CN109975224B - 气体拍摄检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体拍摄检测系统，包括：混合气体调节装置，包括流量调节器、惰性气体湿度发生器、气体混合器、待测气体供给瓶以及惰性气体供给瓶；气室装置，包括气体吸收检测池；所述气室装置的进气口与所述混合气体调节装置的出气口连接；所述气体吸收检测池包括进光孔、怀特池结构、出光孔和相机拍摄口，所述出光孔和相机拍摄口处设有光路转化器；光源；光谱仪；拍摄装置，包括滤镜和相机，所述滤镜包括设于滤镜轮上的多个滤镜片，所述拍摄装置与所述相机拍摄口连接。本发明的气体拍摄检测系统还可以实现对不同浓度和不同湿度的污染气体的检测，有助于建设污染气体拍摄检测数据模型。
Description
技术领域
本发明涉及污染气体浓度检测的技术领域，具体而言，涉及气体拍摄检测系统。
背景技术
SO2(二氧化硫)又称亚硫酸酐，是大气主要污染物之一。SO2是一种无色，密度大于空气的污染气体，对于人体的危害主要在于将其吸入肺部而引起呼吸道刺激和烧灼感，损害人体健康；对于自然环境造成的有害影响包括酸化、烟雾和对敏感生态系统的破坏。SO2也能导致空气质量变差，主要是通过形成的散射和吸收太阳能，影响地球的大气气溶胶辐射预算。
目前对于SO2采用的检测方法有多种，如紫外荧光法SO2监测仪，主要采用是光学和电子学技术，对采样技术要求较高，检测效率低，已经不能满足现代技术对高效的要求；对于相关测定标准方法也有很多，SO2气体测得的标准方法主要为《甲醛溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法》，主要缺点在于检测速率低，操作复杂；目前有少量的研究运用紫外相机拍摄检测SO2，例如公开号为CN205067360U中国实用新型专利公开了一种SO2气体成像遥测装置，通过紫外-可见光相机对目标区域成像和紫外光谱仪进行光谱采集来计算SO2浓度，但是现实中污染气体不是单纯的SO2，而是具有一定温度和湿度的混合气体，因此难以进行数据模型的建立；并且该装置仅采用一个中心波长为300nm的紫外相机，使得检测的精确度明显降低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供气体拍摄检测系统，以解决现有技术中拍摄检测污染气体难以进行数据模型的建立的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种气体拍摄检测系统。该气体拍摄检测系统包括
混合气体调节装置，包括流量调节器、惰性气体湿度发生器、气体混合器、待测气体供给瓶以及惰性气体供给瓶；
气室装置，包括气体吸收检测池；所述气室装置的进气口与所述混合气体调节装置的出气口连接；所述气体吸收检测池包括进光孔、怀特池结构、出光孔和相机拍摄口，所述出光孔和相机拍摄口处设有光路转化器；
光源，所述光源与所述进光孔通过第一准直导入镜和第一光纤连接；
光谱仪，所述光谱仪与所述出光孔通过第二准直导入镜和第二光纤连接；
拍摄装置，包括滤镜和相机，所述滤镜包括设于滤镜轮上的多个滤镜片，所述拍摄装置与所述相机拍摄口连接。
本发明的气体拍摄检测系统基于朗伯-比尔定律，以相机为检测仪器，利用污染气体吸收特征波长的光的特性，采用多个滤镜片拍摄权重计算，用相机拍摄反演获得各环境状态下污染气体的浓度，直观的观察到污染气体的浓度变化，整个装置结构简单，可实现快速、高效和准确的检测，为拍摄检测及大气环境治理提供了有效的技术参数及手段。其中，滤镜片由多个滤镜片组成，检测精度显著提升，并结合滤镜轮进行自动切换，实现污染气体的快速拍摄检测。本发明的气体拍摄检测系统还可以实现对不同浓度和不同湿度的污染气体的检测，有助于建设污染气体拍摄检测数据模型。
进一步地，所述惰性气体供给瓶、流量调节器、惰性气体湿度发生器和气体混合器依次连接。加湿后的惰性气体流量难以调节，因此，在确定好惰性气体的流量之后再进行加湿，可以精确地控制所得混合气体中污染气体的浓度。通过先对惰性气体加湿、后混合的方式，可以有效减少污染气体的溶解，有助于稳定所得混合气体中污染气体的浓度。其中，流量调节器同时调节污染气体和惰性气体的流量。
进一步地，所述待测气体供给瓶为SO2供给瓶。SO2的高效检测一直是污染气体检测领域难以攻克和迫切需要解决的技术问题，采用本发明的气体拍摄检测系统，可以实现对不同浓度和不同湿度的SO2的检测，有助于建设SO2拍摄检测数据模型，为拍摄检测及大气环境治理提供了有效的技术参数及手段。
进一步地，所述滤镜片为4个，对应的波段分别是270nm、280nm、300nm和310nm。SO2在上述四个波段均具有最大的吸收灵敏度，由此，通过四个滤镜片进行综合检测，可以显著提升检测精度。
进一步地，还包括波段为340nm的滤镜片。SO2在340nm以上波长基本没有吸收，由此，通过结合340nm波段的滤镜片，可以排除其它干扰因此如颗粒物等物质的干扰，进一步显著提升检测的精度。
进一步地，所述气体吸收检测池具有多次折返的怀特池结构，光程长度为4.2m，尺寸为400*75*50mm，气体容积为362mL。气体吸收检测池应当具有小体积和长光程的特性，采用具有上述参数的气体吸收检测池，在用于测试SO2的过程中，可以显著提升拍摄检测的准确性。
进一步地，所述光源为紫外光源、可见光光源或红外光源，所述相机为紫外相机、可见光相机或红外相机。本发明的结构简单，操作方便，实用性广，可以适用于吸收特性不同的多种污染气体。
进一步地，所述惰性气体供给瓶为N2(氮气)供给瓶。相比于氦气、氩气等惰性气体以及其它与污染物吸收光不在同一个波段的惰性气体而言，N2不仅价格便宜且易获取，且N2可以模拟自然环境，提升检测数据的实用性。
进一步地，所述气室装置还包括加压器和气压监控器。由此，不仅可以模拟不同压力环境的污染物，而且可以检测气体吸收检测池的气密性。
进一步地，所述气室装置还包括加热器和温度监控器。由此，可以模拟不同温度环境的污染物。
可见，本发明的气体拍摄检测系统结构简单，可实现对不同浓度和不同湿度的污染气体的快速、高效和准确的检测，有助于建设污染气体拍摄检测数据模型，为拍摄检测及大气环境治理提供了有效的技术参数及手段。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的气体拍摄检测系统的结构示意图。
图2为本发明的气体拍摄检测系统的气体吸收检测池的一个方向的视图。
图3为本发明的气体拍摄检测系统的气体吸收检测池的另一个方向的视图。
图4为干燥的、温度为25℃的混合气体在不同浓度下的测试结果，其中，曲线a-e分别对应的滤镜片的波段分别为280nm、270nm、300nm、310nm和340nm。
图5为干燥的、浓度为1308mg/m3的混合气体在不同温度下的测试结果。
图6为温度为25℃、浓度为1308mg/m3的混合气体在不同湿度下的测试结果。
图7为干燥的、温度为25℃、浓度为200mg/m3的混合气体的紫外相机拍摄照片。
图8为干燥的、温度为25℃、浓度为600mg/m3的混合气体的紫外相机拍摄照片。
图9为干燥的、温度为25℃、浓度为1000mg/m3的混合气体的紫外相机拍摄照片。
图10为干燥的、温度为25℃、浓度为1400mg/m3的混合气体的紫外相机拍摄照片。
图11为干燥的、温度为25℃、浓度为1800mg/m3的混合气体的紫外相机拍摄照片。
图12为气体拍摄检测系统的紫外光谱仪的稳定性测试结果。
图13为气体拍摄检测系统的紫外相机的稳定性测试结果。
图14为气体拍摄检测系统的紫外光谱仪的重复性测试结果。
图15为气体拍摄检测系统的紫外相机的重复性测试结果。
上述附图中的有关标记为：
11-流量调节器，12-惰性气体湿度发生器，13-气体混合器，14-待测气体供给瓶，15-惰性气体供给瓶，2-气体吸收检测池，21-进光孔，22-出光孔，23-相机拍摄口，24-光路转化器，25-进气口，26-排气口，27-连接口，31-加热器，32-温度监控器，41-加压器，42-气压监控器，51-光源，52-第一准直导入镜，53-第一光纤，61-光谱仪，62-第二准直导入镜，63-第二光纤，71-滤镜，72-相机，73-滤镜轮，8-电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1为本发明的气体拍摄检测系统的示意图。如图1所示，该气体拍摄检测系统包括混合气体调节装置、气室装置、光源51、光谱仪61和拍摄装置，其中，
所述混合气体调节装置包括流量调节器11、惰性气体湿度发生器12、气体混合器13、待测气体供给瓶14以及惰性气体供给瓶15；所述惰性气体供给瓶15、流量调节器11、惰性气体湿度发生器12和气体混合器13依次连接。
所述气室装置包括气体吸收检测池2、控制所述气体吸收检测池2内的混合气的温度的加热器31和温度监控器32以及控制所述气体吸收检测池2内的混合气的压力的加压器41和气压监控器42。所述气室装置的进气口25与所述混合气体调节装置的出气口连接。如图2-3所示，所述气体吸收检测池2为长方体，内部为具有多次折返的怀特池结构，在上部设有排气口26、进气口25，在面积较小的侧面设有进光孔21和出光孔22，在面积较大的一个侧面设有相机拍摄口23，所述出光孔22和相机拍摄口23处设有光路转化器24，在面积较大的另一个侧面设有与所述温度监控器32和气压监控器42配合的连接口27。该结构的气体吸收检测池2结构简单，能够同时实现气体的吸收、气体的拍摄、光的进出以及气体温度和压力的调控。
所述光源51与所述进光孔21通过第一准直导入镜52和第一光纤53连接；
所述光谱仪61与所述出光孔22通过第二准直导入镜62和第二光纤63连接；
所述拍摄装置包括滤镜71和相机72，所述滤镜71包括设于滤镜轮73上的多个滤镜片，所述拍摄装置与所述相机拍摄口23连接。所述滤镜轮73为美国apogee仪器有限公司的AFW50-7滤镜轮73。滤镜轮73由电脑8控制，可以自动切换所需波段的滤镜片。
所述光源51为紫外光源51(如氘灯光源)、可见光光源51(如钨灯光源)或红外光源51(如LED灯或硅碳棒光源)，所述相机72为紫外相机、可见光相机或红外相机。
具体的，该气体拍摄检测系统是一种基于紫外吸收测试SO2浓度的气体拍摄检测系统，对应地，所述待测气体供给瓶14为SO2供给瓶，所述惰性气体供给瓶15为N2供给瓶，所述滤镜片为5个，对应的波段分别是270nm、280nm、300nm、310nm和340nm，所述气体吸收检测池2的光程长度为4.2m，尺寸为400*75*50mm，气体容积为362mL，所述光源51为氘灯光源，功率为30W，波段为210-400nm，能稳定的提供紫外光；第一光纤53可以将210-400nm的紫外光导入气体吸收检测池2中。使用时，将SO2和N2通入混合气体调节装置，调节浓度和湿度，得到所需浓度湿度的混合气体，将速率为600ml/min的混合气体通入气体吸收检测池2中，持续5min以上后关闭进气口25，然后调节至所需的温度和压力，打开紫外相机，将紫外相机的电荷耦合器(CCD)温度设置为零下50℃，紫外相机光圈值为F16，曝光时间为1s，切换不同的滤镜片，对通过混合气体的紫外光进行拍摄，各滤镜片下每个曝光时间下自动拍摄10张照片，在电脑8上读取气体吸收紫外光后光强值的平均值为拍摄检测结果。测定结束后，将流速为600ml/min的N2通入气体吸收检测池2中清洗仪器，通气5min后关机。
使用效果如下：
(1)对不同温度(5-45℃)、不同浓度(0-2617mg/m3)和不同湿度(35-85％RH)的混合气体进行了检测。采用单一变量法，即温度测试中采用干燥的、浓度为1308mg/m3的混合气体，浓度测试中采用干燥的、温度为25℃的混合气体，湿度测试中采用温度为25℃、浓度为1308mg/m3的混合气体。测试结果见图4-6。结果显示，随着混合气体中SO2浓度的增加，测试的吸光度值同时也增加，各滤镜片下的检测曲线拟合结果R2均大于0.99；随着混合气体温度的增加，测试的吸光度值随之减少，各滤镜片下的检测曲线拟合结果R2均大于0.95；随着混合气体湿度的增加，测试的吸光度值基本不变，说明混合气体的湿度变化不会对该检测系统的检测结果造成影响。可见，不论是温度还浓度的变化，该检测系统都可以很好的反映，较高的相关性证明该方法是准确、可靠的测定技术。其中，不同浓度混合气体拍摄测定结果照片如图7-11所示(图7-11分别是从对应的10张照片中选取的一张)。
(2)采用紫外光谱仪对该气体拍摄检测系统的稳定性进行验证，具体为：将常温、干燥、浓度为1308mg/m3的混合气体通入气体检测吸收池中后，关闭阀门5min后进行检测，结果如图12所示。从图12可以看出，装置内混合气体对于280nm紫外光的吸光度在50s内到达稳定，而且在稳定后的5min内检测结果稳定一致，说明该气体拍摄检测系统的气密性较好，可以实现在一段时间内的检测。
(3)采用紫外相机拍摄检测对气体拍摄检测系统的稳定性进行验证，具体为：与(2)同样的条件，检测结果如图13所示。从图13可以看出，在30min内，280nm波段滤镜片下检测结果是稳定一致的，证明该气体拍摄检测系统在单次配气条件下可实现多次稳定检测。
(4)采用紫外光谱仪对该气体拍摄检测系统的重复性进行验证，具体为：将常温、干燥、浓度为1308mg/m3的混合气体通入气体检测吸收池中后，关闭阀门5min后进行检测，重复4次检测，结果如图14所示。从图14可以看出，4次重复实验的标准偏差为0.2％，证明该气体拍摄检测系统具有良好的重复性，可实现多次同条件的设置。
(5)采用紫外相机拍摄检测对气体拍摄检测系统的重复性进行验证，具体为：将常温、干燥、浓度为0-2617mg/m3(浓度间隔为262mg/m3)的混合气体通入气体检测吸收池中后，关闭阀门5min后采用310nm波段的滤镜71进行检测，每个浓度拍摄10张照片并取平均值，重复3次验证，结果如图15所示。从图15可以看出，各浓度下的3次重复实验中，标准偏差均小于为0.5％，证明该检测系统可实现多次稳定检测，检测结果准确度高。
测试的原理如下：
当从光源51发出的光经过混合气体后，由于待测气体对光的吸收，光强会发生衰减，光强的衰减遵循朗伯—比尔定律：
I(λ)＝I0(λ)×exp{-τ(λ,l)} (1)
公式(1)中，I是在波长λ处获得的光强度，I0是光经过混合气体前初始光强度，τ是光学长度。
公式(2)中，L是光线穿过的总路程，σ是吸收系数，c是混合气体浓度。在路程L中认为混合气体浓度是均匀的，将公式(2)式带入公式(1)中可以获得：
公式(3)中，ρ是混合气体的吸光度，σλ是为波长λ处的吸收系数。
在没有光照的条件下，紫外相机拍摄后获得背景值，记为Bg；在气体吸收检测池2中为纯的惰性气体情况下时，拍摄检测出的结果为紫外相机拍摄混合气体的对照值，记为Re；对混合气体拍摄检测结果记为Rs；可以表达为：
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.气体拍摄检测系统，其特征在于：包括
混合气体调节装置，包括流量调节器(11)、惰性气体湿度发生器(12)、气体混合器(13)、待测气体供给瓶(14)以及惰性气体供给瓶(15)；
气室装置，包括气体吸收检测池(2)；所述气室装置的进气口(25)与所述混合气体调节装置的出气口连接；所述气体吸收检测池(2)包括进光孔(21)、怀特池结构、出光孔(22)和相机拍摄口(23)，所述出光孔(22)和相机拍摄口(23)处设有光路转化器(24)；
光源(51)，所述光源(51)与所述进光孔(21)通过第一准直导入镜(52)和第一光纤(53)连接；
光谱仪(61)，所述光谱仪(61)与所述出光孔(22)通过第二准直导入镜(62)和第二光纤(63)连接；
拍摄装置，包括滤镜(71)和相机(72)，所述滤镜(71)包括设于滤镜轮(73)上的多个滤镜片，所述拍摄装置与所述相机拍摄口(23)连接；
所述惰性气体供给瓶(15)、流量调节器(11)、惰性气体湿度发生器(12)和气体混合器(13)依次连接；
所述光源(51)为紫外光源、可见光光源或红外光源，所述相机(72)为紫外相机、可见光相机或红外相机。
2.如权利要求1所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述待测气体供给瓶(14)为SO2供给瓶。
3.如权利要求2所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述滤镜片为4个，对应的波段分别是270nm、280nm、300nm和310nm。
4.如权利要求2所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述滤镜片为5个，对应的波段分别是270nm、280nm、300nm、310nm和340nm。
5.如权利要求2所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述气体吸收检测池(2)具有多次折返的怀特池结构，光程长度为4.2m，尺寸为400×75×50mm，气体容积为362mL。
6.如权利要求1所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述惰性气体供给瓶(15)为N2供给瓶。
7.如权利要求1所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述气室装置还包括加压器(41)和气压监控器(42)。
8.如权利要求1所述的气体拍摄检测系统，其特征在于：所述气室装置还包括加热器(31)和温度监控器(32)。
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