CN103852439A - 一种挥发性有机物监测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种挥发性有机物监测设备及方法，包括：采集待测样气的采样模块；与所述采样模块相连的FTIR检测模块，用于将红外光转换成干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；与所述采样模块和FTIR检测模块相连的控制计算模块，用于将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，然后根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量；与所述控制计算模块相连的输出模块，用于实时输出所述待测样气的检测结果。本发明利用不同的模型同时计算不同组分的挥发性有机物的含量，从而大大提高了检测速度，且仅采用一种探测器就可进行多组分挥发性有机物的检测，设备简单、成本低，易于大范围推广。

Description

一种挥发性有机物监测设备及方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，更具体地说，涉及一种挥发性有机物监测设备及方法。

背景技术

VOCs（Volatile Organic Compounds，挥发性有机物）是指沸点范围在50℃-260℃、室温下饱和蒸气压超过133.322Pa的易挥发性化合物。VOCs是光化学烟雾的决定性前体物，也是PM2.5的主要前体物，因此，防控治理VOCs是提高空气质量的重要途径之一。

目前的VOCs监测设备，无论是水中的还是气体中的，都是采用色谱技术或者色质联用技术来实现的，但是，其响应时间较长，尤其是当VOCs组分含量较多时，不仅响应时间进一步延长，而且可能需要多种检测器和色谱柱才可以将所有组分检测出来，因此，该方法并不适用于需要快速地、实时地检测废气中不同组分的VOCs含量的固定污染源废气监测，从而不能及时地对废气进行处理，实现大气污染的防控治理。

另外，固定污染源废气监测要求设备长时间连续运行，而基于色谱技术的VOCs监测设备需要定时更换色谱柱来满足这一要求，从而增加了设备以及人工维护的成本，这也不利于固定污染源废气VOCs监测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种挥发性有机物监测设备及方法，以解决现有技术中的监测设备由于检测速度慢，而不能快速地、实时地监测固定污染源的废气排放，以及设备成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种挥发性有机物监测设备，包括：

采集待测样气的采样模块；

与所述采样模块相连的FTIR检测模块，所述FTIR检测模块用于将红外光转换成干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；

与所述采样模块和FTIR检测模块相连的控制计算模块，用于控制所述采样模块和FTIR检测模块，并在获得所述干涉图样信号后，将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，然后根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量；

与所述控制计算模块相连的输出模块，用于实时输出所述待测样气的检测结果。

优选的，所述采样模块包括采样探头、与所述采样探头相连的过滤器和温控器、以及与所述过滤器相连的加热器。

优选的，所述采样模块还包括采样管线，用于将采集到的待测样气传输到所述FTIR检测模块的样气室。

优选的，所述FTIR检测模块包括依次相连的光源、干涉系统、样气室和探测器。

优选的，所述干涉系统为迈克尔逊干涉系统，由分束器、动镜、与所述动镜相连的扫描部件、定镜和反射镜组成。

优选的，所述探测器为DLATGS探测器，且所述探测器依次与滤波电路、放大电路和A/D转换电路相连。

优选的，所述输出模块为显示屏或远程通讯端。

优选的，所述设备还包括：

与所述采样模块、FTIR检测模块、控制计算模块和输出模块相连的电源模块。

一种挥发性有机物监测方法，适用于上述的设备，包括：

采集待测样气；

将红外光转换为干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；

根据所述干涉图样信号以及预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量。

优选的，还包括：

存储并实时输出所述待测样气的检测结果。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的挥发性有机物监测设备及方法，采集待测样气后，通过FTIR检测模块将红外光转换成干涉光并照射待测样气，由于待测样气中不同组分的挥发性有机物能够吸收不同频率的红外光，因此，可以根据干涉光强度的变化形成对应不同组分挥发性有机物的干涉图样信号，然后根据所述干涉图样信号以及对应的模型，计算出不同组分的挥发性有机物的含量。

本发明提供的监测设备及方法，能够利用不同的数学模型计算出不同组分的挥发性有机物的含量，既不需要通过色谱柱分离待测样气，又能同时计算不同组分的挥发性有机物的含量，其响应时间仅取决了光谱的扫描时间，因此大大提高了检测速度，并且，本发明仅采用一种探测器就可进行多组分挥发性有机物的检测，设备简单、成本低，易于大范围推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的挥发性有机物监测设备结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的挥发性有机物监测设备结构图；

图3为本发明实施例一提供的干涉模块原理图；

图4为本发明实施例一提供的样气室结构图；

图5为本发明实施例二提供的挥发性有机物监测方法流程图。

具体实施方式

正如背景技术所述，基于色谱技术的监测设备由于自身的限制，在快速实时地监测固定污染源（如石油化工等行业）排放的废气方面具有一定的局限性，无法及时的测量废气成分，进而对废气进行处理，实现大气污染的防控治理。

基于此，本发明提供了一种挥发性有机物监测设备，以克服现有技术存在的上述问题，包括：

采集待测样气的采样模块；与所述采样模块相连的FTIR（FourierTransform Infrared Spectroscopy，傅里叶变换红外光谱技术）检测模块，所述FTIR检测模块用于将红外光转换成干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；与所述采样模块和FTIR检测模块相连的控制计算模块，用于控制所述采样模块和FTIR检测模块，并在获得所述干涉图样信号后，将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，然后根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量；与所述控制计算模块相连的输出模块，用于实时输出所述待测样气的检测结果。

本发明还提供了一种挥发性有机物监测方法，包括：

采集待测样气；将红外光转换为干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，并根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量。

本发明所提供的挥发性有机物监测设备及方法，采集待测样气后，通过FTIR检测模块将红外光转换成干涉光并照射待测样气，由于待测样气中不同组分的挥发性有机物能够吸收不同频率的红外光，因此，可以根据干涉光强度的变化形成对应不同组分挥发性有机物的干涉图样信号，然后根据所述干涉图样信号以及对应的数学模型，计算出不同组分的挥发性有机物的含量。

本发明提供的监测设备及方法，能够利用不同的数学模型计算出不同组分的挥发性有机物的含量，既不需要通过色谱柱分离待测样气，又能同时计算不同组分的挥发性有机物的含量，从而大大提高了检测速度，并且，本发明仅采用一种探测器就可进行多组分挥发性有机物的检测，设备简单、成本低，易于大范围推广使用。

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

下面通过几个实施例详细描述。

实施例一

本实施例提供了一种挥发性有机物监测设备，其结构示意图如图1所示，包括：采集待测样气的采样模块1、与所述采样模块1相连的FTIR检测模块2、与所述采样模块1和FTIR检测模块2相连的控制计算模块3、与所述控制计算模块3相连的输出模块4和与模块1～4均相连电源模块5。

其中，FTIR检测模块2能够将红外光转换成干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；控制计算模块3用于控制所述采样模块1和FTIR检测模块2，并在获得FTIR检测模块2输出的干涉图样信号后，将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，然后根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量；输出模块4通过显示屏或远程通讯实时输出所述待测样气的检测结果；电源模块5用于向采样模块1、FTIR检测模块2、控制计算模块3和输出模块4提供电源。

采样模块1，如图2所示，包括采样探头10、与所述采样探头10相连的过滤器11和温控器12、以及与所述过滤器11相连的加热器13。其中，采样探头10设置在烟道或废气排放口，用于采集排放出的废气作为待测样气，优选的，采样探头10为微型采样泵。所述采样模块还包括采样管线，用于将采集到的待测样气传输到所述FTIR检测模块的样气室。

由于不同的工业废气组分不同，排放方式和排放的气体温度等都不同，因此，本实施例中将采样探头10与过滤器11相连，以过滤待测样气中的粉尘和水分，且过滤器11还连接有加热器13，用于加热过滤器11中的待测样气，以减少水分冷凝，避免由于挥发性有机物溶于水而造成的待测样气组分的丢失。其中，过滤器11采用的是Nafion管，既能够实现高温下气态除水，又简化了采样模块1的结构，便于更换。同样为了减少水凝，本实施例中还将采样探头10与温控器12相连，以控制采样探头10的温度，其中，温控器12采用的是PID（Proportion-Integral-Derivative，比例-积分-微分）控制器。

FTIR检测模块2，如图2所示，包括依次相连的光源20、干涉系统21、样气室22和探测器23。光源20发出的红外光经过干涉系统21调制后转换成时间调制的干涉光，该干涉光进入充满待测样气的样气室22后，照射在待测样气上，被待测样气中的挥发性有机物吸收后，所述干涉光的强度会发生变化，探测器23检测到强度发生变化的干涉光后，经过滤波电路、放电电路和A/D转换电路的模数转换形成干涉图样信号，并输出至控制计算模块3。

其中，光源20主要为光谱的测量提供光照，其采用的是碳化硅红外光源，能够发出400cm^-1-830cm^-1的光，且体积小，光强稳定时间快。干涉系统21为迈克尔逊干涉系统，如图3所示，主要包括分束器210、动镜211、定镜212、与动镜211相连的扫描部件213和反射镜214。光源20发出的红外光通过分束器210后，分成两束同相位的光，然后分别到达动镜211和定镜212，由于动镜211在扫描部件213的带动下做直线运动，因此，分别经过动镜211和定镜212反射后到达分束器210的光之间具有光程差，即使得到达分束器210的光为干涉光，该干涉光经过反射镜214反射后，进入样气室22。

本实施例中，迈克尔逊干涉系统还包括激光器，用于为干涉光的采样提供基准信号，优选采用氦-氖激光器。使波长为632.8nm的光在如图3所示的光路上产生激光干涉条纹，然后根据该激光干涉条纹的过零点，确定干涉光的采样点。

样气室22的结构图，如图4所示，包括设置在样气室22两端的三面凹面镜M1、M2和M3，干涉光在样气室22内经过多次反射后射出，探测器23采集到射出的干涉光后，将干涉光转换为电信号，经过后续的滤波电路、放大电路和A/D转换电路后，转换为干涉图样信号，并传输给控制计算模块3，所述干涉图样信号为数字信号。由于待测样气中不同组分的挥发性有机物能够吸收不同频率的红外光，因此，可以根据经过样气室22后干涉光强度的变化形成的干涉图样信号，以及对应的数学模型，计算出不同组分的挥发性有机物的含量。优选的，探测器23采用的是DLATGS（Deuterated L-AlanineTriglycine Sulfate，氘化L-丙氨酸硫酸三苷肽）探测器。

本实施例中，通过设置多个凹面镜增加反射的次数，来增加干涉光的光程长度，使干涉光被样气室22内的待测样气充分吸收，来提高待测样气组分的检测精度和灵敏度，并且，为了减少干涉光在反射面上的能量损失，反射镜采用镀金表面。其次，样气室22还具有温控器，用于将样气室22的温度控制在恒温180度，以保证待测样气不冷凝、红外光谱测量环境的稳定性以及无待测组分的损失。

根据气体状态方程可知，气体待测样气的组分含量还与温度、压力和体积有关，因此，本实施例中在样气室22内还设置了温度传感器和压力传感器，并将温度和压力参数传给控制计算模块3。此外，样气室22的一端与废气处理装置6相连，以避免检测后的气体样气污染大气。

控制计算模块3将干涉图样信号经过傅里叶逆变换，转换成为不同频率的光强及光谱，然后根据预设的数学模型计算测量的红外光谱图，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量，然后根据需要将计算结果传输至与控制计算模块3相连的输出模块4，即传输到显示屏或远程通讯端，以便监测人员查看检测结果。

其中，预设的数学模型可以采用传统的曲线标定方法，也可以采用化学计量学方法进行拟合，具体采用哪种方法可以由待测的样气的组分和特性来确定。并且，本实施例中只需建立新的组分的模型，即可测量待测样气中这一组分的含量，从而不需要设置多个探测器，就可以同时测量多种组分的挥发性有机物，且设备的可扩展性强，使用范围较宽泛。

本实施例中，由于控制计算模块3与采样模块1、FTIR检测模块2和输出模块4均相连，用于控制采样模块1进行待测样气的采集，控制FTIR检测模块2将红外光转换成干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号，且其在获得FTIR检测模块2输出的所述干涉图样信号后，将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，然后根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量，然后控制与其相连的输出模块4实时输出所述待测样气的检测结果，由此可知，所述控制计算模块3可以控制整个检测过程，并进行数据计算存储。

本实施例提供的挥发性有机物监测设备，能够利用预设的不同模型同时计算出不同组分的挥发性有机物的含量，样气从而大大提高了检测速度，本发明仅采用一种探测器就可进行多组分挥发性有机物的检测，设备简单、成本低，易于大范围推广使用。

实施例二

本实施例提供了一种挥发性有机物监测方法，适用于实施例一提供的监测设备，其流程图如图4所示，包括：

S501：采集待测样气；

监测设备开机后，采样探头开始工作，先抽空气吹扫设备内部，消除设备中的水汽等干扰，同时对样气室和采样探头进行加热，等到温度达到设定温度值时，测量准备工作就绪，开始采集待测样气。

S502：将红外光转换为干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；

光源发出的红外光经过干涉系统调制后转换成干涉光，该干涉光进入充满待测样气的样气室，经过待测样气后，被待测样气中的挥发性有机物吸收，干涉光的强度会发生变化，探测器检测到强度发生变化的干涉光后，经过滤波电路、放电电路和A/D转换电路的模数转换形成干涉图样信号。

S503：将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，并根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量；

控制计算模块将干涉图样信号经过傅里叶逆变换，转换成为不同频率的光强形成红外光谱，然后根据预设的数学模型计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量，然后根据需要将计算结果传输至与控制计算模块相连的输出模块，即传输到屏幕输出模块和远程通讯模块，以便监测人员查看检测结果。

计算出检测结果后，还包括步骤：

S504：存储并实时输出所述待测样气的检测结果。

计算出检测结果后，将检测结果输送到显示装置，并保存数据，以便于后续数据库管理。

本实施例提供的挥发性有机物监测方法，能够利用预设的不同模型同时计算出不同组分的挥发性有机物的含量，从而大大提高了检测速度，本发明仅采用一种探测器就可进行多组分挥发性有机物的检测，设备简单、成本低，易于大范围推广使用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种挥发性有机物监测设备，其特征在于，包括：

采集待测样气的采样模块；

与所述采样模块相连的FTIR检测模块，所述FTIR检测模块用于将红外光转换成干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；

与所述采样模块和FTIR检测模块相连的控制计算模块，用于控制所述采样模块和FTIR检测模块，并在获得所述干涉图样信号后，将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，然后根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量；

与所述控制计算模块相连的输出模块，用于实时输出所述待测样气的检测结果。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述采样模块包括采样探头、与所述采样探头相连的过滤器和温控器、以及与所述过滤器相连的加热器。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述采样模块还包括采样管线，用于将采集到的待测样气传输到所述FTIR检测模块的样气室。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述FTIR检测模块包括依次相连的光源、干涉系统、样气室和探测器。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述干涉系统为迈克尔逊干涉系统，由分束器、动镜、与所述动镜相连的扫描部件、定镜和反射镜组成。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述探测器为DLATGS探测器，且所述探测器依次与滤波电路、放大电路和A/D转换电路相连。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述输出模块为显示屏或远程通讯端。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

与所述采样模块、FTIR检测模块、控制计算模块和输出模块相连的电源模块。

9.一种挥发性有机物监测方法，适用于权利要求1-8任一项所述的设备，其特征在于，包括：

采集待测样气；

将红外光转换为干涉光，并利用所述干涉光照射所述待测样气形成干涉图样信号；

将所述干涉图样信号进行傅里叶变换，并根据预设的数学模型，计算出待测样气中不同组分的挥发性有机物的含量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

存储并实时输出所述待测样气的检测结果。

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