專利名稱：基于低溫濃縮法采樣的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大氣環(huán)境質量測量技術領域，具體涉及一種環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)。
背景技術：
目前在大氣環(huán)境質量測量領域中對大氣中污染氣體，如二氧化氮、二氧化硫、臭氧的測量主要有空氣二氧化氮、二氧化硫、臭氧自動監(jiān)測儀，和長程差分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置。自動監(jiān)測儀在監(jiān)測時，通過采樣管直接將待測氣體抽入到儀器內，使其與某些物質進行化學反應發(fā)光，或用紫外光照射產生熒光或利用紫外吸收原理進行測量。比如二氧化氮分析儀工作時，先將二氧化氮轉化成一氧化氮，再讓一氧化氮與過量的臭氧反應，產生激發(fā)態(tài)的二氧化氮，該激發(fā)態(tài)的二氧化氮很不穩(wěn)定，很快躍遷回基態(tài)，并發(fā)射波長范圍為 600 3000nm的光，根據(jù)測得的發(fā)射光強來確定一氧化氮的濃度，最后由一氧化氮濃度推算出二氧化氮濃度。臭氧分析儀利用紫外吸收法，首先將樣氣通入吸收池，然后用紫外光照射，對比被紫外吸收和沒有紫外吸收的光，可以分析樣氣中臭氧的濃度。二氧化硫是采用紫外熒光法，儀器一般由樣品池、紫外光源、探測器構成，監(jiān)測時，將二氧化硫通入樣品池，然后用波長190 300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光后躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子回到基態(tài)時，發(fā)射出峰值波長在330nm附近的紫外熒光，該熒光強度與二氧化硫濃度呈線性關系，進而再推算出二氧化硫濃度。但這類儀器的不足之處是每種儀器只能測量一種污染氣體，如果要建設一個環(huán)境空氣質量監(jiān)測站，需要多種這類的儀器在一起組成一個監(jiān)測系統(tǒng)，建設成本高，系統(tǒng)復雜，儀器維護工作量大。對于現(xiàn)有的長程差分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置，它是利用氣體分子對某些波長光的特征吸收原理工作的，其工作過程是發(fā)射接/收望遠鏡固定在一端，在距離500m左右的地方放置一角反射鏡，望遠鏡發(fā)射出去的光經(jīng)過大氣傳輸后到達角反射鏡，經(jīng)角反射鏡反射后再被望遠鏡接收，然后通過光纖將光傳輸?shù)焦庾V儀進行分光，光信號由探測器檢測， 并送入計算機進行光譜分析，計算出光路經(jīng)過區(qū)域中污染物的濃度，因為是開放光程進行測量，因此這種技術所面臨的問題是測量時受氣象條件影響較大，如果在霧天，嚴重灰霾天氣，或大雨時，由于大氣能見度降低導致光在大氣中傳輸時衰減較大，返回儀器的光強度太小不足以進行分析，則儀器無法進行工作，導致儀器的工作效率下降，有時一天中儀器無法工作的時間大于正常工作時間。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足之處而提供一種結構簡單、維護方便，而且工作效率高的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)。本發(fā)明所提出的環(huán)境空氣質量測量系統(tǒng)，由低溫濃縮采樣系統(tǒng)和分析系統(tǒng)組成， 其中，所述低溫濃縮采樣系統(tǒng)包括依次相連的干燥管、電子冷阱和低溫冷阱，干燥管與進氣口管路連接；所述分析系統(tǒng)包括光源、樣品池、光譜儀和計算機。從進氣口管路進入的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過干燥管去除水汽，再經(jīng)過電子冷阱進一步去除水汽，然后經(jīng)過低溫冷阱，進行濃縮處理，液化成液體或固化成固體，低溫冷阱溫度設置高于氧氣和氮氣的液化溫度，因此液化或固化后的空氣樣品中不包括氧氣和氮氣，達到濃縮效果；分析系統(tǒng)經(jīng)閥門與低溫濃縮采樣系統(tǒng)連接，經(jīng)過采樣系統(tǒng)濃縮后的氣體，通過連接管路，重新氣化后進入分析系統(tǒng)的樣品池；樣品池由石英玻璃管A、石英玻璃管A兩端的法蘭B和法蘭C組成，法蘭B和法蘭C上分別裝有石英窗片；光源發(fā)出的紫外光通過法蘭B上的窗片進入樣品池內，與樣品池內的目標氣體相互作用，并被其中的一些氣體分子吸收然后通過法蘭C上的窗片進入光譜儀，光譜儀將進入的光進行分光和探測，并將探測到的光譜信號轉化成數(shù)字信號后送入計算機進行分析。光譜分析方法可使用現(xiàn)有的差分光學吸收光譜法進行，由于不是發(fā)明內容， 這里不做過多描述。本發(fā)明提出的技術方案，利用采樣技術將測量氣體抽入儀器，然后用光譜分析方法進行分析，但由于大氣環(huán)境污染氣體濃度較低，因此系統(tǒng)增加了一個濃縮單元，通過濃縮后，進入樣品池的樣氣可以被濃縮2000倍左右，這樣在一個較小的樣品池中就可以分析低濃度的大氣污染氣體。并且可以方便的對儀器進行校準。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明使用濃縮采樣裝置對樣氣進行濃縮，使得系統(tǒng)能夠在很小的樣品池內對較低濃度的大氣環(huán)境污染氣體進行測量，同時由于采用了寬帶吸收光譜分析方法，系統(tǒng)能夠對多種大氣污染氣體同時進行分析，由于是采樣，而不是開放光程測量， 因此，大氣能見度對測量的影響完全能夠被消除。本系統(tǒng)集成程度高，大大提高了測量效率，提高了儀器的性能價格比，非常適合于對大氣環(huán)境多種污染物(包括環(huán)境空氣中的二氧化硫、二氧化氮、臭氧、氨、甲醛以及部分苯系物)進行連續(xù)、實時、在線測量。


圖1是本發(fā)明的一種基本結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步描述本發(fā)明。根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)主要包括兩部分，在圖的上半部分是濃縮采樣系統(tǒng)部分，包括去除樣氣中水汽用的干燥管和電子冷阱(0°c)，用于濃縮樣氣用的低溫冷阱(如為-120°C)，升降裝置(用于提升控制低溫冷阱中的采樣管高度)，以及抽氣泵1 ；圖的下半部分是分析系統(tǒng)部分，包括可發(fā)射200-400nm紫外光的氘燈光源，樣品池(圖中虛線框內)、光譜儀和計算機，其中樣品池又包括兩端具有石英玻璃窗的內徑6mm的石英管A (或鋼襯石英管)、兩端的法蘭B和法蘭C，在法蘭B上設有樣氣進口和溫度計，在法蘭C上設有樣氣出口和真空表。低溫冷阱與樣品池進口端連接，并且之間設有抽氣泵，樣品池進口端設有真空泵。圖中的V1、V2、V3和V4是控制閥門，其中，Vl設置于電子冷阱和低溫冷阱之間的管路上，V2設置于低溫冷阱與抽氣泵之間的管路上，V3設置于排氣泵與樣品池進口端之間的管路上，V4設置于樣品池出口端與真空泵之間的管路上。系統(tǒng)的所有氣路除在冷阱里使用內徑2mm的鋼襯石英管外，都使用內徑4mm的聚四氟乙烯管以減少管壁吸附。
圖中的光源出發(fā)的箭頭線條表示測量光路。系統(tǒng)的工作過程也分為采樣和分析兩個階段。采樣階段
關閉閥門V3，打開閥門V1、V2和V4，開啟抽氣泵1和真空泵2，升降裝置將濃縮管放入低溫冷阱中，電子冷阱的半導體制冷片加正向電壓，使其冷面與氣路管道相接觸。這時外界空氣通過進氣口后首先通過由內填硅膠干燥劑，兩端有濾網(wǎng)的干燥管初步去除水分和灰塵后進入電子冷阱，由于電子冷阱的溫度設置在0°C左右，因此水汽在這里進一步凝結被去除，去除水分后的樣氣進入低溫冷阱，低溫冷阱溫度控制在-120°C左右，在這里，除氮氣和氧氣以外，空氣中的大多數(shù)微量氣體成分，比如二氧化硫、二氧化氮、臭氧、氨氣、甲醛、部分苯系物等，都會凝結或凝固成液態(tài)或固態(tài)存儲在低溫冷阱中的采樣管里，而仍然處于氣態(tài)的氮氣和氧氣則經(jīng)過閥門V2由排氣1 口排出，整個過程持續(xù)10-15分鐘左右，通過控制流量的方法可使樣氣濃縮2000倍左右。與此同時，真空泵2也開啟，將樣品池中的石英管抽成真空狀態(tài)。分析階段
這時，首先關閉閥門VI、V2和V4，打開閥門V3和光源氘燈，使得采樣部分和分析部分通過閥門V3相連通，提升裝置將低溫冷阱中的采樣管提出冷凍液，利用環(huán)境空氣的溫度， 以及管路和樣品池中的低氣壓，使得采樣管中濃縮的樣氣緩慢氣化，由于樣品池之前已經(jīng)被抽成真空，因此，氣化后的樣氣會被吸入到樣品池中，待樣氣完全氣化后，根據(jù)計算，管路和樣品池中的氣壓仍然低于外界大氣壓，這時可以打開閥門VI，并同時將電子冷阱的半導體制冷片加反向電壓，使得其熱面與管路接觸，起到加熱作用，在外界空氣和加熱共同作用下，電子冷阱內凝結的部分水汽重新氣化成水汽。由于內外氣壓的差別，外界空氣會在外界氣壓的作用下從進氣口進入，將殘留在采樣管中的樣氣壓吹入到樣品池里。不過，由于樣品池中石英管的容積有限，在內外氣壓達到平衡后，采樣管中的樣氣不可能完全進入樣品池， 仍有一部分留在采樣管中，所以，不用擔心由于空氣進入導致樣品池中的樣氣被重新稀釋。當樣品池內外的壓力達到平衡時，便可進行光譜分析測量，也就是光源發(fā)出的紫外光經(jīng)過樣品池(圖1中的光源處出發(fā)的箭頭線條)，被其中的樣氣吸收，不同的氣體對光輻射有不同的吸收，而且，不同濃度的氣體對光輻射的吸收強度也不同，經(jīng)過樣品池吸收的光被引入另一端的光譜儀，經(jīng)過光譜儀的分光和探測后，吸收光譜的數(shù)值信號最后被送入計算機利用差分光學吸收光譜方法進行分析，由于在200-400nm波段范圍內，上述提及到的目標氣體都有吸收，因此，本裝置能夠對上面的目標氣體同時進行多組分測量。根據(jù)采樣量、樣品池內目標氣體濃度測量值、樣品池和管路容積大小以及樣氣氣化完成后外界空氣充入之前樣品池的壓力大小可最后計算出所采空氣樣品在標準狀況下的濃度。測量完成后，對氣路進行簡單沖洗后即可進行下一循環(huán)的測量。
權利要求
1.一種基于低溫濃縮法采樣的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)，其特征在于由低溫濃縮采樣系統(tǒng)和分析系統(tǒng)組成，其中，所述低溫濃縮采樣系統(tǒng)包括依次相連的干燥管、電子冷阱和低溫冷阱，干燥管與進氣口管路連接；所述分析系統(tǒng)包括光源、樣品池、光譜儀和計算機；從進氣口管路進入的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過干燥管去除水汽，再經(jīng)過電子冷阱進一步去除水汽，然后經(jīng)過低溫冷阱，進行濃縮處理，液化成液體或固化成固體，低溫冷阱溫度設置高于氧氣和氮氣的液化溫度，液化或固化后的空氣樣品中不包括氧氣和氮氣，達到濃縮效果；分析系統(tǒng)經(jīng)閥門與低溫濃縮采樣系統(tǒng)連接，經(jīng)過采樣系統(tǒng)濃縮后的氣體，通過連接管路，重新氣化后進入分析系統(tǒng)的樣品池；樣品池由石英玻璃管A、石英玻璃管A兩端的法蘭 B和法蘭C組成，法蘭B和法蘭C上分別裝有石英窗片；光源發(fā)出的紫外光通過法蘭B上的窗片進入樣品池內，與樣品池內的目標氣體相互作用，并被其中的一些氣體分子吸收然后通過法蘭C上的窗片進入光譜儀，光譜儀將進入的光進行分光和探測，并將探測到的光譜信號轉化成數(shù)字信號后送入計算機進行分析。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于低溫濃縮法采樣的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源采用可發(fā)射200-400nm紫外光的氘燈光源。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于低溫濃縮法采樣的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)，其特征在于在電子冷阱和低溫冷阱之間的管路上設置有控制閥門VI，在低溫冷阱與排氣泵之間的管路上設置有控制閥門V2，在排氣泵與樣品池進口端之間的管路上設置有控制閥門 V3，在樣品池出口端與真空泵之間的管路上設置有控制閥門V4。
全文摘要
本發(fā)明屬于大氣環(huán)境質量測量技術領域，具體為一種基于低溫濃縮法采樣的環(huán)境空氣質量在線自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由低溫濃縮采樣系統(tǒng)和分析系統(tǒng)組成，其中，低溫濃縮采樣系統(tǒng)包括依次相連的干燥管、電子冷阱和低溫冷阱，干燥管與進氣口管路連接，用于對環(huán)境空氣樣品去除水汽和低溫濃縮；分析系統(tǒng)包括光源、樣品池、光譜儀和計算機；分析系統(tǒng)對采樣系統(tǒng)濃縮后的氣體，通過光源發(fā)出的紫外光作用，由光譜儀進行分光和探測，再由計算機進行分析。本系統(tǒng)集成程度高，測量效率高，非常適合于對大氣環(huán)境多種污染物(包括環(huán)境空氣中的二氧化硫、二氧化氮、臭氧、氨、甲醛以及部分苯系物)進行連續(xù)、實時、在線測量。
文檔編號G01N1/24GK102410986SQ20111022692
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權日2011年8月9日
發(fā)明者周斌, 王珊珊 申請人:復旦大學