CN102410986A - 基于低温浓缩法采样的环境空气质量在线自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于大气环境质量测量技术领域，具体为一种基于低温浓缩法采样的环境空气质量在线自动测量系统。该系统由低温浓缩采样系统和分析系统组成，其中，低温浓缩采样系统包括：依次相连的干燥管、电子冷阱和低温冷阱，干燥管与进气口管路连接，用于对环境空气样品去除水汽和低温浓缩；分析系统包括光源、样品池、光谱仪和计算机；分析系统对采样系统浓缩后的气体，通过光源发出的紫外光作用，由光谱仪进行分光和探测，再由计算机进行分析。本系统集成程度高，测量效率高，非常适合于对大气环境多种污染物（包括环境空气中的二氧化硫、二氧化氮、臭氧、氨、甲醛以及部分苯系物）进行连续、实时、在线测量。

Description

基于低温浓缩法采样的环境空气质量在线自动测量系统

技术领域

本发明属于大气环境质量测量技术领域，具体涉及一种环境空气质量在线自动测量系统。

背景技术

目前在大气环境质量测量领域中对大气中污染气体，如二氧化氮、二氧化硫、臭氧的测量主要有空气二氧化氮、二氧化硫、臭氧自动监测仪，和长程差分吸收光谱气体污染监测装置。

自动监测仪在监测时，通过采样管直接将待测气体抽入到仪器内，使其与某些物质进行化学反应发光，或用紫外光照射产生荧光或利用紫外吸收原理进行测量。比如二氧化氮分析仪工作时，先将二氧化氮转化成一氧化氮，再让一氧化氮与过量的臭氧反应，产生激发态的二氧化氮，该激发态的二氧化氮很不稳定，很快跃迁回基态，并发射波长范围为600～3000nm的光，根据测得的发射光强来确定一氧化氮的浓度，最后由一氧化氮浓度推算出二氧化氮浓度。臭氧分析仪利用紫外吸收法，首先将样气通入吸收池，然后用紫外光照射，对比被紫外吸收和没有紫外吸收的光，可以分析样气中臭氧的浓度。二氧化硫是采用紫外荧光法，仪器一般由样品池、紫外光源、探测器构成，监测时，将二氧化硫通入样品池，然后用波长190～300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光后跃迁至激发态，处于激发态的二氧化硫分子回到基态时，发射出峰值波长在330nm附近的紫外荧光，该荧光强度与二氧化硫浓度呈线性关系，进而再推算出二氧化硫浓度。但这类仪器的不足之处是每种仪器只能测量一种污染气体，如果要建设一个环境空气质量监测站，需要多种这类的仪器在一起组成一个监测系统，建设成本高，系统复杂，仪器维护工作量大。

对于现有的长程差分吸收光谱气体污染监测装置，它是利用气体分子对某些波长光的特征吸收原理工作的，其工作过程是发射接/收望远镜固定在一端，在距离500m左右的地方放置一角反射镜，望远镜发射出去的光经过大气传输后到达角反射镜，经角反射镜反射后再被望远镜接收，然后通过光纤将光传输到光谱仪进行分光，光信号由探测器检测，并送入计算机进行光谱分析，计算出光路经过区域中污染物的浓度，因为是开放光程进行测量，因此这种技术所面临的问题是测量时受气象条件影响较大，如果在雾天，严重灰霾天气，或大雨时，由于大气能见度降低导致光在大气中传输时衰减较大，返回仪器的光强度太小不足以进行分析，则仪器无法进行工作，导致仪器的工作效率下降，有时一天中仪器无法工作的时间大于正常工作时间。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种结构简单、维护方便，而且工作效率高的环境空气质量在线自动测量系统。

本发明所提出的环境空气质量测量系统，由低温浓缩采样系统和分析系统组成，其中，所述低温浓缩采样系统包括：依次相连的干燥管、电子冷阱和低温冷阱，干燥管与进气口管路连接；所述分析系统包括光源、样品池、光谱仪和计算机。从进气口管路进入的环境空气样品经过干燥管去除水汽，再经过电子冷阱进一步去除水汽，然后经过低温冷阱，进行浓缩处理，液化成液体或固化成固体，低温冷阱温度设置高于氧气和氮气的液化温度，因此液化或固化后的空气样品中不包括氧气和氮气，达到浓缩效果；分析系统经阀门与低温浓缩采样系统连接，经过采样系统浓缩后的气体，通过连接管路，重新气化后进入分析系统的样品池；样品池由石英玻璃管A、石英玻璃管A两端的法兰B和法兰C组成，法兰B和法兰C上分别装有石英窗片；光源发出的紫外光通过法兰B上的窗片进入样品池内，与样品池内的目标气体相互作用，并被其中的一些气体分子吸收然后通过法兰C上的窗片进入光谱仪，光谱仪将进入的光进行分光和探测，并将探测到的光谱信号转化成数字信号后送入计算机进行分析。光谱分析方法可使用现有的差分光学吸收光谱法进行，由于不是发明内容，这里不做过多描述。

本发明提出的技术方案，利用采样技术将测量气体抽入仪器，然后用光谱分析方法进行分析，但由于大气环境污染气体浓度较低，因此系统增加了一个浓缩单元，通过浓缩后，进入样品池的样气可以被浓缩2000倍左右，这样在一个较小的样品池中就可以分析低浓度的大气污染气体。并且可以方便的对仪器进行校准。

相对于现有技术，本发明使用浓缩采样装置对样气进行浓缩，使得系统能够在很小的样品池内对较低浓度的大气环境污染气体进行测量，同时由于采用了宽带吸收光谱分析方法，系统能够对多种大气污染气体同时进行分析，由于是采样，而不是开放光程测量，因此，大气能见度对测量的影响完全能够被消除。本系统集成程度高，大大提高了测量效率，提高了仪器的性能价格比，非常适合于对大气环境多种污染物（包括环境空气中的二氧化硫、二氧化氮、臭氧、氨、甲醛以及部分苯系物）进行连续、实时、在线测量。

附图说明

图1是本发明的一种基本结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明。

根据图1所示，本发明的环境空气质量在线自动测量系统主要包括两部分，在图的上半部分是浓缩采样系统部分，包括去除样气中水汽用的干燥管和电子冷阱（0℃），用于浓缩样气用的低温冷阱（如为-120℃），升降装置（用于提升控制低温冷阱中的采样管高度），以及抽气泵1；图的下半部分是分析系统部分，包括可发射200-400nm紫外光的氘灯光源，样品池（图中虚线框内）、光谱仪和计算机，其中样品池又包括两端具有石英玻璃窗的内径6mm的石英管A（或钢衬石英管）、两端的法兰B和法兰C，在法兰B上设有样气进口和温度计，在法兰C上设有样气出口和真空表。低温冷阱与样品池进口端连接，并且之间设有抽气泵，样品池进口端设有真空泵。图中的V1、V2、V3和V4是控制阀门，其中，V1设置于电子冷阱和低温冷阱之间的管路上，V2设置于低温冷阱与抽气泵之间的管路上，V3设置于排气泵与样品池进口端之间的管路上，V4设置于样品池出口端与真空泵之间的管路上。系统的所有气路除在冷阱里使用内径2mm的钢衬石英管外，都使用内径4mm的聚四氟乙烯管以减少管壁吸附。 

图中的光源出发的箭头线条表示测量光路。

系统的工作过程也分为采样和分析两个阶段。

采样阶段：

关闭阀门V3，打开阀门V1、V2和V4，开启抽气泵1和真空泵2，升降装置将浓缩管放入低温冷阱中，电子冷阱的半导体制冷片加正向电压，使其冷面与气路管道相接触。这时外界空气通过进气口后首先通过由内填硅胶干燥剂，两端有滤网的干燥管初步去除水分和灰尘后进入电子冷阱，由于电子冷阱的温度设置在0℃左右，因此水汽在这里进一步凝结被去除，去除水分后的样气进入低温冷阱，低温冷阱温度控制在-120℃左右，在这里，除氮气和氧气以外，空气中的大多数微量气体成分，比如二氧化硫、二氧化氮、臭氧、氨气、甲醛、部分苯系物等，都会凝结或凝固成液态或固态存储在低温冷阱中的采样管里，而仍然处于气态的氮气和氧气则经过阀门V2由排气1口排出，整个过程持续10-15分钟左右，通过控制流量的方法可使样气浓缩2000倍左右。与此同时，真空泵2也开启，将样品池中的石英管抽成真空状态。

分析阶段：

这时，首先关闭阀门V1、V2和V4，打开阀门V3和光源氘灯，使得采样部分和分析部分通过阀门V3相连通，提升装置将低温冷阱中的采样管提出冷冻液，利用环境空气的温度，以及管路和样品池中的低气压，使得采样管中浓缩的样气缓慢气化，由于样品池之前已经被抽成真空，因此，气化后的样气会被吸入到样品池中，待样气完全气化后，根据计算，管路和样品池中的气压仍然低于外界大气压，这时可以打开阀门V1，并同时将电子冷阱的半导体制冷片加反向电压，使得其热面与管路接触，起到加热作用，在外界空气和加热共同作用下，电子冷阱内凝结的部分水汽重新气化成水汽。由于内外气压的差别，外界空气会在外界气压的作用下从进气口进入，将残留在采样管中的样气压吹入到样品池里。不过，由于样品池中石英管的容积有限，在内外气压达到平衡后，采样管中的样气不可能完全进入样品池，仍有一部分留在采样管中，所以，不用担心由于空气进入导致样品池中的样气被重新稀释。

当样品池内外的压力达到平衡时，便可进行光谱分析测量，也就是光源发出的紫外光经过样品池（图1中的光源处出发的箭头线条），被其中的样气吸收，不同的气体对光辐射有不同的吸收，而且，不同浓度的气体对光辐射的吸收强度也不同，经过样品池吸收的光被引入另一端的光谱仪，经过光谱仪的分光和探测后，吸收光谱的数值信号最后被送入计算机利用差分光学吸收光谱方法进行分析，由于在200-400nm波段范围内，上述提及到的目标气体都有吸收，因此，本装置能够对上面的目标气体同时进行多组分测量。

根据采样量、样品池内目标气体浓度测量值、样品池和管路容积大小以及样气气化完成后外界空气充入之前样品池的压力大小可最后计算出所采空气样品在标准状况下的浓度。

测量完成后，对气路进行简单冲洗后即可进行下一循环的测量。

Claims (3)

1.一种基于低温浓缩法采样的环境空气质量在线自动测量系统，其特征在于：由低温浓缩采样系统和分析系统组成，其中，所述低温浓缩采样系统包括：依次相连的干燥管、电子冷阱和低温冷阱，干燥管与进气口管路连接；所述分析系统包括光源、样品池、光谱仪和计算机；从进气口管路进入的环境空气样品经过干燥管去除水汽，再经过电子冷阱进一步去除水汽，然后经过低温冷阱，进行浓缩处理，液化成液体或固化成固体，低温冷阱温度设置高于氧气和氮气的液化温度，液化或固化后的空气样品中不包括氧气和氮气，达到浓缩效果；分析系统经阀门与低温浓缩采样系统连接，经过采样系统浓缩后的气体，通过连接管路，重新气化后进入分析系统的样品池；样品池由石英玻璃管A、石英玻璃管A两端的法兰B和法兰C组成，法兰B和法兰C上分别装有石英窗片；光源发出的紫外光通过法兰B上的窗片进入样品池内，与样品池内的目标气体相互作用，并被其中的一些气体分子吸收然后通过法兰C上的窗片进入光谱仪，光谱仪将进入的光进行分光和探测，并将探测到的光谱信号转化成数字信号后送入计算机进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于低温浓缩法采样的环境空气质量在线自动测量系统，其特征在于：所述光源采用可发射200-400nm紫外光的氘灯光源。

3.根据权利要求1所述的基于低温浓缩法采样的环境空气质量在线自动测量系统，其特征在于：在电子冷阱和低温冷阱之间的管路上设置有控制阀门V1，在低温冷阱与排气泵之间的管路上设置有控制阀门V2，在排气泵与样品池进口端之间的管路上设置有控制阀门V3，在样品池出口端与真空泵之间的管路上设置有控制阀门V4。