CN109781639B - 同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置和方法，该装置包括：入气口：入气口连接第一入气支路和第二入气支路，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；气体过滤器：设置在第二入气支路上，可以过滤待检测的气体；光度计：支路选通组件的出气口连接至光度计；数据处理器：数据处理器获取光度计的探测数据并计算待检测气体的浓度。该方法包括：计算二氧化硫的定标系数；计算二氧化氮的定标系数；并根据计算得出的定标系数计算二氧化硫和二氧化氮的浓度。本发明提供的装置和方法可以用于同时检测环境空气中的两种待测气体，通过交替通入背景气和样气的方式，降低气体对光源波动的敏感，稳定性更好。

Description

同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置与方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，涉及一种可以同时检测环境空气中两种气体的装置与方法，具体为同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置与方法。

背景技术

二氧化硫和二氧化氮均为大气气态污染物，是环境空气质量监测的必测污染气体种类。目前环境空气在线监测中，二氧化硫主要采用紫外荧光法检测，二氧化氮采用化学发光法检测，两种气体检测设备是单独的设备，都存在体积大、重量大、功耗大、需要复杂预处理设备、较为频繁的校准和复杂的维护等特点，主要应用于固定式环境空气监测站。对于便携式环境空气检测设备，需要满足体积小、重量轻、功耗低、预处理简单、较少的校准和维护等要求，携带方便，适用于现场快速安装检测和应急检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置，该装置体积小、重量轻、便携性强，可随身携带，直接反馈两种气体的浓度检测结果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置，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；

气体过滤器：设置在第二入气支路上，所述气体过滤器可以过滤待检测的气体；

光度计：包括二氧化硫检测通路和二氧化氮检测通路；支路选通组件的出气口连接至光度计；

数据处理器：所述数据处理器获取光度计的探测数据并计算待检测气体的浓度。

进一步地，所述光度计包括气室、设置在气室入光端的光源和设置在气室出光端的光电探测组件，支路选通组件出口连接至气室入口，光源和光电探测组件分别设置在气室的两端。

进一步地，所述光度计进一步包括分光棱镜，所述光源为窄带光源，包括中心波长不同的第一光源和第二光源，分光棱镜设置在光源与气室之间；还包括用于分别控制第一光源和第二光源的工作的光源控制机构，第一光源工作时，形成二氧化硫检测通路，第二光源工作时，形成二氧化氮检测通路。

进一步地，所述光源为宽谱段光源，所述光度计还包括分光棱镜，所述光电探测组件包括第一光电探测组件和第二光电探测组件，分光棱镜设置在气室与光电探测组件之间；进一步包括用于分别控制第一光电探测组件和第二光电探测组件工作的光电探测组件控制机构，第一光电探测组件工作时，形成二氧化硫检测通路，第二光电探测组件工作时，形成二氧化氮检测通路。

进一步地，所述处理器包括：

数据采集单元：用于采集光度计测量的二氧化硫的吸光度信息和二氧化氮的吸光度信息；

定标系数计算单元：用于基于已知浓度的二氧化硫的吸光度信息和已知浓度的二氧化氮的吸光度信息计算二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数；

气体浓度计算单元：用于基于待测气体的吸光度信息和定标系数计算单元计算的二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数，计算环境气体中二氧化硫和二氧化氮的浓度。

进一步地，所述处理器包括：干扰系数计算单元：用于计算两种气体之间的干扰系数。

同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的方法，包括：

计算二氧化硫的定标系数

计算二氧化氮的定标系数

将环境空气经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集光强二氧化氮测量通道采集光强/>将环境空气经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集光强/>二氧化氮测量通道采集光强/>

计算环境空气中二氧化硫的浓度为：

计算环境空气中二氧化氮的浓度为：

进一步的，所述方法进一步包括：计算二氧化氮对二氧化硫的校正系数：

将已知浓度的二氧化氮经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：采集二氧化氮测量通道采集的光强为：/>再经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：/>二氧化氮测量通道采集的光强为/>

计算二氧化氮对二氧化硫的干扰校正系数：

修正计算环境空气中二氧化硫的浓度为：

或者也可以写为：

进一步的，计算定标系数的方法为：

将已知浓度的二氧化硫，经第一入气支路通入光度计，采集光强信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

通入已知浓度的二氧化氮，经第一入气支路通入光度计，采集光信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

本发明提供的可同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮气体浓度的装置，较现有技术相比存在以下优点：

本发明提供的装置和方法可以用于同时检测环境空气中的两种待测气体，通过交替通入背景气和样气的方式，降低气体对光源波动的敏感，稳定性更好；同时可以减少零点和量程漂移，大大降低校准的频次；

该装置采用光度计和处理器作为主要的检测和分析部件，无运动部件，稳定性好；单个光度计可实现二氧化硫和二氧化氮的检测；该体积小、重量轻、功耗低，适合便携实用，适合于户外检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为二氧化氮和二氧化硫吸收光谱示意图；

图2为本发明气体检测装置结构示意图；

图3为本发明第一种实施方式光度计结构示意图；

图4为本发明第二种实施方式光度计结构示意图；

其中，图中各附图标记：

1-气体检测装置，101-第二入气支路,102-第一入气支路，103-气体过滤器，104-支路选通组件，105-湿度平衡管，106-光度计，107-光度计入气口，108-光度计出气口，109-温度传感器，110-压力传感器，111-流量计，112-气泵；

201-第一光源,202-第二光源,203-分光棱镜，204-气室，205光电探测组件；

301-光源，302-气室，303-分光棱镜，304-第一光电探测组件，305-第二光电探测组件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“设置在”，“连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮气体浓度的装置，该装置和方法可以用于环境气体检测领域。与现有技术相比，该装置和方法可以同时检测两种气体的浓度，体积小，便携性强。

参考图2，一种可同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的气体检测装置1，包括：

入气口：入气口接通一个入气管路，入气口用于接入环境气体；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；支路选通组件104用于控制第一入气支路102或第二入气支路101的接通，本实施例中，支路选通组件104采用三通电磁阀。支路选通组件104选用PTFE材料，进而可减小对待检测气体的吸附损失。

上述第一入气支路102和第二入气支路101的材料为对待检测的气体没有吸收的材料，例如，本实施例若检测二氧化硫和二氧化氮的话，则采用对以上两种气体没有吸收的材料，可选用PTFE等材料。

气体过滤器103：设置在第二入气支路101上，气体过滤器103可以过滤待检测的气体；可以通过选配气体过滤器103中的滤芯组件来控制其可过滤的气体；例如，需要检测的为二氧化硫和二氧化氮气体，则气体过滤器103可以过滤二氧化硫和二氧化氮气体。需要说明，二氧化硫/二氧化氮过滤器为仅消除环境空气中二氧化硫和二氧化氮的过滤器，不可消除其他气体，可通过化学反应消除二氧化硫和二氧化氮。

光度计106：包括二氧化硫检测通路和二氧化氮检测通路；二氧化硫检测通路和二氧化氮检测通路可以分别互不干扰的检测二氧化硫的光强度信号和二氧化氮的光强度信号。光度计106具体包括气室、设置在气室入光端的光源和设置在气室出光端的光电探测组件，支路选通组件104出口连接至气室入口，即光度计的入气口107，光源和光电探测组件分别设置在气室的两端；作为辅助结构，光度计的出气口108可以连接气泵112和流量计111，流量计111采用孔口流量计。气泵112采用的为薄膜泵，气泵112配合流量计11可以稳定控制气路中流量，确保流量稳定。

同时，作为其他辅助设计，气体检测装置还包括上述湿度平衡管105，设置在支路选通组件104出气支路上，本实施例采用的为一种膜式渗透管，不能透气，但可以保持管内和管外的湿度保持平衡，如选择博纯公司的纳芬管。

作为其他辅助设计，在光度计106上设置有温度传感器109和压力传感器110，分别检测光度计气室中的温度和压力，用于二氧化硫和二氧化氮气体浓度的计算。

数据处理器：数据处理器获取光电探测组件的探测数据并计算待检测气体的浓度。数据处理器包括微处理器，内置计算程序，可以根据光度计106的检测结果自动计算待检测气体的浓度。

具体说，为了完成气体浓度计算，处理器包括以下功能模块：

数据采集单元：用于采集光度计测量的二氧化硫的吸光度信息和二氧化氮的吸光度信息；

定标系数计算单元：用于基于已知浓度的二氧化硫的吸光度信息和已知浓度的二氧化氮的吸光度信息，计算二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数；

气体浓度计算单元：用于基于待测气体的吸光度信息和定标系数计算单元计算的二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数，计算环境气体中二氧化硫和二氧化氮的浓度。

干扰系数计算单元：用于计算二氧化氮对二氧化硫的干扰系数。由于气体性质造成气体之间的相互干扰，二氧化氮会影响二氧化硫的检测性能，但二氧化硫不会影响二氧化氮的检测性能。即，在通入二氧化硫气体时，仅可以检测出二氧化硫的特性；但在通入二氧化氮气体时，确可以检测出二氧化硫和二氧化氮的特性。因此，干扰系数计算单元用于计算二氧化氮对二氧化硫的干扰系数。

采用本发明提供的气体检测装置，可以同时完成环境气体中二氧化硫和二氧化氮气体浓度的检测。具体的检测方法在后续实施方式中介绍。

本发明进一步提供以下两种光度计的实施结构。这两种实施结构要实现可以分通道检测两种待测气体光信号的功能。

第一种光度计的实施结构。本实施例以气体检测装置可以检测环境二氧化硫和环境二氧化氮为例，来说明光度计的配置。

参考图3，光度计进一步包括设置在光源一侧的分光棱镜203，光源为双中心波长窄带光源，包括第一光源201和第二光源202，第一光源201的光和第二光源202的光经分光棱镜后进入气室204。

第一光源201与第二光源202中心波长不同。本实施例中，配合二氧化硫和二氧化氮的检测，第一光源201的波长为280nm，半高宽为10nm的紫外LED光源，第二光源202的波长为400nm，半高宽为10nm的蓝色LED光源。光度计还包括光源控制机构，用于分别控制第一光源201和第二光源202的工作。直角分光棱镜203将光源201的光透射进入气室204，并将光源202的光反射进入气室204，光源控制机构可以控制第一光源201和第二光源202间歇性工作，两个光源产生的光交替进入气室204。第一光源201工作时，形成二氧化硫检测通路，第二光源202工作时，形成二氧化氮检测通路。光电探测组件采用的为单元硅光电探测器205。

在气室的另一端光电二极管探测器305探测两种光源透过气室304的光能量。在这种光度计结构形式下，光源301和光源302交替发光，光源301发光时，探测器305采集的光信号为二氧化硫通道光强信号，光源302发光时，探测器305采集的光信号为二氧化氮通道光强信号。光源301和光源302均可以采用脉冲方式工作，降低功耗，提高光源使用寿命。

第二种光度计的实施结构。

参考图4，进一步地，光源301为宽谱段光源，光度计进一步包括设置在光电探测组件一侧的分光棱镜303，光电探测组件为双元探测器，包括第一光电探测组件304和第二光电探测组件305，本实施例中，配合环境二氧化硫和环境二氧化氮的检测，光源301的光谱范围覆盖二氧化硫和二氧化氮的特征吸收光谱区域。光源301发出的光直接进入气室302，在气室302的出光口设置一直角分光棱镜303。第一光电探测组件304可探测中心波长为280nm的，半高宽为10nm的带通滤光片，第二光电探测组件305可探测中心波长为400nm，半高宽为10nm的带通滤光片。气室302出光经分光棱镜303分别到达第一光电探测组件304和第二光电探测组件305。直接透过分光棱镜303的光束被第一光电探测组件304接收，分光棱镜403反射的光被第二光电探测组件305接收。

包括光电探测组件控制机构，用于分别控制第一光电探测组件304和第二光电探测组件305的工作。第一光电探测组件304工作时，形成二氧化硫探测通路，第二光电探测组件305工作时，形成二氧化氮探测通路。具体说，光电探测组件控制机构控制第一光电探测组件304和第二光电探测组件305交替工作，采集气室302出光。在这种光度计结构形式下，光源301发光时，探测器304采集的光信号为二氧化硫通道光强信号，探测器405采集的光信号为二氧化氮通道光强信号。光源301可采用脉冲氙灯，具有功耗低，使用寿命长的特点。

基于以上气体检测装置，进一步提供一种可以同时检测环境控制中二氧化氮和二氧化硫气体浓度的检测方法。

图1所示为二氧化硫和二氧化氮的特征吸收光谱，二氧化硫的特征吸收在250nm～320nm之间，峰值吸收在280nm左右，二氧化氮的特征吸收在250nm～600nm之间，峰值吸收在400nm左右。选择280nm波长和400nm波长分别检测二氧化硫和二氧化氮具有最高的信噪比。400nm左右二氧化硫对二氧化氮没有干扰，但在280nm左右，二氧化氮会对二氧化硫产生正干扰。根据朗伯比尔定律，吸光度具有叠加性，所以可以通过检测280nm处二氧化氮的吸光度来对二氧化硫的检测进行干扰修正。

同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的方法，包括以下步骤。

(1)计算气体的定标系数。

需要分别计算二氧化硫的定标系数以及，二氧化氮的定标系数/>

将已知浓度的二氧化硫，经第一入气支路通入光度计，采集光强信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

通入已知浓度的二氧化氮，经第一入气支路通入光度计，采集光信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

(2)计算二氧化氮以及二氧化硫的浓度。

将环境空气经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集光强二氧化氮测量通道采集光强/>将环境空气经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集光强/>二氧化氮测量通道采集光强/>

计算环境空气中二氧化硫的浓度为：

计算环境空气中二氧化氮的浓度为：

更进一步的，作为本发明的一种具体实施方式，根据二氧化硫以及二氧化氮气体的特性，二氧化氮对二氧化硫的检测性能存在干扰，但二氧化硫对二氧化氮的检测性能不存在干扰。为了提高气体浓度的检测精度，所述方法进一步包括：计算二氧化氮对二氧化硫的校正系数。

将已知浓度的二氧化氮经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：采集二氧化氮测量通道采集的光强为：/>再经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：/>二氧化氮测量通道采集的光强为/>

计算二氧化氮对二氧化硫的干扰校正系数：

基于二氧化氮对二氧化硫的干扰系数，进一步修正计算环境空气中二氧化硫的浓度为：

或者也可以写为：

修正之后的二氧化硫的浓度较二氧化氮的浓度减去了二氧化氮气体对二氧化硫气体检测形成的干扰，计算获得的二氧化硫的浓度更精确。

由于二氧化硫气体不会对二氧化氮气体的特性产生干扰，因此不需要修正二氧化氮气体浓度的检测结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置，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；

气体过滤器：设置在第二入气支路上，所述气体过滤器能够过滤待检测的气体；

光度计：包括二氧化硫检测通路和二氧化氮检测通路；支路选通组件的出气口连接至光度计；

数据处理器：所述数据处理器获取光度计的探测数据并计算待检测气体的浓度；

所述处理器包括：

数据采集单元：用于采集光度计测量的二氧化硫的吸光度信息和二氧化氮的吸光度信息；

定标系数计算单元：用于基于已知浓度的二氧化硫的吸光度信息和已知浓度的二氧化氮的吸光度信息计算二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数；

气体浓度计算单元：用于基于待测气体的吸光度信息和定标系数计算单元计算的二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数，计算环境气体中二氧化硫和二氧化氮的浓度；

干扰系数计算单元：用于计算两种气体之间的干扰系数；

其中，定标系数计算单元按如下方法计算二氧化硫的定标系数和二氧化氮的定标系数：

将已知浓度的二氧化硫，经第一入气支路通入光度计，采集光强信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

将已知浓度的二氧化氮，经第一入气支路通入光度计，采集光信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

干扰系数计算单元按如下方法计算两种气体之间的干扰系数：

将已知浓度的二氧化氮经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：采集二氧化氮测量通道采集的光强为：/>再经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：/>二氧化氮测量通道采集的光强为/>

计算二氧化氮对二氧化硫的干扰校正系数：

2.如权利要求1所述的同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置，其特征在于，所述光度计包括气室、设置在气室入光端的光源和设置在气室出光端的光电探测组件，支路选通组件出口连接至气室入口，光源和光电探测组件分别设置在气室的两端。

3.如权利要求2所述的同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置，其特征在于，所述光度计进一步包括分光棱镜，所述光源为窄带光源，包括中心波长不同的第一光源和第二光源，分光棱镜设置在光源与气室之间；还包括用于分别控制第一光源和第二光源的工作的光源控制机构，第一光源工作时，形成二氧化硫检测通路，第二光源工作时，形成二氧化氮检测通路。

4.如权利要求2所述的同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置，其特征在于，所述光源为宽谱段光源，所述光度计还包括分光棱镜，所述光电探测组件包括第一光电探测组件和第二光电探测组件，分光棱镜设置在气室与光电探测组件之间；进一步包括用于分别控制第一光电探测组件和第二光电探测组件工作的光电探测组件控制机构，第一光电探测组件工作时，形成二氧化硫检测通路，第二光电探测组件工作时，形成二氧化氮检测通路。

5.同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的方法，其特征在在于，包括：

计算二氧化硫的定标系数将已知浓度/>的二氧化硫，经第一入气支路通入光度计，采集光强信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化硫定标系数：/>

计算二氧化氮的定标系数通入已知浓度/>的二氧化氮，经第一入气支路通入光度计，采集光信号/>再经第二入气支路通入光度计，采集光信号/>计算二氧化氮定标系数：/>

将环境空气经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集光强二氧化氮测量通道采集光强/>将环境空气经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集光强/>二氧化氮测量通道采集光强

计算环境空气中二氧化硫的浓度为：

计算环境空气中二氧化氮的浓度为：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：计算二氧化氮对二氧化硫的校正系数：

将已知浓度的二氧化氮经第一入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：采集二氧化氮测量通道采集的光强为：/>再经第二入气支路通入光度计，二氧化硫测量通道采集的光强为：/>二氧化氮测量通道采集的光强为/>

计算二氧化氮对二氧化硫的干扰校正系数：

修正计算环境空气中二氧化硫的浓度为：