CN108956481A - 交替测量大气中气溶胶消光系数和no2浓度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置和方法，本发明基于腔减光增强技术，通过在采样单元内设置气体处理装置，通过气体处理装置可从空气中直接获得用于标零的参考气体和用于测量NO2浓度的样气，并且本发明在采样单元和测量单元之间设置了切换单元，通过切换单元可切换进入测量单元的气体，从而使得本发明可以实现一台仪器测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度两种成分，本发明具有结构精简，测量精度高，测量方便，适用性广，可连续在线监测的优点。
Description
技术领域
本发明属于大气成分检测技术领域，涉及一种大气检测装置和检测方法，特别是一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置和方法。
背景技术
近年来，中国经济的飞速发展已受到全世界的关注。然而，这种快速的经济增长也伴随着社会体系的变革，高度的工业化和城市化带来了一系列的环境污染尤其是雾霾等大气污染，对可持续发展有着严重的负面影响，同时对人们的日常生活和身体健康存在着严重的威胁。如何获取环境变化的第一手资料，准确地提供大气物性及其变化趋势，是当前环境测量领域的一项迫切任务。
大气中气溶胶消光系数和NO2浓度是大气检测的两个重要参数。气溶胶是指悬浮在大气中的直径在1nm到100μm的各种固态和液态微粒，气溶胶消光系数是反应大气气溶胶的指标，气溶胶作为主要污染物已经被认为是形成重污染天气的主要原因之一，同时气溶胶对人类健康、大气气候、空气质量和生态变化等也有着严重的影响。大气中的NO2是一种酸性气体，NO2浓度的大小会影响臭氧层结构，当大气中NO2浓度较高时，臭氧层会被破坏，NO2浓度还会影响云层，造成酸雨等一系列生态问题。
研究表明，气溶胶对光有吸收和散射作用，NO2对光有吸收作用，当调制光经过气溶胶或者NO2后，光的相位会发生偏移，通过光的相位变化来测量介质的成分称之为腔减相移光谱技术，简称CAPS技术。CAPS技术在大气测量中已经得到应用，如专利申请号为201620747265.2的专利名称为“一种基于腔减相移光谱技术的大气中NO2浓度测量装置”和申请号为201620747266.7的专利名称为“一种快速测量气溶胶消光系数的装置”，具体的测量步骤通常为：
1、提供一种用于标零的参考气体(如N2气)，测出调制光的基础相位；
2、通入待测气体，测出调制光经过待测气体后产生变化的相位差；
3、通过相位差计算得出大气中的成分。
上述两种装置仍然存在以下缺陷：
1、需要提供参考气体，参考气体一般通过瓶装或者罐装，这样就增加了装置体积；
2、大气的监测是一个连续的过程，上述装置在参考气体用完后即无法继续完成监测，需要补充参考气体，增加了工作人员的工作量，也不利于完成连续在线实时监测；
3、大气中气溶胶消光系数和NO2浓度需要不同的装置来进行监测，增加了监测的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，该装置即可测量大气中的气溶胶消光系数，又可测量大气中的NO2浓度，响应速度快，测量精度高。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，包括由带调制器的光发射源，由谐振腔和光接收端构成的检测单元，由锁相放大器和数据处理模块构成的分析单元，还包括：
采样单元，所述采样单元与谐振腔连通并用于从大气中获取测量气溶胶消光系数的待测样气，所述采样单元上设置有气体处理装置，所述气体处理装置可对样气进行处理并获得用于测量待测气体NO2浓度的样气二和用于进行标零的参考气体；
切换单元，所述切换单元位于采样单元和检测单元之间，使谐振腔内选择性的进入样气或样气二或参考气体。
作为优选，所述气体处理装置包括沿进气方向依次设置的颗粒物过滤器，干燥管和NO2过滤器，样气经过颗粒过滤器和干燥管后形成样气二，样气经过颗粒物过滤器，干燥管和NO2过滤器后形成参考气体。
作为优选，所述干燥管和NO2过滤器之间设置有三通阀，所述三通阀选择性的使样气经过颗粒物过滤器和干燥管处理后成为样气二或者使样气经过颗粒物过滤器和干燥管处理后再经过NO2过滤器成为参考气体。
作为优选，还包括进气组件，所述进气组件为隔膜泵或者抽气泵，所述隔膜泵或抽气泵连通谐振腔的出气口。
作为优选，所述采样单元通过进气组件进气的气体流量为1.2L/min-2L/min。
作为优选，所述干燥管为Nafion管，所述Nafion管的内管用于进气，所述Nafion管的外管连接所述隔膜泵或抽气泵,所述外管的气流量为5mL/min-60mL/min。
作为优选，所述切换单元为一个四通阀或者分别设置在样气，样气二和参考气体的进气管路上的二通阀。
作为优选，所述进气组件和谐振腔之间设置有稳流阀或压力传感器。
本发明还提供了一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的方法，包括：
S1、提供权利要求1-8任一所述的测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置；
S2、打开所述装置的光发射端，使光线进入谐振腔，控制采样单元从外界采集样气，处理样气得到参考气体，控制切换单元使参考气体通入谐振腔直至排尽谐振腔内的原有余气，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录参考气体数据φ0；
S3、控制切换单元切换管路，处理样气得到样气二，使样气二进气通入到谐振腔直至排尽谐振腔内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气二数据φ1；
S4、控制切换单元切换管路，使样气进入谐振腔内直至排尽谐振腔内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气数据Φ2；
S5、分析单元通过分析计算φ0与φ1得出待测气体中NO2浓度，分析单元通过分析计算φ0和Φ2得出待测气体的消光系数。
作为优选，所述S2步骤和S3步骤顺序可先后更换。
与现有技术相比，本发明采用上述结构和方法具有以下优点：
1、本发明通过气体处理装置可直接从大气中获得用于测量的参考气体和用于测量NO2浓度的样气二，不需要提供额外的参考气体进行测量，从而使得测量更加方便；
2、本发明可交替测量大气中NO2浓度和气溶胶消光系数，一台装置进行测量即可获得上述两种参数。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的一实施例的结构图。
图3是本发明的另一实施例的结构图。
图4是本发明的检测的相位差结果图。
图5是本发明测得的气溶胶消光系数示意图。
图6是本发明测得的NO2浓度示意图。
图中，110、LED光源；120、调制器；130、平凸透镜；140、激光光源；200、谐振腔；210、保温箱；310、滤光片；320、光电倍增管；410、锁相放大器；420、数据处理模块；500、四通阀；610、颗粒物过滤器；620、nafion管；630、NO2过滤器；640、三通阀；650、流量阀；700、隔膜泵；710、稳流阀；800、吹扫管道；
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种交替测量大气中NO2浓度和气溶胶消光系数的装置，该装置基于腔减相移光谱技术，包括由带调制器120的光发射源，由谐振腔200和光接收端构成的检测单元，由锁相放大器410和数据处理模块420构成的分析单元，还包括采样单元和切换单元。采样单元内设置有气体处理装置，气体处理装置可从大气中直接采集用于测量气溶胶消光系数的样气，并且可将样气进行处理得到用于测量NO2浓度的样气二和用于进行标零的参考气体；切换单元位于采样单元和谐振腔200之间，控制切换单元可选择性的使谐振腔200内进入样气、样气二或者参考气体分别进行测量。
气体处理装置的作用是对大气中获得的样气进行处理，除去空气中干扰测量的成分，从而获得可用于标零的参考气体和用于测量NO2浓度的样气二。根据现有的研究发现，空气中相比可用于标零的参考气体中具有颗粒物，水分和NO2这些干扰气体，而干扰NO2浓度测量的成分则有颗粒物和水分，因此进一步的：
气体处理装置包括颗粒物过滤器610，干燥管和NO2过滤器630，当空气经过颗粒物过滤器610和干燥管后即除去了空气中的颗粒物和水分，获得了测量NO2浓度的样气二，当空气经过颗粒物过滤器610，干燥管和NO2过滤器630后即除去了空气中的颗粒物、水分和NO2，获得了用于标零的参考气体。需要指出的是，在实际应用过程中，颗粒物过滤器610，干燥管和NO2过滤器630是沿进气方向依次设置的，这样设置第一步即除去了颗粒物，可以保证颗粒物造成干燥管和NO2过滤器630堵塞。
通过上述陈述，可以得知，干扰测量NO2浓度的成分同时也均为干扰参考气体测量的成分，样气二再经过NO2过滤器630即能成为参考气体，因此为了减小装置的体积，减少气体处理装置的配件，进一步的：
在气体处理装置的干燥管和NO2过滤器630之间设置有三通阀640，经过处理得到的样气二通过三通阀640，三通阀640选择性的使样气经过颗粒物过滤器610和干燥管处理后成为样气二或者使样气经过颗粒物过滤器610和干燥管处理后再经过NO2过滤器630成为参考气体。
进一步的，本装置还包括进气组件，进气组件的作用是使谐振腔200内产生低压，从而使气体能够由进气处自动进入谐振腔200内，并快速将谐振腔200内的原有气体排除干净，进气组件进行辅助进气后，使采样单元的进气流量速度控制在1.2L/min-2L/min，在这个流量速度下，测试结果稳定性好，准确性高。进气组件可以设置在谐振腔200的进气管路上，也可以设置在谐振腔200的出气管路上。一般的，设置在出气管路上更加便于进气。进气组件可以是抽气泵或者隔膜泵700，也可以是其他辅助进气部件，只要能够将谐振腔200内的原有气体排出，并使谐振腔200内产生低压便于进气即可，本实施例中以隔膜泵700为例。
干燥管优选的采用nafion管620，nafion管620的内管和外管湿度有差距时，湿度较大处的水分会透过内管管壁流向湿度较低处，基于这一原理，本装置将nafion管620的内管连通在进气管道上，并将nafion管620的外管的一端通过外接管路连接隔膜泵700，外管和内管之间出气端处设置有透气孔，外接管路上设置有流量阀650，这样，隔膜泵700在进行抽气时，经过nafion管620干燥的气体绝大部分流入三通阀640，另外一部分气体在流量阀650的控制下以5mL/min-60mL/min的速度进入外接管路，并由抽气泵不断抽出，在外管内形成一股干燥的气流，这股干燥的气流使得内管内的空气水分不断渗入到外管处，并被抽出，从而形成一个干燥循环，干燥的效果好，也不用更换干燥介质，便于长期使用。
气体经过处理后需要由切换单元切换管路，选择进入谐振腔200内的气体，切换单元可以是三个分别设置在三路气体管路上的二通阀，也可以是一个设置在谐振腔200进气口处的四通阀500，本案不做具体要求，在进行测量时，每次测试仅允许一种气体进入到谐振腔200内即可。
在进行测量时，参考气体，样气，样气二是分时间段间隔测量的，根据气体标准下状态方程PV＝nRT可知，气压和气体温度均会会对气体产生影响，为了排除测量时谐振腔200内的气压大小不同引起测量误差，进一步的：
在隔膜泵700和谐振腔200出口的出气管路上设置了气压传感器或者稳流阀710。设置稳流阀710可以保证每次测量时，谐振腔200内待测气体压力保持一致；设置气流传感器可以测出测量时谐振腔200内待测气体的气压，并根据气体标准状态下方程公式PV＝nRT，消除气压的影响。
同样的，为了消除每次测量时环境温度不同造成测量误差，本装置设置有保温箱210，将谐振腔200固定设置在保温箱210内，从而保证每次测量时，谐振腔200内的气体温度均相同，消除温差带来的测量误差。
NO2过滤器630采用以活性炭为介质的过滤器即可，当气体经过活性炭后，NO2会被活性炭吸收，达到过滤NO2的目的。但是这样，当气体经过活性炭后，活性炭自身的颗粒物成分会被气流带出，使得经过NO2过滤器630的气体又增加了颗粒物，颗粒物会导致参考气体的标零产生较大误差，为了消除这个误差因素，本实施例在NO2过滤器630和切换单元之间设置了又一颗粒物过滤器610，通过该颗粒过滤器过滤掉从NO2过滤器630带出的颗粒物，保证参考气体标零的准确性。
在测量气溶胶消光系数时，待测气体内的气溶胶颗粒物会附着在谐振腔200两端的平面镜上，污染平面镜，挡住光线，造成测量误差，进一步的：
在谐振腔200两端平面镜处对应的设置有吹扫结构，吹扫结构包括吹扫口和吹扫管道800，吹扫口正对平面镜，吹扫管道800连接在干燥管和NO2过滤器630之间的进气管道上，吹扫管道800上设置有流量阀650，吹扫管道800内的气流在流量阀650的控制下以5mL/min-40mL/min的速度行进。测量过程中，吹扫口不断有除去颗粒物的干燥气体喷出吹扫平面镜，保证平面镜不被污染。同时，由于由吹扫管道800内进来的气体量相对谐振腔200进气口进来的气体量差距非常悬殊，因此，由吹扫口进来的气体对测量结果的影响可以忽略不计，不会影响测量结果。
本实施例交替测量NO2浓度和气溶胶消光系数的步骤如下：
S1、提供上述交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置；
S2、打开所述装置的光发射端，使光源进入谐振腔200，控制采样单元从外界采集样气，处理样气得到参考气体，控制切换单元使参考气体通入谐振腔200直至排尽谐振腔200内的原有余气，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录参考气体数据φ0；
S3、控制切换单元切换管路，处理样气得到样气二，使样气二进气通入到谐振腔200直至排尽谐振腔200内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气二数据φ1；
S4、控制切换单元切换管路，使样气直接进入谐振腔200内直至排尽谐振腔200内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气数据Φ2；
S5、分析单元通过分析计算φ0与φ1得出待测气体中NO2浓度，分析单元通过分析计算φ0和Φ2得出待测气体的气溶胶消光系数。
这里需要指出的是，在本测量方法中，S3和S4步骤先后顺序可进行更换，更换顺序不影响测量结果。
另外需要指出的是，本实施例也可单独测量大气中气溶胶消光系数或者单独测量大气中NO2浓度。
单独测量大气中气溶胶消光系数步骤如下：
A1、光发射端发射光源，使光源进入谐振腔200，控制采样单元从外界采集样气，处理样气得到参考气体，控制切换单元使参考气体通入谐振腔200直至排尽谐振腔200内的原有余气，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录参考气体数据φ0；
A2、控制切换单元切换管路，使样气进入谐振腔200内直至排尽谐振腔200内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气数据Φ2；
A3、分析单元通过分析计算φ0和Φ2得出待测气体的消光系数。
单独测量大气中NO2浓度的步骤如下：
B1、光发射端发射光源，使光源进入谐振腔200，控制采样单元从外界采集样气，控制切换单元使参考气体通入谐振腔200直至排尽谐振腔200内的原有余气，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录参考气体数据φ0；
B2、控制切换单元切换管路，处理样气得到样气二，使样气二进气通入到谐振腔200直至排尽谐振腔200内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气二数据φ1；
B3、分析单元通过分析计算φ0与φ1得出待测气体中NO2浓度。
实施例2：
实施例2是实施例1的应用例，如图2所示，本实施例的光发射端采用LED光源110，，LED光源110和谐振腔200之间设置有平凸透镜130，谐振腔200与光接收端之间设置有滤光片310，光接收端采用光电倍增管320。进行测量时，调制器120将LED光源110发射的光线调制形成正弦波、方波或者崭波中的一种，经过调制的光线通过平凸透镜130耦合进入谐振腔200，并在谐振腔200内经过待测气体的发射或者吸收由谐振腔200的另一端射出，射出后的光线进行滤光片310过滤得到高反射波段的光线，便于分析检测数据，过滤后的光线进入光电倍增管320转化为电信号，并通过锁相放大器410调制出相位差后传输到数据处理模块420进行计算得到测量结果。本实施例中切换单元采用四通阀500，进气组件采用隔膜泵700，隔膜泵700设置在谐振腔200的出气管路上。进行检测时：
C1、先打开LED光源110，紧接着四通阀500切换到参考气体管路使参考气体通入到谐振腔200内，通气3-5分钟之后记录参考气体的相位差φ0；
C2、四通阀500切换到样气管路使样气通入到谐振腔200内，通气3-5分钟后记录样气的相位差Φ2；
C3、四通阀500切换到样气二管路使样气二通入到谐振腔200内，通气3-5分钟后记录样气二的相位差φ1。
检测结果如图4所示。
根据检测的数据通过以下公式得到测量结果：
其中αext表示测量结果，L表示谐振腔200机械长度，c表示光速，f表示LED调制频率，l表示待测气体在谐振腔200内的有效长度，表示参考气体测量出的相位差，n表示比例系数，比例系数通过标准气体测得，表示气溶胶消光系数或者NO2浓度测出的相位差。当测量大气中的气溶胶消光系数时公式中为的值，n的值为固定为1，测量结果如图5所示；当测量大气中的NO2浓度时，公式中的的值为的值，n的值为标准气体测量的比例系数值，测量结果如图6所示。
实施例3：
实施例3是实施例1的又一应用例，如图3所示实施例3与实施例2的不同之处在于实施例3中光发射端采用激光光源140，采用激光光源140在谐振腔200和光源之间不需要设置平凸透镜130，在谐振腔200和光接收端之间也不用设置滤光片310。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，该装置基于腔减相移光谱技术，包括由带调制器的光发射源、由谐振腔和光接收端构成的检测单元，由锁相放大器和数据处理模块构成的分析单元，其特征在于，还包括：
采样单元，所述采样单元与谐振腔连通并用于从大气中获取测量气溶胶消光系数的待测样气，所述采样单元上设置有气体处理装置，所述气体处理装置可对样气进行处理并获得用于测量待测气体NO2浓度的样气二和用于进行标零的参考气体；
切换单元，所述切换单元位于采样单元和检测单元之间，使谐振腔内选择性的进入样气或样气二或参考气体。
2.根据权利要求1所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，所述气体处理装置包括沿进气方向依次设置的颗粒物过滤器，干燥管和NO2过滤器，样气经过颗粒过滤器和干燥管后形成样气二，样气经过颗粒物过滤器，干燥管和NO2过滤器后形成参考气体。
3.根据权利要求2所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，所述干燥管和NO2过滤器之间设置有三通阀，所述三通阀选择性的使样气经过颗粒物过滤器和干燥管处理后成为样气二或者使样气经过颗粒物过滤器和干燥管处理后再经过NO2过滤器成为参考气体。
4.根据权利要求1、2或3所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，还包括进气组件，所述进气组件为隔膜泵或者抽气泵，所述隔膜泵或抽气泵连通谐振腔的出气口。
5.根据权利要求4所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，所述采样单元通过进气组件进气的气体流量为1.2L/min-2L/min。
6.根据权利要求5所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，所述干燥管为Nafion管，所述Nafion管的内管用于进气，所述Nafion管的外管连接所述隔膜泵或抽气泵,所述外管的气流量为5mL/min-60mL/min。
7.根据权利要求1所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，所述切换单元为一个四通阀或者分别设置在样气，样气二和参考气体的进气管路上的二通阀。
8.根据权利要求6或7所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置，其特征在于，所述进气组件和谐振腔之间设置有稳流阀或压力传感器。
9.一种交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的方法，包括：
S1、提供权利要求1-8任一所述的测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的装置；
S2、打开所述装置的光发射端，使光线进入谐振腔，控制采样单元从外界采集样气，处理样气得到参考气体，控制切换单元使参考气体通入谐振腔直至排尽谐振腔内的原有余气，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录参考气体数据φ0；
S3、控制切换单元切换管路，处理样气得到样气二，使样气二进气通入到谐振腔直至排尽谐振腔内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气二数据φ1；
S4、控制切换单元切换管路，使样气进入谐振腔内直至排尽谐振腔内的原有气体，检测单元检测出射入光线数据结果并发送给分析单元，分析单元记录样气数据Φ2；
S5、分析单元通过分析计算φ0与φ1得出待测气体中NO2浓度，分析单元通过分析计算φ0和Φ2得出待测气体的消光系数。
10.根据权利要求9所述的交替测量大气中气溶胶消光系数和NO2浓度的方法，其特征在于，所述S2步骤和S3步骤顺序可先后更换。
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