T∕ACEF 081-2023 固定翼通用航空平台大气颗粒物航空原位测量技术指南.pdf

团团体体标标准准T/ACEF0812023固定翼通用航空平台大气颗粒物航空原位测量技术指南Fixedwing general aviation platformsTechnical guidance for airbornein-situ measurement of atmospheric particulatematters2023-05-31 发布2023-06-01 实施ICS:13.040.20CCS:Z10中 华 环 保 联 合 会发 布学兔兔 标准下载T/ACEF0812023I目次前言.II1范围.12规范性引用文件.13术语和定义.14系统组成与方法功能.35技术内容.56质量保证与质量控制.12参考文献.14学兔兔 标准下载T/ACEF0812023II前言本文件按照 GB/T1.1-2020标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华环保联合会提出并归口。本文件起草单位：浙江大学、北京市人工影响天气中心、北京大学、中国科学院合肥物质科学研究院、哈尔滨工业大学、中国地质大学（武汉）。本文件主要起草人：刘丹彤，吴杨周，赵德龙，田平，黄梦宇，周嵬，李思遠，胡康，丁朔，程远，盛久江，王飞，燕莹莹，肖伟，杜远谋，吴志军，王薇，李少萌，丁德平。学兔兔 标准下载T/ACEF08120231固定翼通用航空平台大气颗粒物航空原位测量技术指南1范围范围本文件提供了固定翼通用航空平台大气颗粒物航空原位测量系统组成与方法功能、技术内容、质量保证与质量控制的指导。本文件适用于固定翼通用航空平台上采用航空原位测量方法对大气颗粒物的高空观测，也可用于大气颗粒物航空原位测量系统的设计、改装、集成、检测和应用。注：本文件航空原位测量系统的固定翼通用航空平台不包含无人驾驶飞机。2规范性引用文件规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB 3095-2012 环境空气质量标准GB 4793.1-2007 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第 1 部分：通用要求GB 17799.3-2012 电磁兼容通用标准居住、商业和轻工业环境中的发射GB/T 17799.1-2017 电磁兼容通用标准居住、商业和轻工业环境中的抗扰度GB/T 18268.1-2010 测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求第 1 部分：通用要求GBT 30203-2013 飞机电气系统特性GB/T 31159-2014 大气气溶胶观测术语GJB 150.18A-2009 军用装备实验室环境试验方法第 18 部分：冲击试验HB 6167.6-2014 民用飞机机载设备环境条件和试验方法第 6 部分：振动试验QX/T 505-2019 人工影响天气作业飞机通用技术要求MH/T 1075-2020 飞机增雨作业安全规范3术语和定义术语和定义下列术语和定义适用于本文件。学兔兔 标准下载T/ACEF081202323.1大气颗粒物大气颗粒物 particulatematter,PM悬浮在大气中的固体和液体微粒。注：空气动力学当量直径小于等于 10m 的颗粒物称为 PM10，空气动力学当量直径小于等于 2.5m 的颗粒物称为 PM2.5，空气动力学当量直径小于等于 1m 的颗粒物称为 PM1。来源：GB 3095-2012，3.3，3.4，GB/T 31159-2014，2.2，有修改3.2固定翼通用航空平台固定翼通用航空平台 fixed wing general aviation platforms指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的航空器。来源：QX/T 505-2019，3.1，有修改3.3大气观测作业飞机大气观测作业飞机 aircraft for atmospheric measurement指搭载大气在线测量设备和离线采样装置，执行空中大气化学、大气物理等观测任务的固定翼通用航空平台。3.4质量闭合质量闭合 closure of mass concentration飞机舱内和舱外测量的相同粒径范围大气颗粒物质量浓度一致。3.5光学闭合光学闭合 closure of opticalproperties飞机舱内和舱外测量的颗粒物光学特性结果一致。3.6粒径分布闭合粒径分布闭合 closure of particlesizedistribution飞机舱内和舱外测量的颗粒物粒径谱分布一致。3.7等速采样器等速采样器 isokinetic samplingequipment安装在机舱外，根据实时飞机空速动态匹配颗粒物采样速率的装置。3.8控压进样器控压进样器 pressure-controlled samplingequipment飞行过程中稳定仪器进气口压力的装置。学兔兔 标准下载T/ACEF081202334系统组成与方法功能系统组成与方法功能4.1 通则通则4.1.1 测量系统测量系统是利用大气观测作业飞机搭载大气颗粒物航空机载监测仪器，执行空中大气化学、大气物理等在线观测任务，完成样品收集、分析和数据采集、处理与储存的集成装置。4.1.2 测量过程测量过程是在大气观测作业飞机上采用大气颗粒物航空机载监测仪器对大气颗粒物进行连续地样品采集、处理、分析的过程，以及在飞行过程中使用采样裝置收集一定时段的大气样品，并将采集的样品在实验室进行后续处理、分析的过程。4.2 系统组成系统组成大气颗粒物航空原位测量系统由大气观测作业飞机、等速采样器、大气颗粒物进样系统、大气颗粒物航空机载测量系统、控压和流量分流系统、标定校准系统及数据采集、存储和处理系统组成。其中：a)大气观测作业飞机平台由固定翼飞机（经过改造的适合大气颗粒物观测的飞机）、网络通信模块、供电模块、环境控制模块、辅助集成模块组成；b)大气颗粒物进样系统由舱外大气颗粒物等速采样头、舱内多支路大气颗粒物管路和废气排气口组成；c)大气颗粒物航空测量系统由大气颗粒物在线测量仪器组成，包括但不限于被动腔气溶胶谱探头、颗粒物数谱仪、高分辨率气溶胶质谱仪、单颗粒黑碳光度计、积分浊度计、黑碳仪等设备；d)控压和流量分流系统由控压进样器和流量分流装置组成；e)标定校准系统由标准气体、标准物和校准仪器组成；f)数据采集、存储和处理系统由数据采集模块、数据储存模块、数据传输模块和数据处理模块组成。4.3 方法功能方法功能学兔兔 标准下载T/ACEF081202344.3.1 大气观测作业飞机大气观测作业飞机大气观测作业飞机能够根据观测任务需要，搭载特定组合的大气颗粒物航空机载监测仪器和作业人员实施航空测量，可满足观测任务的通信传输、设备供电、作业环境、操作安全等需求。4.3.2 等速采样器等速采样器等速采样器适应飞机飞行速度范围是 40-100 m/s。采样头和飞机机头位置平行并正对前方，并配置加热系统，防止飞机穿过冷云时冻结。合理控制采样头位置与机身距离，确保采样气流不受机身影响。4.3.3 大气颗粒物进样系统大气颗粒物进样系统多台（套）大气颗粒物监测仪器共用一套多支路颗粒物进样系统，将舱外大气引入并进行在线测定或离线样品收集。4.3.4 大气颗粒物航空机载测量系统大气颗粒物航空机载测量系统用于测量大气颗粒物物理特性、化学特性及光学特性的推荐分析方法见表 1。表 1 大气颗粒物航空测量系统推荐分析方法测量参数推荐分析方法颗粒物数浓度和粒径分布单颗粒散射强度测量法、颗粒物电迁移率方法颗粒物光学散射系数散射系数积分测量法非难熔亚微米颗粒物质量浓度电子轰击电离和质谱分析法黑碳颗粒物质量和数浓度激光白炽法颗粒物光学吸收系数颗粒物透光率测量法4.3.5 控压和流量分流系统控压和流量分流系统控压进样的作用是在不同飞行高度条件下保持仪器进气口压力恒定，实现不同高度下采集效率的一致性。流量分流是针对各仪器流量对气路合理分配降低颗粒物在管路中的损失。4.3.6 标定校准系统标定校准系统标定校准系统用于能够对对大气颗粒物航空机载监测仪器进行标定和校准。4.3.7 数据采集、存储和处理系统数据采集、存储和处理系统数据采集、存储和处理系统用于采集大气颗粒物航空机载监测系统测量得到的数据，能学兔兔 标准下载T/ACEF08120235够按指令实现数据的本地存储和数据及相关信息的实时处理。5技术内容技术内容5.1 大气观测作业飞机大气观测作业飞机5.1.1 固定翼飞机固定翼飞机固定翼飞机符合 MH/T 1075-2020 中 4.3 规定的相关内容和 QX/T 505-2019 中 5、6.1、7.1 规定的相关内容。增压舱和非增压舱飞机的采样气路分别设计。对于增压舱，颗粒物采样管路连通外界大气，充分保证采样管路气密性对舱内压力无影响，机身可安装等速采样器和废气排出口。5.1.2 网络通信模块网络通信模块网络通信模块满足以下技术内容：a)具备飞机内部、飞机和地面之间的文本、语音、图像、视频、数据文件等信息传输和交互功能；b)飞机能够向地面实时传输飞机定位、飞行姿态、气态污染物航空机载监测仪器测量数据和工作状态等信息；c)具备地面向飞机实时传输卫星、雷达图像、飞行航线规划以及天气模式产品等功能。5.1.3 供电模块供电模块符合 GBT 30203-2013 的规定。满足大气观测作业飞机满负荷搭载的所有仪器设备正常用电的需求，加装 28V 转 110V和 220V 的逆变器，并配备 UPS 不间断电源，保证仪器不断电，并有冗余，供电性能符合以下内容：a)总功率：不小于 5 kW；b)电压有两种：110 V 和 220 V。5.1.4 环境控制模块环境控制模块满足大气观测作业飞机所搭载仪器设备正常使用所需的下列内容：a)增压舱内温度：1530；非增压舱飞机温度：030；b)机舱内相对湿度：85%；学兔兔 标准下载T/ACEF08120236c)气压：增压舱 6080 kPa，非增压舱 60106 kPa；d)废气排气：机舱设置有仪器废气排出口，确保排出的废气不影响工作人员的健康和各仪器的测量结果。5.1.5 辅助集成模块辅助集成模块飞机配备有飞行管理和导航系统，可以连续地记录导航和气象资料，可获得下列数据：a)定位导航信息包括观测时间、飞机位置（经度、纬度、高度）、飞行姿态（俯仰角、滚转角、偏航角）、飞行速度（加速度）等有关数据；b)气象参数信息包括风速、风向、气温、气压、湿度（或水汽混合比）等数据。5.2 大气颗粒物进样系统大气颗粒物进样系统5.2.1 大气颗粒物进样管大气颗粒物进样管大气颗粒物进样管符合以下内容：a)大气颗粒物通过等速采样器进入管路，等速采样器通过实时调节采样气流速度与飞机空速一致，实现对大气颗粒物的高效采集并将颗粒物传输进舱内管路，利用在线仪器测量或离线收集样品；b)等速采样器可采集各粒径段颗粒物，其中对 0.1 m 3.0 m 粒径范围内的颗粒物采样效率大于 90%，可将流量控制在 15 L/min-20 L/min。等速采样器配置加热功能，防止飞机入云有积冰情况下进气口堵塞；c)颗粒物采样管、直通或三通使用内抛光不锈钢材料，采样管路配置流量控制阀和流量计；d)采样管路在符合航空规范前提下安装，并配置气密性检查设备。5.2.2 舱内多支路颗粒物管路舱内多支路颗粒物管路舱内多支路颗粒物管路为连接颗粒物等速采样头与各测量仪器的采样支管，满足以下内容：a)颗粒物采样管路前使用干燥管控制相对湿度；b)管路使用内抛光不锈钢材料制不锈钢采样管、三通和直通；c)颗粒物管路内的气流保持层流状态，气流在管路内的滞留时间小于 20s；d)测量仪器与支管接头连接的管路选用不与被监测污染物发生化学反应和不释放有干扰物质的材料，长度不超过 3m；学兔兔 标准下载T/ACEF08120237e)受压力变化影响的颗粒物仪器，配置稳压装置；f)配置流量计监测各支路流量稳定，并配置调节阀和泵控制管路流量。5.3 大气颗粒物航空测量系统大气颗粒物航空测量系统5.3.1 仪器外观仪器外观仪器外观满足以下内容：a)大气颗粒物航空测量系统各监测仪器具有产品铭牌，铭牌上标有仪器名称、型号、生产单位、出厂编号和制造日期等信息；b)测量各监测仪器的表面完好无损，无明显缺陷，各零部件连接可靠，各操作键、按钮灵活有效；c)各监测仪器的主机面板显示清晰，字符、标识易于识别。5.3.2 环境适应性环境适应性大气颗粒物航空测量系统的各监测仪器能够在以下条件中正常工作：a)使用环境：飞机舱内；b)温度：040；c)相对湿度：85%；d)气压：60100 kPa；e)海拔高度：0 8000m（增压舱）；0 3600m（非增压舱）；f)供电电压：AC22022V，501Hz；g)振动：满足 HB6167.6-2014 中 6.1 的相关规定；h)冲击：满足 GJB 150.18A-2009 的 7.2.1.4 的相关规定。5.3.3 安全性安全性大气颗粒物航空测量系统设置有集成化电源箱，并设有漏电保护装置。安全符合 GB4793.1-2007 中 6 规定的相关内容。在环境温度为 1535，相对湿度85%条件下，仪器电源端子对地或机壳的绝缘电阻不小于 20M；仪器在 1500V(有效值)、50Hz 正弦波电压下持续 lmin 不出现击穿或飞弧现象。5.3.4 仪器性能仪器性能学兔兔 标准下载T/ACEF081202385.3.4.1 被动腔颗粒物探头被动腔颗粒物探头被动腔颗粒物探头满足以下内容：a)基本测量参数：不同粒径颗粒物数浓度；b)粒径测量范围：光学等效直径 0.13.0 m；c)采样频率：0.1 Hz；d)实时采集、显示和存储颗粒物谱分布结果；e)可导出参数：颗粒物数浓度、质量浓度粒径分布、散射系数和后散射系数。5.3.4.2 颗粒物数谱仪颗粒物数谱仪颗粒物数谱仪满足以下内容：a)基本测量参数：颗粒物各粒径下数浓度；b)粒径范围：0.2532 m；c)实时采集、显示和存储颗粒物粒径谱工作状态信息如进气口流量、压力及激光电压等信息；d)实时采集、显示和存储颗粒物谱分布结果；e)可导出参数：质量和体积粒径分布，颗粒物质量浓度。5.3.4.3 高分辨率质谱仪高分辨率质谱仪高分辨率质谱仪满足以下内容：a)基本测量参数：非难熔 PM1（有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯盐）质量浓度和颗粒物质谱；b)最低检出限：3 倍标准差（一分钟积分）；具体为有机物 29 ng/m3、硫酸盐 6 ng/m3、硝酸盐 3 ng/m3、铵盐 58 ng/m3；c)质量分辨率（m/m）：优于 2500；d)核质比范围（m/z）：11200；e)粒径范围：真空空气动力学直径 401000 nm；f)时间分辨率：10 Hz；g)实时采集、显示和存储高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪仪器状态参数，如进气口流量和真空气压等；h)实时采集、显示和存储高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪测量结果如硫酸盐、硝酸盐、有机物、铵盐和氯化物等；i)可导出参数：PM1各成分质量浓度/真空动力学粒径分布、有机物氧碳比、氢碳比学兔兔 标准下载T/ACEF08120239和氮碳比。5.3.4.4 单颗粒黑碳光度计单颗粒黑碳光度计单颗粒黑碳光度计满足以下内容：a)基本测量参数：难熔黑碳质量浓度和数浓度、非黑碳颗粒数浓度；b)数浓度检出限：一个；c)黑碳单颗粒质量检出限：0.3 fg；d)黑碳质量浓度范围：0-100 g/m3；e)数据采集频率：5 Hz；f)仪器可实时采集、显示和存储读取黑碳光度计的仪器状态参数如样气流量、激光电压等；g)可导出参数：难熔黑碳粒径分布、黑碳被包裹粒径分布和黑碳混合态。5.3.4.5 积分浊度计积分浊度计积分浊度计满足以下内容：a)基本测量参数：测定总散射系数和后向散射系数（可选 3 波长：450nm 蓝色、525nm绿色、635nm 红色）；b)测量范围：0.252000Mm-1；c)检测下限：0.3 Mm-1（60s 积分时间）；0.1 Mm-1（60s 积分时间）；d)采样频率：1Hz；e)实时采集、显示和存储积分浊度计工作状态信息如进气口温度、湿度和压力等信息；f)实时采集、显示和存储积分浊度计测量 450、525 和 650 nm 处的总散射系数和后向散射系数；g)可导出参数：后向散射比，散射波长指数和不对称因子。5.3.4.6 黑碳仪黑碳仪黑碳仪满足以下内容：a)基本测量参数：不同波长下颗粒物吸收系数；b)实时采集、显示和存储黑碳仪工作状态信息如仪器流量、腔室压力、腔室温度、相对湿度，光源状态和漏气检查等；c)实时采集和存储不同飞行高度下的黑碳仪零点测试（进气口前加高效过滤器）结果；d)可导出参数：不同波长下颗粒物吸收系数和实际黑碳质量浓度结果。学兔兔 标准下载T/ACEF0812023105.3.5 仪器安装仪器安装5.3.5.1 结构和外观结构和外观大气颗粒物航空测量系统的安装结构和外观满足以下内容：a)大气颗粒物航空测量系统的安装结构与外观满足以下技术内容：大气颗粒物航空测量系统所包含仪器的种类和数量需要与飞机上搭载的其他仪器设备统筹考虑，固定在定制的航空架上，合理配置飞机重心满足适航规定；b)固定大气颗粒物航空测量系统仪器的航空架须采用满足航空规范的材料，定制化设计，能够将测量仪器牢固地固定在飞机固定卡槽上；c)航空架与飞机固定卡槽的连接处设置有减振、隔振设施；d)舱内测量系统布局突出可操作性，各仪器的安装位置不对观测数据产生影响；e)航空架焊接牢固，结构件安装可靠，紧固件无松动，测量仪器与飞机机体无直接接触。f)各测量仪器的标识、说明清晰完整。5.3.5.2 安全性安全性大气颗粒物航空测量系统的安装的安全性满足以下内容：a)系统结构有足够的强度和刚度，在满载荷下没有影响工作的弹性变形；在设计极限载荷下不损坏；b)系统所使用线缆连接接口具备防插错功能；c)电源线缆及信号线缆等接口确保稳定可靠连接，可采用螺纹旋紧或卡扣紧固的接口。5.3.6 维护性维护性大气颗粒物航空机载监测仪器的各部件便于检查和和维护，宜选用国内或国际标准规格的部件、接口，系统部件易于更换。5.3.7 电磁兼容性电磁兼容性大气颗粒物航空机载监测仪器具备电磁兼容性，满足 GB/T 18268.1 的 5 电磁兼容试验方案的相关规定。5.4 控压和流量分流系统控压和流量分流系统控压和流量分流系统满足以下内容：a)采样管路前端加装除湿系统，控制相对湿度小于 40%；学兔兔 标准下载T/ACEF081202311b)受压力影响的测量仪器（如在线气溶胶质谱和浊度计等）加装控压进样器，控压进样器利用缓冲室、限流孔和真空泵等部件恒定采样压力；c)利用流量分流减少因流量不平衡和直角弯头造成的采样损失；d)采样管路加装流量计实时监测管路流量，结合控制阀和真空泵，调节管路气流流量平衡；e)采样管路设计气密性检测接口，结合漏气检查设备对采样管路分段检测漏气。5.5 标定校准系统标定校准系统大气颗粒物航空机载监测仪器系统校准满足以下技术内容：a)被动腔气溶胶谱探头采用聚苯乙烯乳胶球进行校准，其复折射指数为 1.58+0i；b)积分浊度计用无尘空气做零气标定；c)黑碳仪校准流量；d)高分辨率气溶胶质谱仪校准采样流量、采集效率、离子化效率和相对离子化效率；e)单颗粒黑碳光度计标准激光强度、散射信号和白炽信号。5.6 数据采集、存储和处理系统数据采集、存储和处理系统5.6.1 数据采集数据采集提供人机交互界面，实现对大气颗粒物航空测量系统的集中监控，以及对数据信息的采集、显示、存储和回放及分析处理。5.6.2 数据存储数据存储数据存储符合以下内容：a)舱内仪器数据存储容量：不少于能存储 5 小时有效观测数据的存储；b)数据传输和处理单元存储容量：满足 3 个月有效观测数据的存储；c)具备查询历史数据的功能。5.6.3 数据处理数据处理数据处理符合以下内容：a)能够显示和设置系统时间，统一各仪器的时间，具备时间标签功能；b)能够显示仪器的工作状态等参数信息；c)显示气象卫星、雷达、数值模式等图像产品并能叠加飞机位置等信息；学兔兔 标准下载T/ACEF081202312d)数据输出类型可包括报文、数据库和图形产品。5.6.4 电磁兼容性电磁兼容性数据采集、存储和处理系统具有电磁兼容能力，对其它电子设备不产生干扰。电磁兼容发射标准符合 GB 17799.3-2012 的规定，电磁兼容抗扰度标准符合 GB/T 17799.1-2017 的规定。6质量保证与质量控制质量保证与质量控制6.1 系统装置质量保证与质量控制系统装置质量保证与质量控制每次航空在线观测前检查大气颗粒物航空原位测量系统的各装置，全部检查合格后可进行航测，包括以下内容：a)按工作需求检查系统配置的各类仪器设备的类别和数量；b)目测系统的外观，满足 5.3.1 的内容；c)实际操作检查部件连接是否齐全可靠，满足 5.3.5 的内容；d)实际操作检查系统的安装情况满足 5.3.5 的内容；e)检查大气颗粒物进样和排气是否正常；检查仪器测量性能的可靠性和稳定性；检查仪器流量的准确性和稳定性；检查远程数据通讯与传输稳定性；f)每次航测飞行前仪器满足预热规定；g)单颗粒黑碳光度计每次起飞前校准激光强度，每周用标准石墨黑碳校准白炽光信号；h)积分浊度计清洁用无尘纸和温水清洁遮光罩并干燥；i)颗粒物数谱仪清洁用氮气清洗进气和鞘气管路；j)高分辨率气溶胶质谱仪在每次起飞和降落时进行离子化效率校准；k)仪器配备的干燥剂等每周检查，及时更换；l)采样总管每年至少清洁 1 次，每次清洁后，应进行检漏测试；m)采样支管每半年至少清洁 1 次，更换采样支管和仪器气路，并进行气密性检査。6.2 测量数据质量保证与质量控制测量数据质量保证与质量控制每次航空在线观测过程中和观测完成后及时检查各仪器的测量数据，包括以下内容：a)原始数据检查和备份。检查各测量参数的原始数据并存储，检查原始数据是否存在学兔兔 标准下载T/ACEF081202313异常，判断该数据是否可用；b)检查各测量仪器的时间同步；c)检查各测量参数的时间序列波动变化是否合理；机舱内外仪器的测量结果是否一致和闭合；检查测量时间分辨率、流量控制是否满足规定；检查数据传输有无重复或者丢失；检查数据文档等文件的编号记录完整性；d)剔除飞行过程中仪器流量波动大于 10%数据；e)光学闭合校验：在同一波长下由积分浊度计测量的大气颗粒物散射系数，与由颗粒物数谱仪计算得到的颗粒物散射系数在 10%误差范围内保持一致；f)同一波长下，由黑碳仪测量获得的大气吸光性颗粒物的吸收系数，与由单颗粒黑碳光度计计算获得的吸收系数在 10%误差范围内保持一致；g)粒径分布闭合检验：由颗粒物数谱仪测量的粒径分布与舱内仪器获得的颗粒物粒径谱在粒径范围（0.2m 3m）下在 10%误差范围内保持一致；h)质量闭合检验：舱内高分辨率气溶胶质谱仪测量的质量浓度与舱内仪器质量浓度一致，并于舱外颗粒物数谱仪计算的质量浓度在 10%误差范围内保持一致。学兔兔 标准下载T/ACEF081202314参考文献参考文献1GB/T 38517-2020 颗粒生物气溶胶采样和分析通则2GJB 150.16A-2009 军用装备实验室环境试验方法第 16 部分：振动试验3HJ 618-2011 环境空气 PM10和 PM2.5的测定重量法学兔兔 标准下载