CN108254332A - 一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室 - Google Patents
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Abstract
本发明一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，涉及大气环境监测技术领域。移动式实验室集成在动力车厢内，实验室设置实现VOCs、常规污染物、无机/有机恶臭污染物、无机酸以及未知污染物多类型污染物快速连续分析监测，抓捕突发污染事件；高浓度区域、污染源在线连续监测分析；离车深入突发污染源应急监测的红外紫外监测分析系统(1)和实现污染物的在线痕量高精度分析、离线采样痕量高精度分析；大气环境中未知痕量物种的定性半定量，真正摸清环境空气中污染因子；大气环境的在线快速连续分析和特征污染物突发污染的捕获的飞行质谱监测分析系统(2)及辅助技术系统(3)。具有集成设计，结构完整，功能齐全，自动化管理等特点。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境监测技术领域，具体指一种可全方位、多层次快速分析大气环境的移动式实验室。
背景技术
近年来，随着经济社会的发展，大气污染问题日益明显。作为大气污染问题首要的来源之一，化学大气环境的污染排放也愈发受到政府和人们的关注。随着大气污染监测工作的逐步开展和重视，国内各省市都建成了密集分布的环境大气分析实验室和大气自动监测站，并对常规污染物、VOCs、无机/有机恶臭污染物、无机酸等多种因子的监测提出了多重要求，包括：(1)物种广覆盖性、全面性的要求。(2)实时性、连续性的要求。(3)痕量和高浓度同步监测分析的要求。(4)区域监测数据精确评估的要求。(5)应急监测的要求。(6)溯源的要求。(7)高时间分辨率，快速监测和响应的要求。(8)未知物种辨识和定量的需求。
现有的大气自动监测站和固定实验室，配置分析仪器多采用固定式的气相色谱、质谱等监测分析仪。对比现阶段大气环境监测分析的要求，二者在大气监测和评估上存在一定的限制和不足：
1)监测技术路线单一，大多数为气相色谱方法，监测物种具有局限性，监测数据缺乏多原理技术分析的对比验证。
2)监测时对污染事件响应速度慢，存在采样、距离等方面的限制。
3)固定式分析模式的限制，无法进行行进监测和溯源监测。
4)仪器分析时间分辨率均较低，多数为0.5～1小时的分析时长，无法进行快速监测和突发污染捕获。
5)无法深入或临近到污染源，在高浓度工况下进行监测分析。
因此，依靠实验室和空气自动站，无法对复杂环境大气进行全面评估，无法满足广覆盖性监测、溯源和应急等灵活机动监测、连续快速监测的需求。故而环境大气在监测技术的开发上仍有较大的空间。
发明内容
本发明的目的在于补足现有大气监测体系的缺陷和不足，提供一种集移动式、光谱分析技术和质谱分析技术协同互补、在线和离线样品分析于一体的多功能大气环境监测分析移动式实验室。
本发明提供的一种可全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，所述实验室均设置于环境稳定的动力车厢内，检测分析环境达到实验室标准。其可满足高/低浓度分析、应急监测、在线/离线分析、高时间分辨率分析、移动监测和广覆盖性物种分析等多种监测需求。为大气环境监测的技术开发提供了探索和参考。
技术方案如下：
本发明的移动式实验室以红外紫外监测分析系统和飞行质谱监测分析系统两路分析技术系统协同互补，适应不同浓度梯度、不同监测时间分辨率要求、不同属性物种要求、移动/驻点式监测、应急监测、污染源连续监测和未知物种快速辨识等多种要求的监测情形。为配套支撑此全面新型的监测体系，实验室配备了供电系统、温湿度控制系统、避震系统、阻燃防水系统、换风系统、内外监控系统、双采样系统、配气校准系统、气象系统、数据信息平台管理系统、GPS定位系统等。
所述红外紫外监测分析系统，位于移动实验室内部右侧区域，其工作应用包括：常规污染物的在线连续监测，支撑污染评估；对污染源和高浓度污染区域进行连续监测，评估污染源排放规律；实现高浓度大气样的在线和离线采样分析，发挥光学仪器特有的定性擅长点，辅助建立更广覆盖性的污染源谱；实现分析仪器的走航监测，评估区域大气污染的分布和变化；参与突发污染事件的应急监测工作。
所述飞行质谱监测分析系统，位于移动实验室内部左侧区域，其工作应用包括四个方面：其一为实现环境空气常规VOCs的在线实时监测，完成较低浓度时大气污染的数据评估；其二为实现大气评估区域无组织源、有组织源的采样离线分析，建立区域范围的污染源谱；其三为实现污染事件的移动式监测、分析和评估，辅助污染溯源；其四为对环境空气未知污染物进行定性检测，摸清污染实况。
优选地，所述红外紫外监测分析系统由抽取式FTIR分析仪、抽取式DOAS分析仪和紫外荧光法分析仪组成，保证最高的时间分辨率、常规连续监测、高浓度样品分析、离车应急监测和未知物的定性分析等方面配合。
优选地，所述飞行质谱监测分析系统由高精度的GC-TOF和快速TOF分析装置组成，保证分析精度、痕量监测、连续监测、快速响应和未知物分析等多方面功能配合。
所述的供电系统，用于移动实验室内所有仪器、仪表、配套辅助技术系统的用电配送，包括配电系统、UPS稳压系统、应急柴油发电系统，电力分直接电和蓄电，可实现电力随意安全切换。实际应用中，所有设备通过市电接电，经配电系统输送电力进行工作；电力设置UPS稳压续电装置，当移动实验室电力出现紧急断电时，系统迅速切换至应急蓄电，保证持续监测和仪表安全。电力持续缺失或野外应急用电时，柴油发电机组可运转发电，在可允许的范围内，维持实验室的运转。系统电力为380V或220V交流电。
所述的温湿度控制系统，用于维持车厢实验室内温度、湿度的适宜和稳定，保证质谱、光谱仪器的工作环境稳定。该系统涵盖车身隔热板材、进风吸附除湿装置、室内除湿机、车顶嵌入空调、挂壁备用空调、室内空气巡回缓流风扇、余热导出管路和温湿度监测仪等。运行时，车身材料阻绝外界温湿度干扰，车厢后进气装置设置除湿装置处理进气保证进气干燥；车顶吸顶空调和除湿机用于维持车厢内温度、湿度平衡；车厢内还设置了定向缓流风扇，用于保持车内空气缓慢均匀流动，从而使车厢内各区域的温湿度都保持稳定，车厢内保证温度处于25±5℃的温度和50％～60％的湿度范围，仪器大量放热时，仪器废热通过导热管路直接导出车外。
所述的避震系统，用于保护车厢实验室及内部仪器，防止其受到车体长距离行进时震动、摇晃的影响。系统包括空气悬架装置、仪器底部避震托盘、环保缓冲橡胶、减震固定弹簧等多种固定减震单元。运行时车辆整体的空气悬挂防震措施杜绝大部分来自与外界长途行进中的震动和摇晃，减震固定弹簧消除大部分自车体而来的震动，最终由放置仪器的避震托盘和缓冲橡胶消除最终的震动，保证仪器性能良好。
所述阻燃防水系统，车身采用全环保钢材为主板，并镀防水阻燃板层，门缝、进出风、采样系统衔接处均设橡胶封合材料。
所述换风系统，分进气装置和抽气出风装置。进气装置位于车厢后端，出气端位于车厢前顶部。进气时，外界空气经进气口的活性炭吸附设施处置，杜绝进气端带入污染物和过多的水分。运行时进风量比出风量稍大，保持关闭车门时，系统保持微正压状态，气流控制为定向流动。
所述内外监控系统，车内和车外各设置升降式高分辨率摄像头，显示屏幕和存储单元位于车厢内部。用于移动式实验室内部和外部的实时监控，运行时内部监控装置可查看车体内部仪器和人员状态，外部监控可实现外界环境的安全监管，同时满足200米外污染源排放情况的摄像监控。
所述双采样系统，分别为VOCs专用采样管路和常规污染物因子采样管路。分别用于飞行质谱监测分析系统和红外紫外监测分析系统的采样分析。采样头均位于车厢顶部，离车厢顶1.5m高，满足国家标准。
所述配气校准系统，用于配置分析所需的VOCs和常规污染物标准气体，其中所述的配气校准系统设置在车厢内后门位置，配置6个气瓶。
所述气象系统，位于车厢顶部，离车厢顶面1.8m，符合国家标准。用于监测移动实验室所在区域气象五参数监测，所测的气象信息一方面用于污染来源情况的分析和表征，另一方面用于监控外部大气环境状况。
所述数据信息平台管理系统，集成于实验室整体的软件设施，包括数采、工控机、存储单元和显示屏等。用于实现所有仪表设备的实时和历史监测数据处理，包括采集、存储、绘制监测因子浓度时间序列图、数据审核和报表生成等。数据信息平台管理系统服务于移动实验室，并与上海市监测数据信息平台连接，既可独立运转，也可协同工作。
所述GPS定位系统/北斗系统，位于移动实验室内部，与监测仪器关联，运行时实时采集移动实验室的地理位置，传输至数据信息平台管理系统，用于监测分析时溯源和移动监测地理信息的记录。
优选地，移动式实验室还包括内部局域网和无线传输网络，用于监测分析数据的内部存储、展示，以及与外部监测数据信息平台的实时上传，数据共享。
优选地，移动式实验室还包括配车使用的悬挂自动灭火器和手持便携式灭火器，保障实验室安全。
优选地，移动式实验室自身设计内部防雷，车身接地，实现恶劣天气下野郊区域的监测作业工作。
本发明还提供了一种避震设计、行进稳定、动力稳定和避雷满足实验室要求，可集成在线/离线分析、痕量/高浓度分析、有机/无机污染物分析、快速/精确分析等多层次分析实验室的重型卡车车辆。
综上所述，本发明的一种全方位、多层次分析监测大气环境的移动实验室系统，体现了集成化设计，结构完整，功能齐全，结合辅助系统实现远端智能化监控等自动化管理目标。
附图说明
图1为本发明一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室系统结构俯视图；
图2为本发明实施例车顶结构俯视图；
图3为本发明实施例温度控制效果图。
附图标记号说明：
1为红外紫外监测分析系统
2为飞行质谱监测分析系统
3为辅助技术系统
1-1为抽取式FTIR；
1-2为抽取式DOAS；
1-3为紫外荧光法分析技术装置；
2-1为GC-TOF；
2-2为快速TOF装置；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述
本发明一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室(如附图1所示)，所述的实验室监测分析系统和配套辅助技术系统均设置于动力车厢内，可规避实验室和空气自动监测站所存在的无法连续监测和样品采集、运输的难题；监测物种有限，无法离线精确分析和不可移动监测等问题。该移动实验室可适应不同浓度梯度要求、不同监测时间分辨率要求、不同属性物种要求、移动/驻点式监测、污染源应急监测、走航监测和未知物种快速辨识等多种要求的监测。
驻点连续监测时，移动实验室开至目标地点，其内1-1、1-2、1-3、2-1和2-1同时开启进行连续监测。通过精度高的2-1分析目标点位区域的污染物和特征污染物；2-2和1-2监测掌握主要污染物的变化规律和来源情况，并协同1-1监测捕获高浓度污染事件；1-3监测评估目标点位常规污染物的浓度水平和变化特征。
痕量监测、污染物源谱建立监测时，移动车驻点对目标区域进行环境大气痕量污染物监测并建立地方源谱监控因子库。监测采用在线连续监测和离线采样相结合，工作时以移动实验室为中心进行辐射式网格化布点采样，无组织源和有组织源相结合进行当地污染源谱的建立。实际操作为2-1在非离线分析时进行大气样分析，监控痕量污染物，离线分析时，2-1建立质谱响应性污染物谱库，1-1建立红外响应性污染物谱库，二者结合形成全面的污染物谱库。
移动走航监测时，移动车搭载实验室系统，开启2-2、1-1、1-2，对目标区域进行绕行走航监测，以此掌握目标大区域污染的空间分布特征、主要的污染源分布情况和特征污染物随区域位置的变化规律。
突发污染捕获监测，移动实验室进行驻点或走航连续监测时，由2-2、1-1和1-2进行突然污染事件的捕捉。三者秒至分钟的监测时间分辨率，在监测分析时间上具有无死角的连续性，实现对突发污染事件的捕捉，掌握区域内污染事件的发生频率和地点分布。
应急监测，污染事件或群众举报事件发生时，移动车开往事发地点进行紧急监测。通过1-1、1-2光学仪器离车进入污染源进行污染事件的大致评估，确定主要的污染物和大致浓度水平，判断污染排放的种类；通过2-2对区域范围内污染的浓度情况、物种情况和污染事件全时段变化进行不间断监控；2-1对污染区域进行深入分析，摸清所有污染物种类和精确浓度，为事件评估和责任等提供数据支持。
溯源监测时，移动实验室依据污染物风向来源进行行进式监测，由2-2和1-1进行连续监测分析，实现污染来源范围的缩小和确认，筛选出可疑并临近的污染源时，开启2-1通过离线采样或在线取样进行精确分析，1-1和1-2离车进入污染源进行源头排查，实现污染源的精确定位。
污染源监控监测时，主要依托1-1和1-2光谱分析仪器。当发现状况不稳或频繁排放的污染源头，需要进行连续监测监控时，1-1和1-2以离车形式进入污染源，对污染源(管道、烟囱、车间等)进行在线连续采样分析，从而掌握污染源的排放时间分布规律、排放浓度变化规律乃至导致污染的企业生产规律。
未知物种探索和辨识监测时，以2-1对环境空气中未知物种进行定性半定量监测，实际运行中对2-1进行分析条件修改或分析硬件更换，全谱扫描来进行大气环境中痕量未知物种的定性和半定量，完善污染物谱库和评估的全面性。
移动实验室在多种应用模式下使用时，均涉及移动实验室3(如附图1、附图2所示)的使用，实际工作中：车载电力供应及控制系统为分析仪器和其他耗电设施提供和稳定电力，并在行进和离点监测时提供备用应急电源；校准配气仪用于2-1、2-2和1-2、1-3的校准，输出包括VOCs标准气体、常规污染物标准气体；温湿度控制系统、避震系统、阻燃防水系统、换风系统、内外监控系统为实验室分析条件稳定的辅助技术系统：温度控制系统将移动实验室内环境温度控制在在25±5℃，湿度控制在50％～60％，当温度偏离25℃，湿度偏出合理范围时，温湿度系统开启工作(效果如附图3所示)。动力车厢和阻燃防水系统为保持走航和应急监测时实验室内环境的稳定：避震为空气悬挂技术配以仪器弹簧垫圈等，车体材质本身防水并阻燃。换风系统处于实时工作状态，后进风和前出风相结合的设计，保证实验室内空气定向缓流，VOCs本底控制在10ppb以内。监控系统则实时工作，并将监控图像云同步至数据信息平台管理系统。
实际采样分析工作中，移动车测试点位的位置由分析仪所带GPS定位系统/北斗系统提供并传输地理位置等信息。环境大气样品经惰性化处理的双采样系统进入实验室系统，采样分常规污染物因子和VOCs采样管两路主管，通过各路支管分别进入不同仪器进行分析。分析产生的废气、废热等经尾气排热管路直接排出车外。标准化的气象系统位于车厢顶部，采集气象数据匹配至分析数据，同时传输到车载内部数据信息平台管理系统。分析产生的所有数据、气象参数、地理位置信息和车内环境参数等均上传至数据信息平台管理系统完成数据存储和统计分析，并由数据信息平台管理系统完成实验室运维管理、数据成果展示和车体状态的监控和智慧管理。
进一步地，移动车数据信息平台管理系统与外界大区域的监测数据信息平台相连接，运行数据和管理与区域评估密切结合。
综上所述，本发明与现有大气环境实验室相比较具有如下特点：
1)集成化设计，结构完整，移动实验室不仅具备大气自动监测站、实验室的精细分析功能，实现环境空气的在线/离线连续分析监测的同时，还可实现移动式监测分析、污染事件的快速到位监测。
2)探索革新，建立了红外紫外监测分析系统/飞行质谱监测分析系统双路线监测分析体系，可实现环境空气在线和离线不同模式监测分析、浓度自0.1ppb至上百ppm范围的不同浓度梯度监测分析、分析物种属性自无机到有机，酸碱挥发性污染物和醛酮类含氧污染物等不同物种范畴的监测分析、时间分辨率自1秒至1小时的不同时间分辨率要求的监测分析，真正实现全方位、多层次地评估大气环境。一方面解决实验室分析滞后、分析手段单一、采样干扰大的问题，另一方面解决空气自动站监测物种不全、溯源定位困难、无法深入精细化分析的问题。
3)移动实验室设计了避震、阻燃、防水、温湿度控制、换风系统和内外监控装置，经测试论证，实验室内温度可在高温红色预警天气环境下恒定在25±5℃，湿度控制在50％～60％，内部环境VOCs本底控制在10ppb以下，均满足实验室要求。可实现不同天气环境下、不同污染程度区域和不同测试条件下的环境大气监测分析。
4)移动实验室设计配备了UPS稳压蓄电装置和柴油发电装置，可实现突发情况下、野外缺电情况下较短时间内的监测分析。
5)移动实验室设计配置了强大的车内车外智能化数据信息平台管理系统，一方面可实现实验室本身内部信息化管理和监测结果呈现，另一方面可实现与外部大区域监测数据信息平台的实时连接，从而既能实验室内部自动化管理，也能远端智能化监控移动实验室监测的数据情况。
Claims (6)
1.一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，实现移动式的驻点监测、快速移动到源监测，其特征在于，移动式实验室集成在动力车厢内，实验室设置实现VOCs、常规污染物、无机/有机恶臭污染物、无机酸以及未知污染物多类型污染物快速连续分析监测，抓捕突发污染事件；高浓度区域、污染源在线连续监测分析；离车深入突发污染源应急监测的红外紫外监测分析系统(1)和实现污染物的在线痕量高精度分析、离线采样痕量高精度分析；大气环境中未知痕量物种的定性半定量，真正摸清环境空气中污染因子；大气环境的在线快速连续分析和特征污染物突发污染的捕获的飞行质谱监测分析系统(2)相结合的广覆盖性监测分析体系及辅助技术系统(3)。
2.如权利要求1所述的一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，其特征在于，所述红外紫外监测分析系统(1)，包括抽取式FTIR(1-1)、抽取式DOAS(1-2)、紫外荧光法分析技术装置(1-3)。
3.如权利要求1所述的一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，其特征在于，所述飞行质谱监测分析系统(2)，包括GC-TOF(2-1)和快速TOF装置(2-2)。
4.如权利要求书1或2所述的一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，其特征在于，所述红外紫外监测分析系统(1)包括抽取式FTIR(1-1)和抽取式DOAS(1-2)，位于车厢右侧实验台，其中
实现对紧急事件或污染源高浓度污染的离车在线连续监测；在线监测时瞬时高浓度污染事件的即时捕获的抽取式FTIR(1-1)和抽取式DO AS(1-2)和
实现对飞行质谱仪器监测因子范围的拓宽补充；对现有色谱、质谱分析仪无法分析但光学响应良好的污染物在线监测的抽取式FTIR(1-1)。
5.如权利要求书1或3所述的一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，其特征在于，所述飞行质谱监测分析系统(2)包括GC-TOF(2-1)和快速TOF(2-2)，位于车厢左侧实验台，其中，
实现污染物在线痕量高精度分析，同时具备离线采样痕量高精度分析功能和实现大气环境中未知痕量物种定性半定量，真正摸清环境空气中污染因子的GC-TOF(2-1)和
实现大气环境的在线快速连续分析，特征污染物突发污染的即时捕获的快速TOF(2-2)。
6.如权利要求1所述的一种全方位、多层次分析大气环境的移动式实验室，其特征在于，所述辅助技术系统(3)包括供电系统、温湿度控制系统、避震系统、阻燃防水系统、换风系统、内外监控系统、双采样系统、配气校准系统、气象系统、数据信息平台管理系统、GPS/北斗定位系统。
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