品在管道中和仪器中停留时间必须很短，所以采样系统要满足实时要求，测试方法原理必须是瞬时完成，否则就会影响测试准确度。空气在测试仪器内停留时间应小于几秒钟，甚至更小。假定一台仪器进行正常蒸试需要120mL/min空气，进口管的内径为6mm ，停留时间为ls ，采样管道不得超过7cm ，如果进口管内径为3mm，采样管道可延长到28cm。另外，抽气泵的功率要比计算要大些，以免增长停留时间。如果进口管内径为3cm ，主泵流量应为15L /s ，停留时间最大为0.2s，再接每一仪器的分管到主采样管上，虽然增加了停留时间，也不过是几秒钟。
3 大气自动监测系统所需要的测试仪器
自动监测无人操作，空气采样，分析测试组装在一起，数据通过电话线，或者电传和无线通讯送到监测中心主计算机。
由于这些仪器用于大气自动监测，所以它和实验室仪器有所区别，实验室仪器的采样和分析均为手动，自动监测仪器采用的分析技术比实验室仪器在响应速度、选择性和灵敏度几个方面要更有特点，另外，因为自动监测仪器工作周期长，不需维护能连续工作几个月，需要很好的稳定性，而且不用化学试剂。
( l ）测试响应速度
在实验室分析时间不很重要，采样时间和分析时间也可不一致，然而，自动监测仪器的分析响应时间一定要求瞬时完成，因为污染物浓度变化速度相当迅速，响应时间只要几秒钟。一种污染物浓度迅速降低，而另一种污染物浓度增加，决定于风向的相关性，自动监测仪器要跟上这种变化速度，如果响应时间较慢就会把有些特殊的数据丢失了，或者就不是实时数据。
( 2 ）自动监测仪器的准确度
在实验室样品可分成几份，根据分析程序，经多点标准比较分析。在自动监测系统，特殊的重复测定是不可能的，因为空气中污染物在连续变化，数据的统计处理基于成功的测量。
( 3 ）选择性和灵敏度
空气中污染物浓度一般很低，只有几个到几十个ppb 。自动监测仪器设计要求既要消除干扰、又要准确灵敏。因为仪器的体积越小越能满足实时要求，但因进样仍小，所以方法灵敏度必须很高。
4 自动监测仪器的校正
自动监测仪器必须经过校正，校正的频率决定于仪器本身的稳定程度。校正信号也被送到中心主计算机存贮起来，可作为测量信号的内标信号。
自动监测仪器的校正是通过动态校正仪进行校正，所有自动监测仪器接到校正仪的电磁阀出口端，校正仪的进口电磁阀上接标准气体和零空气，标准气体和零空气通过质量流量计，调整质量流量计上电压就可控制通过流量计气体的量，配制系列标准气体，供校正仪器使用。另外有些气体（比如SO2、NO）也可用渗透管作为标气源。渗透管是一种很短的聚四氟乙烯管，里面装有某种液态气体，管口用一种特殊的钢片或聚四氟乙烯帽封住，将这种渗透管装在一个恒温罩里，管内的气体受温度的影响，从封口钢片或聚四氟乙烯帽的位置往外渗透，让零空气以恒定流量通过恒温罩，这种气体在恒定的温度条件下以恒定的渗透速度扩散出来，作为这种气体的校正气体。所有气路与校正仪接好之后，子站微计算机与校正仪电路联接，子站微计算机控制校正仪进行定时校正、检查零点、线性关系，使自动监测仪器经常处于正常工作状态，获得可靠准确的监测数据。
5 大气自动监测系统数传通讯
大气自动监测系统数传通讯是进行数据传输，所以采几时分制（TDM) ，一般情况下用半双工通讯。
数据通信系统由数据传输和数据处理两大部份组成，其基本结构是终端设备，数据传输线路（无线、有线均可），通信控制设备和计算机数据处理设备，即数据通信系统的四大要素。
数据传输中数字用二进制码，与时分制 (TDM）相结合有其很大特点，因为数字通信依靠脉冲串的模式完成信息的传输和交换，脉冲串在时间上是不连续的，而且都限制在一定幅度的离散值以内，任一个取样脉冲按照信息幅度进行相应的量化，均以八个比特形成编码。另外脉冲的有、无或正、负代表“ l ”，和“0”两个数码，严格按照二进制的机理进行编码，因此，凡在传输中发生的衰耗、叠加的杂波和出现的畸变等，只要再生器能进行简单的门限判决，确定输入脉冲是， “1”或“ 0 ’’，即能再生新的标准的脉冲流排除传输中的衰耗和杂波。因此，数字通信的传输质量儿乎与距离无关。数字通信技术是把模拟化了的连续信号，经过抽样、量化、编码三个步骤交换成为脉冲形式的数字信号，把这种数字信号经调制解调器，将二进制数字调制于载波，通过把信号传输到环境监测中心，同样地，经过传输地载波信号也不能直接被接收设备接收，而要把载波信号解调成数字信号，再交给数据处理部份进行处理。
大气自动监测系统的数据传输一定要可靠合乎数传通讯误码率叹求，模／数转换精度一般是比较精确的，转换误差小于万分之一。另外，数据的实时性，大容量存贮，就要求主计算机有较强的中断处理功能，多道并行处理功能，动态存贮分配功能，分时处理以及存贮保证功能和高速运算功能，并配有磁带，软、硬磁盘等，为了保证系统的可靠性，应采用双机系统。
6大气自动监测数据处理和管理
大气自动监测数据处理系统必须有以下几个方面的功能，有效的数据和它们的相互关系，特定的采样次数和数据格式，数据的准确度和它们代表的意义， 测量浓度的观察和数据的实时显示，也要有实时统计和对数据进行评价分析，数据的统计计算、校正和研究。
中心主计算机要进行各自动监测子站传送来的测量数据的接收、处理和存贮，做出空气污染监测的分析报告和有害物质的浓度显示，对整个监测网进行功能控制，超过规定极限时自动报警，自动报告通讯线路的工作情况，向所属各自动监测子站的计算机发出指令，进行子站数据检索、校准仪器和判断监测仪器故障等。其控制系统备有时间程序，数据传递程序、存贮程序、拉制系統监测程序以及解析和显示程序、数据格式、绘图程序等。
系统采用通讯手段和计算机管理将所监测的实时数据及时报告生产调度和管理部门，使之了解厂区大气污染状况，以便采取措施控制污染。同时计算机还储存着污染信息，污染标准值，上级部门下达的重要环保治理、管理指令信息，各厂简单的生产状况以及能源消耗和污染状况，进行信息交换。
中心主汁弃机除了上述功能，还有最大污染水平，平均污染频率分布，并指明与哪些因素有关，供管理与研究单位做出长期环境治理规划，最终反馈控制污染。
大气自动监测系统软件，简称环境数据管理系统，主要由 COBOL 等语言编制而成。该系统软件进行通讯、建立数据库、文件编辑、控制查询、校正、整理报表、分析频率分布、绘图、警报和数据存贮等。
7大气自动监测系统数据精度讨论
大气自动监测系统是一个综合性的技术系统，系统中环节多，所以每个环节的精度必须控制在一定的范围之内，使所取得的数据对环保工作有指导作用。
所谓系统精度就是整个系统中的误差问题，误差当中最大的误差是监测采样点的分布问题和子站的数量问题，即代表性的问题。根据有关资料说明，如果大气稳定度在不稳定状态，数据置信度在 90％以上，采样精密度在10％以内，采样间隔时间为10min , 子站个数在一定区域内至少要8个，其分布频率标准偏差为0.18 。
如果进行大气扩散规律研究，除了平面分布采样点，还应在垂直方向上进行化学成份和气象参数的测定，掌握大气运动状况以及各种化学污染物质本身的性质和受大气运动所产生的扩散运动状态，进一步建立污染物扩散运动的数学模式，比较全面和正确的描述环境质量和环境污染变化规律。
其次就是样品采集和分析测试过程中所产生的误差。因为某些化学污染物在太阳光的作用下发生光化学反应，如果采样和分析过程时间太长，大气中化学污染物在监测过程中发生变化，所得到的数据就没有真正的代表性。比如，二氧化氮（NO 2）在太阳光作用下和大气中氧（O2）发生下列反应：
当大气样品进入采样管道和分析仪器内，由于太阳光强度降低，一氧化氮（NO) 和臭氧（O3）重新结合生成二氧化氮 ( NO2) ，使一氧化氮浓度变低，其降低的程度为：
从上式中可以看出，其降低程度与样品进入采样管道和仪器中的停留时间有直接关系。所以要得到大气中化学污染物的实时监侧数据必须减小空气在采样管道和仪器中的停留时间，即仪器的死体积要小，采样泵功率要大，那么就要求所采用的分析方法灵敏度很高，而且方法原理必须瞬时完成。一般空气样品进入采样管道和仪器的停留时间小于10s ，才能满足系统的精度要求。分析方法精度与实验仪器相同。
还有模数转换精度，即连续的模拟量转换成相应的数字量，这个误差小于万分之一。
通讯误码率，在一定的区域内，固定传输频率、发射功率、适当的天线高度，排除各种电磁干扰，其准确度很高，误差很小。
数据处理误差在系统的误差当中可以不考虑。根据环境监测数理统计要求，完全可以满足。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看
1 大气自动监测系统采样点的分布
随污染地区的面积，污染源的种类及规模、地形地势及气象条件的不同，大气污染的状况也不同。监测点的选定，同监测仪器的选择和污染物分析具有同等重要的地位，如果选择不当，会使所得数据价值不大，并会对以后多年的工作都有影响。
大气自动监测系统采样点的分布，除布点的一般原则（如避免局部污染、高大建筑物的影响等）之外，还可在污染源较分散的情况下，采用方格式坐标平均布点和功能区布点，上述这些布点方法从污染的扩散变化规律来说，都是比较简单的方法，比较全面科学的方法，应该进行风洞模拟试验。大气扩散风洞模拟试验可模拟春、夏、秋、冬自然气候，包括气温气压、风向、风速、湿度、地形地貌、建筑物、高山、大海、湖泊等，然后将污染源设置在实际地点，调节污染源排放浓度，进行排放，同时进行全面的测试，计算确定污染物最大落地地点，进行监测点的设置。也可以根据大气稳定度、地面风速、常年风向频率、太阳辐射强度、污染源高度等因子，代入大气扩散规律方程进行计算，依据计算结果进行布点。
2 大气自动监测系统的样品采集
大气自动监测系统空气采样必须经过颗粒物过滤和发生干扰物质的分离，否则，就会损坏自动测试仪器和影响测试精度。
空气在太阳光照时下，空气中的某些污染物质在不停地发生光化学反应，当空气被抽入光线较暗的采样管道中，有些光化學反应停止，而且向可逆方向进行。因为大气自动监测要求所得数据为实时数据，这样就要求空气样品在管道中和仪器中停留时间必须很短，所以采样系统要满足实时要求，测试方法原理必须是瞬时完成，否则就会影响测试准确度。空气在测试仪器内停留时间应小于几秒钟，甚至更小。假定一台仪器进行正常蒸试需要120mL/min空气，进口管的内径为6mm ，停留时间为ls ，采样管道不得超过7cm ，如果进口管内径为3mm，采样管道可延长到28cm。另外，抽气泵的功率要比计算要大些，以免增长停留时间。如果进口管内径为3cm ，主泵流量应为15L /s ，停留时间最大为0.2s，再接每一仪器的分管到主采样管上，虽然增加了停留时间，也不过是几秒钟。
3 大气自动监测系统所需要的测试仪器
自动监测无人操作，空气采样，分析测试组装在一起，数据通过电话线，或者电传和无线通讯送到监测中心主计算机。
由于这些仪器用于大气自动监测，所以它和实验室仪器有所区别，实验室仪器的采样和分析均为手动，自动监测仪器采用的分析技术比实验室仪器在响应速度、选择性和灵敏度几个方面要更有特点，另外，因为自动监测仪器工作周期长，不需维护能连续工作几个月，需要很好的稳定性，而且不用化学试剂。
( l ）测试响应速度
在实验室分析时间不很重要，采样时间和分析时间也可不一致，然而，自动监测仪器的分析响应时间一定要求瞬时完成，因为污染物浓度变化速度相当迅速，响应时间只要几秒钟。一种污染物浓度迅速降低，而另一种污染物浓度增加，决定于风向的相关性，自动监测仪器要跟上这种变化速度，如果响应时间较慢就会把有些特殊的数据丢失了，或者就不是实时数据。
( 2 ）自动监测仪器的准确度
在实验室样品可分成几份，根据分析程序，经多点标准比较分析。在自动监测系统，特殊的重复测定是不可能的，因为空气中污染物在连续变化，数据的统计处理基于成功的测量。
( 3 ）选择性和灵敏度
空气中污染物浓度一般很低，只有几个到几十个ppb 。自动监测仪器设计要求既要消除干扰、又要准确灵敏。因为仪器的体积越小越能满足实时要求，但因进样仍小，所以方法灵敏度必须很高。
4 自动监测仪器的校正
自动监测仪器必须经过校正，校正的频率决定于仪器本身的稳定程度。校正信号也被送到中心主计算机存贮起来，可作为测量信号的内标信号。
自动监测仪器的校正是通过动态校正仪进行校正，所有自动监测仪器接到校正仪的电磁阀出口端，校正仪的进口电磁阀上接标准气体和零空气，标准气体和零空气通过质量流量计，调整质量流量计上电压就可控制通过流量计气体的量，配制系列标准气体，供校正仪器使用。另外有些气体（比如SO2、NO）也可用渗透管作为标气源。渗透管是一种很短的聚四氟乙烯管，里面装有某种液态气体，管口用一种特殊的钢片或聚四氟乙烯帽封住，将这种渗透管装在一个恒温罩里，管内的气体受温度的影响，从封口钢片或聚四氟乙烯帽的位置往外渗透，让零空气以恒定流量通过恒温罩，这种气体在恒定的温度条件下以恒定的渗透速度扩散出来，作为这种气体的校正气体。所有气路与校正仪接好之后，子站微计算机与校正仪电路联接，子站微计算机控制校正仪进行定时校正、检查零点、线性关系，使自动监测仪器经常处于正常工作状态，获得可靠准确的监测数据。
5 大气自动监测系统数传通讯
大气自动监测系统数传通讯是进行数据传输，所以采几时分制（TDM) ，一般情况下用半双工通讯。
数据通信系统由数据传输和数据处理两大部份组成，其基本结构是终端设备，数据传输线路（无线、有线均可），通信控制设备和计算机数据处理设备，即数据通信系统的四大要素。
数据传输中数字用二进制码，与时分制 (TDM）相结合有其很大特点，因为数字通信依靠脉冲串的模式完成信息的传输和交换，脉冲串在时间上是不连续的，而且都限制在一定幅度的离散值以内，任一个取样脉冲按照信息幅度进行相应的量化，均以八个比特形成编码。另外脉冲的有、无或正、负代表“ l ”，和“0”两个数码，严格按照二进制的机理进行编码，因此，凡在传输中发生的衰耗、叠加的杂波和出现的畸变等，只要再生器能进行简单的门限判决，确定输入脉冲是， “1”或“ 0 ’’，即能再生新的标准的脉冲流排除传输中的衰耗和杂波。因此，数字通信的传输质量儿乎与距离无关。数字通信技术是把模拟化了的连续信号，经过抽样、量化、编码三个步骤交换成为脉冲形式的数字信号，把这种数字信号经调制解调器，将二进制数字调制于载波，通过把信号传输到环境监测中心，同样地，经过传输地载波信号也不能直接被接收设备接收，而要把载波信号解调成数字信号，再交给数据处理部份进行处理。
大气自动监测系统的数据传输一定要可靠合乎数传通讯误码率叹求，模／数转换精度一般是比较精确的，转换误差小于万分之一。另外，数据的实时性，大容量存贮，就要求主计算机有较强的中断处理功能，多道并行处理功能，动态存贮分配功能，分时处理以及存贮保证功能和高速运算功能，并配有磁带，软、硬磁盘等，为了保证系统的可靠性，应采用双机系统。
6大气自动监测数据处理和管理
大气自动监测数据处理系统必须有以下几个方面的功能，有效的数据和它们的相互关系，特定的采样次数和数据格式，数据的准确度和它们代表的意义， 测量浓度的观察和数据的实时显示，也要有实时统计和对数据进行评价分析，数据的统计计算、校正和研究。
中心主计算机要进行各自动监测子站传送来的测量数据的接收、处理和存贮，做出空气污染监测的分析报告和有害物质的浓度显示，对整个监测网进行功能控制，超过规定极限时自动报警，自动报告通讯线路的工作情况，向所属各自动监测子站的计算机发出指令，进行子站数据检索、校准仪器和判断监测仪器故障等。其控制系统备有时间程序，数据传递程序、存贮程序、拉制系統监测程序以及解析和显示程序、数据格式、绘图程序等。
系统采用通讯手段和计算机管理将所监测的实时数据及时报告生产调度和管理部门，使之了解厂区大气污染状况，以便采取措施控制污染。同时计算机还储存着污染信息，污染标准值，上级部门下达的重要环保治理、管理指令信息，各厂简单的生产状况以及能源消耗和污染状况，进行信息交换。
中心主汁弃机除了上述功能，还有最大污染水平，平均污染频率分布，并指明与哪些因素有关，供管理与研究单位做出长期环境治理规划，最终反馈控制污染。
大气自动监测系统软件，简称环境数据管理系统，主要由 COBOL 等语言编制而成。该系统软件进行通讯、建立数据库、文件编辑、控制查询、校正、整理报表、分析频率分布、绘图、警报和数据存贮等。
7大气自动监测系统数据精度讨论
大气自动监测系统是一个综合性的技术系统，系统中环节多，所以每个环节的精度必须控制在一定的范围之内，使所取得的数据对环保工作有指导作用。
所谓系统精度就是整个系统中的误差问题，误差当中最大的误差是监测采样点的分布问题和子站的数量问题，即代表性的问题。根据有关资料说明，如果大气稳定度在不稳定状态，数据置信度在 90％以上，采样精密度在10％以内，采样间隔时间为10min , 子站个数在一定区域内至少要8个，其分布频率标准偏差为0.18 。
如果进行大气扩散规律研究，除了平面分布采样点，还应在垂直方向上进行化学成份和气象参数的测定，掌握大气运动状况以及各种化学污染物质本身的性质和受大气运动所产生的扩散运动状态，进一步建立污染物扩散运动的数学模式，比较全面和正确的描述环境质量和环境污染变化规律。
其次就是样品采集和分析测试过程中所产生的误差。因为某些化学污染物在太阳光的作用下发生光化学反应，如果采样和分析过程时间太长，大气中化学污染物在监测过程中发生变化，所得到的数据就没有真正的代表性。比如，二氧化氮（NO 2）在太阳光作用下和大气中氧（O2）发生下列反应：
当大气样品进入采样管道和分析仪器内，由于太阳光强度降低，一氧化氮（NO) 和臭氧（O3）重新结合生成二氧化氮 ( NO2) ，使一氧化氮浓度变低，其降低的程度为：
从上式中可以看出，其降低程度与样品进入采样管道和仪器中的停留时间有直接关系。所以要得到大气中化学污染物的实时监侧数据必须减小空气在采样管道和仪器中的停留时间，即仪器的死体积要小，采样泵功率要大，那么就要求所采用的分析方法灵敏度很高，而且方法原理必须瞬时完成。一般空气样品进入采样管道和仪器的停留时间小于10s ，才能满足系统的精度要求。分析方法精度与实验仪器相同。
还有模数转换精度，即连续的模拟量转换成相应的数字量，这个误差小于万分之一。
通讯误码率，在一定的区域内，固定传输频率、发射功率、适当的天线高度，排除各种电磁干扰，其准确度很高，误差很小。
数据处理误差在系统的误差当中可以不考虑。根据环境监测数理统计要求，完全可以满足。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看