CN107764765A - 用于大气污染的监测系统及用于大气污染的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大气污染的监测系统及监测方法，通过在不同高度、阶梯式设置多个监测设备，且通过将监测设备的红外反光组件设置在不同的高度上，采集不同高度空域内正在扩散中的气团的化学因子红外光谱数据，继而又通过对污染因子进行红外光谱定性和对污染因子定量实现定性和定量分析以获知气团内所含有的污染因子和各污染因子的污染量等级，从而实现对某一区域内连续监测，无需人工值守，且可实现24小时连续智能监测；又结合气象信息采集模块采集气象数据，然后依据各种污染因子的空气扩散模型进行运算，判断出气团污染源的位置。

Description

用于大气污染的监测系统及用于大气污染的监测方法
技术领域
本发明涉及一种用于大气污染的监测系统及用于大气污染的监测方法，属于空气监测技术领域。
背景技术
目前，大气污染是世界各国面临的最严峻的环境问题，中国大气环境面临的形势尤其严峻。在诸多大气污染来源中，化工园区的污染是现阶段亟待解决的问题。化工园区废气含多种化学因子，其排放直接影响周边居民区生命健康。
现阶段，针对化工园区废气排放的传统监测设备的监测形式主要为点式监测和被动监测。其监测因子种类较为单一，且由于设备处于地面固定位置，化工园区废气受气象条件影响形成的扩散导致传统监测设备不能对化工园区排放的废气进行全面的监测。现有空气监测设备、监测站基本上着地，监测高度一般低于5m，而污染因子扩散轨迹一般高于10m，处低空和中空空域。因此现有监测手段不能反映出园区内废气排放的真实情况，不能实现对污染气体的排放进行管、防、控；不能及时发现并解决偷排、漏排和突发的环境问题，不利监管。
另外，由于受气象条件和生产工艺的显著影响，大气污染物散发具有阵发性、瞬变性的特点，因此本领域技术人员致力于开发一种对大气污染初始扩散状态实时在线连续监测的技术。采用实时在线连续监测特征污染物浓度必将成为地方政府部门、环保监测部门、以及相关生产工艺企业对大气污染物实施监管的有效工具。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现智能监测的监测空气污染的立体式傅里叶红外垂直径向监测系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于大气污染的监测系统，用于监测某一区域内空气质量，包括：
多个监测设备、污染因子定性模块和污染因子定量模块；
每个所述监测设备包括至少一个红外反光组件和同时与至少一个所述红外反光组件对应设置的红外发射主机，每个所述监测设备的至少一个所述红外反光组件设置在不同的高度上，每个所述红外发射主机发射红外线至对应的所述红外反光组件，每个监测设备实时监测经过该监测设备的监测范围内的气团以获得该经过的气团的化学因子红外光谱数据；
所述污染因子定性模块预置有多种污染因子的红外判定参考数据，多种红外判定参考数据以多种不同的污染因子的红外光谱数值作为参考，所述污染因子定性模块根据红外判定参考数据分析监测设备所获得的化学因子红外光谱数据，以分析获得对应监测设备所监测范围内所含有的污染因子；
所述污染因子定量模块内预置有对应多种不同的污染因子的污染量判定参考数据，所述污染量判定参考数据根据污染因子在气团中的数量划分为不同污染量等级；所述污染因子定量模块根据监测设备所获得的化学因子红外光谱数据、污染因子定性模块分析得到的污染因子及污染因子定量模块内预置的污染量判定参考数据，以分析获得对应监测设备所监测范围内各污染因子所处的污染量等级。
进一步的，所述用于大气污染的监测系统还包括：
气象信息采集模块，采集所在区域内的气象数据，所述气象数据包括风向、风速、温度、气压和湿度；
溯源判断模块，分别与多个监测设备、气象信息采集模块信号连接，获取每个监测设备所监测区域内的污染因子及污染量等级，根据气象信息采集模块在对应时间内所采集的风向、风速、温度、气压和湿度；所述溯源判断模块依据各种污染因子的自然扩散规律进行运算，判断污染源的位置。
进一步的，每个所述监测设备对应一个气象信息采集模块，每个气象信息采集模块临近设置在对应的监测设备的红外发射主机的一侧。
进一步的，所述用于大气污染的监测系统还包括与所述污染因子定量模块信号连接的预警当量模块，所述预警当量模块内，根据红外发射主机与红外反光组件的距离预置有与不同污染量等级对应的预警阈值；所述污染因子定量模块将对应的监测设备所检测出的各污染因子所处的污染量等级与所述预警当量模块内的预警阈值对比，若该空气污染等级大于预警阈值，则预警当量模块发出预警信号。
进一步的，所述红外反光组件布置的垂直高度范围为3～50米空域。
进一步的，根据所述监测设备所处高度，所述监测设备的扫描方式如下：在3～50米作-65°～85°的仰俯角范围内扫描，或在10～50米高度作水平360°范围内扫描。
进一步的，所述用于大气污染的监测系统还包括固定所述红外反光组件的固定塔，多个所述红外反光组件通过固定塔固定布置在不同的高度上，所述红外发射主机所发射的红外光线可在所述固定塔的高度方向上下扫描。
进一步的，多个所述红外反光组件呈阶梯式布置。
本发明还提供了一种用于大气污染的监测方法，所述监测方法采用多个监测设备，每个所述监测设备包括多个红外反光组件和同时与多个所述红外反光组件对应设置的红外发射主机，每个所述监测设备的多个所述红外反光组件设置在不同的高度上；所述监测方法包括如下步骤：
每个所述红外发射主机发射红外线至对应的多个所述红外反光组件，以实时监测经过该监测设备的监测范围内的气团以获得该经过的气团内的化学因子红外光谱数据；
根据每个监测设备在设定的时间内监测到的气团的化学因子红外光谱数据，分析该监测设备所监测到的气团内所含有的污染因子，并计算出该监测设备所监测的气团内所含的污染因子的数量，进而判定出该监测设备所监测范围内的污染量等级。
进一步的，所述监测方法还包括如下步骤：
实时获取每个监测设备所监测到范围内的气象数据，所述气象数据包括风向、风速、温度、气压和湿度；
依据各种污染因子的自然扩散规律，根据对应时间内所风向、风速、温度、气压和湿度运算判断污染源的位置。
进一步的，所述监测方法还包括如下步骤：将每个污染量等级与预警阈值对比，若污染量等级大于预警阈值，则发出预警信号。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的用于大气污染的监测系统的模块示意图；
图2为实施图1所示的用于大气污染的监测系统的实用示意图；
图3为实施图1所示的用于大气污染的监测系统的另一种实用示意图；
图4为图1所示的用于大气污染的监测系统的部分模块示意图；
图5为各种污染因子的扩散规律示意图，其中，纵向h表示污染因子排放的高度，横向 m表示污染因子落地点例排放源原点的距离；
图6为本发明一实施例所示的用于大气污染的监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1和图4，本发明一较佳实施例所示的一种用于大气污染的监测系统用于监测某一区域(该区域可以为化工园区)内空气质量，该系统包括：多个监测站点和与所述多个监测站点信号连接的溯源判断模块3。每个监测站点包括傅里叶大气污染监测模块1(FTIR) 和气象信息采集模块2。
在本实施例中，每个傅里叶大气污染监测模块1包括监测设备11、污染因子定性模块12 和污染因子定量模块13。每个所述监测设备11包括多个红外反光组件112和同时与多个所述红外反光组件112对应设置的红外发射主机111，每个所述监测设备11的多个所述红外反光组件112设置在不同的高度上，每个所述红外发射主机111发射红外线至对应的所述红外反光组件112，每个监测设备11实时监测经过该监测设备11的监测范围内的气团以获得该经过的气团的化学因子红外光谱数据；所述污染因子定性模块12预置有多种污染因子的红外判定参考数据，多种红外判定参考数据以多种不同的污染因子的红外光谱数值作为参考，所述污染因子定性模块根据红外判定参考数据分析监测设备11所获得的化学因子红外光谱数据，以分析获得对应监测设备11所监测范围内所含有的污染因子；所述污染因子定量模块13内预置有对应所述污染因子定性模块12内预置的多种不同的污染因子的污染量判定参考数据，所述污染量判定参考数据根污染因子在气团内的数量划分为不同污染量等级，每个污染量等级对应不同的污染程度；所述污染因子定量模块13根据监测设备11所获得的化学因子红外光谱数据、污染因子定性模块12分析得到的污染因子及污染因子定量模块13内预置的污染量判定参考数据，以分析获得对应监测设备11所监测范围内各污染因子所处的污染量等级。在本实施例中，所述监测设备11垂直高度范围为3～50米空域。根据所述监测设备所处高度，所述监测设备的扫描方式如下：在3～50米作-65°～85°的仰俯角范围内扫描，或在10～50米高度作水平360°范围内扫描。所述监测设备11的红外反光组件112通过固定塔5固定，所述检测设备11的红外发射主机111设置站房6上，该站房可以为一般楼房建筑，也可以为专门用于固定红外发射主机111而建造的建筑物，当然，在其他实施方式中，该红外发射主机 111同样可以固定在固定塔5上。在其他实施方式中，为了便于调节监测设备11的红外发射主机111和/或红外反光组件112的位置，所述红外发射主机111和/或红外反光组件112可在所述固定塔5上沿固定塔5的高度方向移动，通过移动红外发射主机111、红外反光组件112 的位置，从而可以调节监测高度，使整个系统更具灵活性。所述固定塔5为棱柱结构，在本实施例中，该固定塔5为三菱柱，固定塔5具有垂直地面的三个平面，通过将固定塔5设置成三菱柱形状，从而可以在同一个固定塔5的多个角度上安装多个红外反光组件112，且位于同一固定塔5上多个红外反光组件112不会相互干涉，红外发射主机111发射到红外反光组件112上的红外线不会被遮挡，红外发射主机111、红外反光组件112也不会被固定塔5 的任何部位遮挡，请结合图3和图4。在本实施例中，所述监测设备11的大部分红外反光组件112通过固定塔4固定布置在不同的高度上，所述红外发射主机111所发射的红外光线可在所述固定塔4的高度方向上下扫描；多个所述红外反光组件112呈阶梯式布置。
所述气象信息采集模块2用以采集所在区域内的气象数据，所述气象数据包括风向、风速、温度、气压和湿度。每个所述监测设备11对应一个气象信息采集模块2，每个所述气象信息采集模块2临近设置在对应的监测设备11的红外发射主机111的一侧。所述红外发射主机111和气象信息采集模块2集成，通过集成气象信息采集模块2实现在监测区域和监测设备11在不同高度(5～50m)进行多立面、多点气象设备立体配置，形成立体形式的监测区域气象监测体系，可以实时分析气象条件对污染扩散的影响，提高了监测数据的科学性、合理性和可靠性。与国内外其他监测技术相比，该用于大气污染的监测系统对于区域性空气污染情况的完整反映有较大的优势。每个所述气象信息采集模块2具体包括用以采集区域内风向的风向采集模块21、用以采集区域内风速的风速采集模块22、用以采集区域内湿度的湿度采集模块25、用以采集区域内温度的温度采集模块23及用以采集区域内气压的气压采集模块 24。
所述溯源判断模块3分别与多个监测设备11、多个气象信息采集模块2信号连接，获取每个监测设备11所监测区域内的污染因子及污染量等级，根据对应的气象信息采集模块2在对应的时间内所采集的风向、风速、温度、气压和湿度；所述溯源判断模块3运用空气扩散模型进行运算，判断污染源的位置。该空气扩散模型通过对各种污染因子的自然扩散规律进行大量的监测分析并数据化处理后建立，请参见图5，各种污染因子的扩散受风向、风速、温度、气压和湿度影响、受污染因子的比重影响，各种污染因子的扩散规律通过预先实验可以获知。
在本实施例中，所述用于大气污染的监测系统还包括与所述污染因子定量模块13信号连接的预警当量模块4。所述预警当量模块4内，根据红外发射主机与红外反光组件的距离预置有与不同污染量等级对应的预警阈值；所述污染因子定量模块13将对应的监测设备11所检测出的各污染因子所处的污染量等级与所述预警当量模块4内的预警阈值对比，若该空气污染等级大于预警阈值，则预警当量模块4发出预警信号。通过预警当量模块4发出预警信号，可以起到预警的作用，从而及时排查污染。
请参见图6并结合图1至图4，本发明一实施例所示的一种用于大气污染的监测方法用以监测某一区域内空气，该监测方法可采用上述用于大气污染的监测系统，所述监测方法使用多个所述监测模块包括监测设备11，每个所述监测设备11包括多个红外反光组件112和同时与多个所述红外反光组件112对应设置的红外发射主机111，每个所述监测设备11的多个所述红外反光组件112设置在不同的高度上；所述监测方法包括如下步骤：
S1：每个所述红外发射主机111发射红外线至对应的多个所述红外反光组件112，以实时监测经过该监测设备11的监测范围内的气团以获得该经过的气团内的化学因子红外光谱数据；
S2：根据每个监测设备11监测到的化学因子红外光谱数据分析该监测设备11所监测到的气团内所含有的污染因子，并计算出该监测设备11所监测的气团内所含的污染因子的数量，进而判定出该监测设备11所监测范围内的污染量等级；
S3：实时获取每个监测设备11所监测到范围内的气象数据，所述气象数据包括风向、风速、温度、气压和湿度；
S4：依据各种污染因子的自然扩散规律，根据对应时间内的风向、风速、温度、气压和湿度运算判断污染源的位置。各种污染因子的扩散受风向、风速、温度、气压和湿度影响、受污染因子的比重影响，各种污染因子的扩散规律通过预先实验可以获知，请参见图5，如苯系物、氢类、voc化合物密集扩散区的起始的有效扩散高度为10至50米，离污染源距离 1-5公里的空气中。在本步骤中，可以将各种污染因子的自然扩散规律建模，然后，运用空气扩散模型并根据对应时间内的风向、风速、温度、气压和湿度运算判断污染源的位置。该空气扩散模型为预先通过对各种污染因子的自然扩散规律进行大量的监测分析并数据化处理后建立的。
在具体实施过程中，上述步骤S2和步骤S3的顺序可以置换，或者S1和步骤S3可以同时执行。上述用于大气污染的监测方法可以通过用于大气污染的监测系统实现，该用于大气污染的监测系统的结构在此再赘述。
在本实施例中，所述监测方法还包括如下步骤：将每个污染量等级与预警阈值对比，若污染量等级大于预警阈值，则发出预警信号。通过该方法可以发出预警信号，可以起到预警的作用，从而及时排查污染。
综上所述，上述用于大气污染的监测系统及监测方法通过设置多个监测设备11，且通过将监测设备11的红外反光组件112设置在不同的高度上，采集不同高度空域内正在扩散中的气团的化学因子红外光谱数据，继而又通过对污染因子定性和对污染因子定量实现定性和定量分析以获知不同高度区域内所含有的污染因子和各污染因子的污染量等级，从而实现对某一区域内连续监测，无需人工值守，且可实现24小时连续智能监测。上述用于大气污染的监测系统及监测方法又通过采集气象信息，然后依据各种污染因子的扩散规律进行运算判断出污染源的位置。
以上实施例突破了沿着工业园区(厂)边界进行地面监测的传统做法，而是按照各种污染因子的自然扩散规律在它们的初始阶段、在园区(厂)的内部，在10-50米的一定高度呈阶梯式的设置一定数量的红外发射主机111和相对应的红外反光组件112、结合气象信息采集模块2而建成的一套立体的红外监测网，从而对园区(厂)内各化工厂正在处于初始扩散状态的污染因子进行定性、定量分析，将获得的红外监测数据、气象数据为溯源判断模块3提供依据，真正达到了预警的目的。
以上所述实施例的各技术特征可以在工业园区(厂)内进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种用于大气污染的监测系统，其特征在于，用于监测某一区域内空气质量，包括：
多个监测设备、污染因子定性模块和污染因子定量模块；
每个所述监测设备包括至少一个红外反光组件和同时与至少一个所述红外反光组件对应设置的红外发射主机，每个所述监测设备的至少一个所述红外反光组件设置在不同的高度上，每个所述红外发射主机发射红外线至对应的所述红外反光组件，每个监测设备实时监测经过该监测设备的监测范围内的气团以获得该经过的气团的化学因子红外光谱数据；
所述污染因子定性模块预置有多种污染因子的红外判定参考数据，多种红外判定参考数据以多种不同的污染因子的红外光谱数值作为参考，所述污染因子定性模块根据红外判定参考数据比对监测设备所获得的化学因子红外光谱数据，以分析获得对应监测设备所监测范围内所含有的污染因子；
所述污染因子定量模块内预置有对应多种不同的污染因子的污染量判定参考数据，所述污染量判定参考数据根据污染因子在气团中的数量划分为不同污染量等级；所述污染因子定量模块根据监测设备所获得的化学因子红外光谱数据、污染因子定性模块分析得到的污染因子及污染因子定量模块内预置的污染量判定参考数据，以分析获得对应监测设备所监测范围内各污染因子所处的污染量等级。
2.如权利要求1所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，所述用于大气污染的监测系统还包括：
气象信息采集模块，采集所在区域内的气象数据，所述气象数据包括风向、风速、温度、气压和湿度；
溯源判断模块，分别与多个监测设备、气象信息采集模块信号连接，获取每个监测设备所监测区域内的污染因子及污染量等级，根据气象信息采集模块在对应时间内所采集的风向、风速、温度、气压和湿度；所述溯源判断模块依据各种污染因子的自然扩散规律进行运算，判断污染源的位置。
3.如权利要求2所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，每个所述监测设备对应一个气象信息采集模块，每个气象信息采集模块临近设置在对应的监测设备的红外发射主机的一侧。
4.如权利要求1所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，所述用于大气污染的监测系统还包括与所述污染因子定量模块信号连接的预警当量模块，所述预警当量模块内，根据红外发射主机与红外反光组件的距离预置有与不同污染量等级对应的预警阈值；所述污染因子定量模块将对应的监测设备所检测出的各污染因子所处的污染量等级与所述预警当量模块内的预警阈值对比，若该空气污染等级大于预警阈值，则预警当量模块发出预警信号。
5.如权利要求1所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，所述红外反光组件布置的垂直高度范围为3～50米空域。
6.如权利要求1所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，根据所述监测设备所处高度，所述监测设备的扫描方式如下：在3～50米作-65°～85°的仰俯角范围内扫描，或在10～50米高度作水平360°范围内扫描。
7.如权利要求1所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，所述用于大气污染的监测系统还包括固定所述红外反光组件的固定塔，多个所述红外反光组件通过固定塔固定布置在不同的高度上，所述红外发射主机所发射的红外光线可在所述固定塔的高度方向上下扫描。
8.如权利要求1或7所述的用于大气污染的监测系统，其特征在于，多个所述红外反光组件呈阶梯式布置。
9.一种用于大气污染的监测方法，其特征在于，所述监测方法采用多个监测设备，每个所述监测设备包括多个红外反光组件和同时与多个所述红外反光组件对应设置的红外发射主机，每个所述监测设备的多个所述红外反光组件设置在不同的高度上；所述监测方法包括如下步骤：
每个所述红外发射主机发射红外线至对应的多个所述红外反光组件，以实时监测经过该监测设备的监测范围内的气团以获得该经过的气团内的化学因子红外光谱数据；
根据每个监测设备在设定的时间内监测到的气团的化学因子红外光谱数据，分析该监测设备所监测到的气团内所含有的污染因子，并计算出该监测设备所监测的气团内所含的污染因子的数量，进而判定出该监测设备所监测范围内的污染量等级。
10.如权利要求9所述的用于大气污染的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括如下步骤：
实时获取每个监测设备所监测到范围内的气象数据，所述气象数据包括风向、风速、温度、气压和湿度；
依据各种污染因子的自然扩散规律，根据对应时间内所风向、风速、温度、气压和湿度运算判断污染源的位置。
11.如权利要求9所述的用于大气污染的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括如下步骤：将每个污染量等级与预警阈值对比，若污染量等级大于预警阈值，则发出预警信号。
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