CN109358005A - 二氧化氮浓度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化氮浓度检测装置及检测方法，该检测装置包括入气口，所述入气口连接第一入气支路和第二入气支路，所述第一入气支路和第二入气支路连接至支路选通组件的入口，第二入气支路上设置有二氧化氮过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计包括光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算二氧化氮浓度。该检测方法。该测定方法，通过已知浓度的标准气体来确定定标系数，基于定标系数和气体的光强计算二氧化氮的浓度。该装置和方法为一种化学光学法检测二氧化氮浓度的装置和方法，可以减少零点和量程漂移，大大降低校准的频次，检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种二氧化氮浓度检测装置和二氧化氮浓度测定方法。
背景技术
二氧化氮是主要大气气态污染物之一，对人体的呼吸道系统有刺激作用，长时间暴露在高浓度二氧化氮下可诱发支气管炎、哮喘等呼吸道疾病。准确测定环境空气中的二氧化氮浓度对于了解大气污染机制、判断大气污染程度、确定污染来源、进行空气质量预警，以及帮助制定合理的城市规划等都具有重要的意义。
二氧化氮的检测方法主要有分光光度法和化学发光法。分光光度法需要先将空气样品通过吸收溶液捕集后再进行测定，因而工作量大，采集数据时间分辨率低，方法灵敏度较差。化学发光法检测二氧化氮具有灵敏度高、选择性好、测量范围大、不需要化学试剂和实时在线检测的优点，是环境空气在线监测主要使用的方法之一。然而化学发光法实际上只能直接检测一氧化氮，二氧化氮的检测是首先将二氧化氮通过钼丝或光解转换器转换成一氧化氮，然后再进行检测，因此检测的关键在于二氧化氮转换成一氧化氮的转换效率。然而钼丝或光解转换器的温度、二氧化氮浓度、样气流量等因素都会影响到转换效率。为了获得精确二氧化氮测量，仪器设计十分复杂。
如果能够采用光学方法直接检测环境空气中二氧化氮的浓度，将会使检测更加容易和准确。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提出了基于光学方法进行二氧化氮浓度检测的装置和方法，可以直接检测环境二氧化氮成分。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种二氧化氮浓度检测装置，包括入气口，所述入气口连接第一入气支路和第二入气支路，所述第一入气支路和第二入气支路连接至支路选通组件的入口，第二入气支路上设置有二氧化氮过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计包括光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算二氧化氮浓度。
优选的，处理器包括：
数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；
定标系数计算单元：用于基于标准二氧化氮气体的光度信息计算光度计定标系数，所述标准二氧化氮气体为已知浓度的二氧化氮气体；
二氧化氮浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算二氧化氮浓度。
优选的，光度计进一步包括气室和探测器，所述探测器采用硅光电二极管，所述气室采用怀特型长光程气室。
优选的，二氧化氮浓度测定装置进一步包括气泵，所述气泵连接至光度计的出口。
优选的，二氧化氮浓度测定装置进一步包括毛细血管稳流器，设置在光度计出口和气泵之间的气路上。
优选的，二氧化氮浓度测定装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计之间气路上的湿度平衡管。
优选的，湿度平衡管采用膜式渗透管。
优选的，支路选通组件为三通电磁阀。
一种二氧化氮浓度检测方法，基于上述的二氧化氮浓度检测装置，包括以下步骤：
选择已知浓度Ck的二氧化氮气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik1，进一步将氮气经第一入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号Ik0；
基于第一光强信号和第二光强信号，计算定标系数k，
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I0；
计算二氧化氮浓度：
同时，该方法也可以采取如下的步骤来实施：
选择已知浓度Ck的二氧化氮气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第五光强信号I'k0；
基于第一光强信号和第五光强信号，标准气体的浓度与光强信号的关系，计算定标系数k，
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I0；
计算二氧化氮浓度：
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)采用基于比尔-朗伯定律的原理进行二氧化氮检测，直接根据二氧化氮的光吸收特性计算二氧化氮浓度，减少了零点和量程漂移，大大降低校准的频次，检测精度高。该方法采用交替通入背景气和样气的方式，使得对光源波动不敏感，稳定性更好。
(2)可直接测量二氧化氮，避免了常规的化学发光法中需要首先将二氧化氮转化为一氧化氮的工序，没有转化效率造成的损失。
(3)采用模块化设计，可以通过气体吸收池长度的调节来灵活调节检测的动态范围和灵敏度。
(4)体积小、重量轻，方便携带；功耗低，可以采用锂电池供电，没有其他配套设施的需求。能够实现随时随地检测的目的。为轻量化便携式环境空气二氧化氮分析仪。
附图说明
图1为本发明二氧化氮浓度检测装置结构图；
图2为二氧化氮特征吸收光谱示意图；
图3为处理器结构示意图；
图4为本发明第一种二氧化氮浓度测定方法流程图；
图5为本发明第二种二氧化氮浓度测定方法流程图。
100-二氧化氮浓度检测装置，101-第二支路，102-第一支路，103-二氧化氮过滤器，104-三通电磁阀，105-湿度平衡器，106-光度计，1061-光源，1062-气室，1063-探测器，107-光度计入口，108-光度计出口，109-温度传感器，110-压力传感器，111-毛细血管稳流器，112-气泵。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明首先提供一种二氧化氮浓度测定装置，可用于二氧化氮浓度的测定。
一种二氧化氮浓度检测装置100，结构参考图1，包括入气口，入气口连接第一入气支路102和第二入气支路101，第一入气支路102和第二入气支路101连接至支路选通组件的入口，第二入气支路101上设置有二氧化氮过滤器103；进一步包括光度计106和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计入口107。其中，支路选通组件用于控制第一支路102或第二支路101与光度计106的接通，且同时，仅有一路支路的气体接入光度计106。本实施例中，支路选通组件采用三通电磁阀104，其可放置在气路一分二的位置或二合一的位置，也就是在二氧化氮过滤器103的前端或后端，采用PTFE阀体。通过电磁阀的控制，使得通过二氧化氮过滤器(第二入气支路101)和没通过二氧化氮过滤器二氧化氮(第一入气支路102)的气路交替连通。
上述气路中的气管采用不吸附二氧化氮的材料，例如，可以选用PTFE材料或FPA材料，以减小对二氧化氮的吸附损失。第二入气支路101上的二氧化氮过滤器103中装有与二氧化氮反应的颗粒，能够仅消除掉二氧化氮成分，而不影响样气中的其他成分。
图2所示为二氧化氮在可见光谱段的特征吸收光谱，特征吸收的峰值在400nm左右，在特征吸收峰值的位置具有比较强的吸收，可以选择在此谱段进行二氧化氮的光度法检测，这样可以获得最大的信噪比，减小干扰，提高检测精度。
基于此，对本发明二氧化氮浓度检测装置采用的光度计106进行如下设计。光度计106的结构至少包括光源、气室和探测器。光度计的波长选择中心波长为400nm，带宽不大于10nm。可以选择不同波长类型的光源，例如宽波段光源或窄波段光源。具体是实施方案如下。(1)选择可见光谱段的宽波段光源，在光源输出端或探测器端加入中心波长为400nm，带宽不超过10nm的窄带滤光片；(2)选择中心波长为400nm，带宽为10nm的LED光源；(3)选择波长为400nm的激光二极管。探测器为硅光电二极管。气室的光程应大于2米，容积小于50毫升，保证有足够快的冲洗频率。光度计106的气室采用的为长光程气室，气室内设置有气体吸收池。
数据处理器与光度计106进行信号通信，获取光度计106采集的光度信息，并计算生成二氧化氮浓度。处理器具体包括：
数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；
定标系数计算单元：用于基于标准二氧化氮气体的光度信息计算光度计定标系数，标准二氧化氮气体为已知浓度的二氧化氮气体；
二氧化氮浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算二氧化氮浓度。
为了保证更精确的测量精度，二氧化氮浓度测定装置进一步包括温度传感器109和压力传感器110，温度传感器109和压力传感器110连接至光度计106，用于测量光度计106内的温度和压力，用于计算二氧化氮浓度。这种二氧化氮浓度的计算方法与本发明提供的方法属于冗余算法，属于现有技术中已知的计算方法，此处不再赘述。
为了保证气体通过测定仪的流畅性，二氧化氮浓度测定装置进一步包括气泵112，气泵112连接至光度计出口108。气泵112采用的为薄膜泵，在光度计106出口和气泵112之间的气路上设置毛细血管稳流器111，毛细血管稳流器111可以稳定控制气路中流量，确保流量稳定。
为了进一步降低气体湿度对测量精度的影响，二氧化氮浓度检测装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计106之间气路上的湿度平衡管105。上述湿度平衡管106为一种膜式渗透管，只能通过水分子氢氧基交换使的管壁内外的湿度达到平衡状态，不能透气，因此其它气体不受影响，可以保持管内和管外的湿度平衡。本实施例选择的为博纯公司的纳芬管。
上述二氧化氮浓度测定装置具有市电接口和锂电池接口，可采用市电供电，也可采用锂电池供电，使得可以随时随地使用。由于可采用锂电池供电，可进一步提高仪器的便携性，不受供电条件的使用限制。
本发明进一步提供二氧化氮浓度测定方法，该测定方法可以采取如下两种方式来实施。以下两种实施方式均需要用到二氧化氮标准气体，所不同的是，一种是采用二氧化氮标准气体来计算光度计的定标系数，另一种是采用二氧化氮标准气体和氮气相结合的方式来计算光度计的定标系数。本实施例采用的二氧化氮标准气体为瓶装二氧化氮标准气体，为二氧化氮和氮气的混合气，即在氮气中加入了一定量的二氧化氮。
第一种方式，流程参考图4。
一种二氧化氮浓度测定方法，采用上述的二氧化氮浓度检测，包括以下步骤：
(1)计算定标系数
选择已知浓度Ck的二氧化氮作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第五光强信号I'k0，经过第二入气支路的二氧化氮标准气体，其中的二氧化氮被过滤掉；
基于第一光强信号和第二光强信号，标准气体的浓度与光强信号的关系，计算定标系数k，
气体的浓度与光强信号的关系为：
推算获得定标系数：
(2)计算二氧化氮浓度
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I0，经过第二支路的气体，为去除二氧化氮之后的气体；
计算二氧化氮浓度：
第二种方式，流程参考图5。
(1)计算定标系数
选择已知浓度Ck的二氧化氮气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik1，进一步将氮气经第一入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号Ik0；
基于第一光强信号和第二光强信号，标准气体的浓度与光强信号的关系，计算定标系数k；
气体的浓度与光强信号的关系为：
推算获得定标系数：
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I0；
计算二氧化氮浓度：
本发明提供的二氧化氮浓度测定装置，体积小、重量轻，方便携带；功耗低，可以采用锂电池供电。本发明提供的二氧化氮浓度测定方法是基于光度法进行的直接的二氧化氮浓度的测定方法，不需要进行二氧化氮到一氧化氮的气体工序转换，不需要进行复杂的气体预样处理，方法简单高效，测量结果精确。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：包括入气口，所述入气口连接第一入气支路和第二入气支路，所述第一入气支路和第二入气支路连接至支路选通组件的入口，第二入气支路上设置有二氧化氮过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计包括光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算二氧化氮浓度。
2.如权利要求1所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：所述处理器包括：
数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；
定标系数计算单元：用于基于标准二氧化氮气体的光度信息计算光度计定标系数，所述标准二氧化氮气体为已知浓度的二氧化氮气体；
二氧化氮浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算二氧化氮浓度。
3.如权利要求1所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：光度计进一步包括气室和探测器，所述探测器采用硅光电二极管，所述气室采用怀特型长光程气室。
4.如权利要求1所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：所述二氧化氮浓度测定装置进一步包括温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器连接至光度计，用于测量光度计内的温度和压力。
5.如权利要求1所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：所述二氧化氮浓度测定装置进一步包括气泵，所述气泵连接至光度计的出口。
6.如权利要求5所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：所述二氧化氮浓度测定装置进一步包括毛细血管稳流器，设置在光度计出口和气泵之间的气路上。
7.如权利要求1所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：所述二氧化氮浓度测定装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计之间气路上的湿度平衡管。
8.如权利要求1所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于：支路选通组件为三通电磁阀。
9.一种二氧化氮浓度检测方法，一种二氧化氮浓度检测方法，采用权利要求1至8中任意一项所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
选择已知浓度Ck的二氧化氮气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik1，进一步将氮气经第一入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号Ik0；
基于第一光强信号和第二光强信号，计算定标系数k，
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I0；
计算二氧化氮浓度：
10.一种二氧化氮浓度检测方法，采用权利要求1至8中任意一项所述的二氧化氮浓度检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
选择已知浓度Ck的二氧化氮气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第五光强信号I'k0；
基于第一光强信号和第五光强信号，计算定标系数k，
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I0；
计算二氧化氮浓度：
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| CN201811525347.2A Pending CN109358005A (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 二氧化氮浓度检测装置及方法 |
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| CN (1) | CN109358005A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114127557A (zh) * | 2019-07-25 | 2022-03-01 | 国立研究开发法人物质材料研究机构 | 使用气体传感器的测定方法和测定装置 |
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2018
- 2018-12-13 CN CN201811525347.2A patent/CN109358005A/zh active Pending
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