CN110554000A - 适合系留气艇的大气气态污染物中ho2自由基在线测量系统 - Google Patents

适合系留气艇的大气气态污染物中ho2自由基在线测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，包括气艇、在线测量HO2自由基部件和进气管；在线测量HO2自由基部件设于气艇的悬挂篮内，包括沿气体流经方向依次设置的过滤器、混合器、加热管、高压反应管、测量室单元和气泵；诱导激光发生发射器发射的激光射入高压反应管，气体在高压反应管内、在激光的诱导下进行反应，生成HO2自由基；激光探测器发出激光穿过测量室单元，激光穿过测量室单元时被测量室单元中的HO2自由基吸收，激光的强度发生衰减，激光接收器接收穿过测量室单元的激光，根据激光强度的衰减量得到HO2自由基的浓度。本发明具有准确、高效、稳定等优点。

Description

适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统
技术领域
本发明属于环境测量领域，涉及一种大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，尤其涉及一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统。
背景技术
大气活性HO2自由基是大气光化学反应的引发剂和催化剂，对于灰霾的形成和对流层中臭氧的平衡起关键作用，其浓度等级可作为衡量大气自身氧化水平的重要指标。大气HO2自由基是大气化学过程中重要的中间产物,是一次污染物去除与二次污染物生成的重要媒介。因此，进行大气过氧自由基的实地测量，有助于了解区域内过氧自由基的浓度水平、探寻其化学行为对理解特定区域光化学过程的特点和机理具有重要的意义。与此同时，无论国外还是国内的观测，仍主要集中在近地面的观测，严重缺乏局地源影响边界层内的梯度观测，难以准确揭示污染物在边界层内的垂直分布特征及其大气气态活性HO2自由基的可能影响，从而阻碍了对大气HO2自由基的认知。而对大气中气态HO2自由基的垂直分布的观测研究，有助于进一步深度解析污染源和成因，为政府出台调控政策提供理论基础。
当前，测量HO2的经典方法是激光诱导荧光技术，通过化学反应将过氧自由基HO2与RO2转化成OH自由基，再对产生的OH进行检测，推算出生成的OH浓度。这种方法具有检测限低、误差范围小、响应时间快等特点。但现有使用的方法设备笨重，能耗大，在观测使用中收到限制。
发明内容
本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，包括气艇、在线测量HO2自由基部件和进气管；气艇包括气艇本体和悬挂篮，气艇本体充气后具有浮力，使气艇上升至任意高度，悬挂篮悬挂在气艇本体的下方；在线测量HO2自由基部件设于悬挂篮内；在线测量HO2自由基部件包括沿气体流经方向依次设置的过滤器、混合器、加热管、高压反应管、测量室单元和气泵；进气管的一端伸出悬挂篮外，另一端与在线测量HO2自由基部件的过滤器的进气口连接；过滤器去除气体中的气溶胶颗粒物，气体过滤后进入混合器；混合器将气体混合均匀，气体混合后进入加热管；加热管加热气体，气体加热后进入高压反应管；在线测量HO2自由基部件还包括诱导激光发生发射器，诱导激光发生发射器发射的激光射入高压反应管，气体在高压反应管内、在激光的诱导下进行反应，生成HO2自由基，HO2自由基与剩余气体进入测量室单元；在线测量HO2自由基部件还包括激光探测器和探测激光接收器，激光探测器发出激光穿过测量室单元，激光穿过测量室单元时被测量室单元中的HO2自由基吸收，激光的强度发生衰减，激光接收器接收穿过测量室单元的激光，根据激光强度的衰减量得到HO2自由基的浓度；测量室单元中的气体被激光检测后，由排气管路排出；气泵设置在排气管路上，为气体进入在线测量HO2自由基部件提供动力。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，测量室单元包括沿气体流经方向依次设置的第一测量室和第二测量室；在线测量HO2自由基部件还包括第一光学棱镜和第二光学棱镜；激光探测器和第一光学棱镜分别位于第一测量室的两侧，探测激光接收器和第二光学棱镜分别位于第二测量室的两侧，激光探测器和探测激光接收器位于测量室单元的同一侧；激光探测器发出的激光穿过第一测量室，射至第一光学棱镜，经第一光学棱镜反射，射至第二光学棱镜，再经第二光学棱镜反射，穿过第二测量室被探测激光接收器接收。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，诱导激光发生发射器发出的激光的波长为248或266nm，诱导气体在高压反应管中进行化学反应，反应过程依次为：诱导反应，反应方程式为：H2O2+hv→2OH，hv为248或266nm的激光；OH前体物与H2O2进行物质交换反应，产生HO2，反应方程式为：OH+H2O2→H2O+HO2；激光探测器发出的激光的波长为308nm。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，加热管的出气口与高压反应管的进气口直接连接。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，诱导激光发生发射器设置在加热管末端的侧面，诱导激光发生发射器发射的激光先射入加热管的末端，再射入高压反应管。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，加热管、高压反应管、第一测量室、第二测量室的内部均涂覆有惰性涂层。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，在线测量HO2自由基部件还包括质量流量计，沿气体流经的方向，质量流量计设置在测量室单元与气泵之间。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，混合器位于过滤器的下方，诱导激光发生发射器、加热管和高压反应管位于过滤器和混合器的侧面，第一测量室、第二测量室、质量流量计和气泵均位于混合器、诱导激光发生发射器、加热管和高压反应管的下方，激光探测器和探测激光接收器分别位于第一测量室和第二测量室的上方，第一光学棱镜和第二光学棱镜分别位于第一测量室和第二测量室的下方；第一光学棱镜与激光探测器发出激光的方向呈45°夹角设置，第二光学棱镜与第一光学棱镜对称设置。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：其中，加热管将气体加热至25℃。
进一步，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，还可以具有这样的特征：还包括电池电源系统，电池电源系统设于悬挂篮内，为在线测量HO2自由基部件供电；汽艇还包括配重、缆绳和缆绳控制电机；配重均匀设置在悬挂篮外侧；缆绳的一端与悬挂篮底部的中心位置连接，另一端与缆绳控制电机连接，缆绳控制电机控制缆绳放出的长度，使气艇上升或下降。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，包括气艇和在线测量HO2自由基部件，在线测量HO2自由基部件通过激光诱导，使进样气体进行反应，成为包含有稳定状态和浓度HO2自由基的气体，然后再通过配置有激光探测器、测量室单元和探测激光接收器，对该稳定的HO2自由基进行浓度检测。在线测量HO2自由基部件的设计科学合理，既可以通过上述原理提供精准的在线监测，又通过设计优化各装置及其之间的作用关系，合理排布，降低设备重量和能耗，使得该系统能够用于系留汽艇上，垂直观测大气气态HO2浓度。
此外，在线测量HO2自由基部件检测的时间分辨率为可到达秒级以下，能够快速测量数据，避免了测量的滞后性。其加热管等还可以满足高空在线实时监测所需的严苛条件。由气艇装载的该在线测量HO2自由基部件可实现对HO2自由基的连续在线垂直监测。
本发明操作简便，能够快速、高效、准确的检测大气气态HO2自由基的成分，能够实现自动化控制，可以长期稳定运行，结果可靠，能测量大气中气态污染物中HO2自由基浓度的垂直分布，为人体健康、大气污染和气候变化等研究提供了一个快速、方便和精确的设备和系统。同时，也为研究大气气态HO2自由基对人类健康和环境的影响提供了必要手段，特别适合于研究气态HO2自由基浓度的垂直分布，对于大气环境中的自由基的形成、转化机理研究具有十分重要的理论和实际意义。
附图说明
图1是适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统的结构示意图；
图2是在线测量HO2自由基部件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，包括气艇1、在线测量HO2自由基部件2、进气管3和电池电源系统4。
气艇1包括气艇本体11、悬挂篮12、配重13、缆绳14和缆绳控制电机15。
气艇本体11充氦气后具有浮力，使气艇1上升至任意高度。悬挂篮12通过悬挂线绳16悬挂在气艇本体11的下方。配重13均匀设置在悬挂篮12外侧，使悬挂篮12保持平衡状态。缆绳14的一端与悬挂篮12底部的中心位置连接，另一端与缆绳控制电机15连接。缆绳控制电机15为电机转动圈绳筒，缆绳控制电机15控制缆绳14放出的长度，使气艇1上升或下降。
在线测量HO2自由基部件2设于悬挂篮12内，气艇1装载在线测量HO2自由基部件2上升或下降至所需测量的高度。
电池电源系统4设于悬挂篮12内，为在线测量HO2自由基部件2供电。
在线测量HO2自由基部件2包括沿气体流经方向依次设置的过滤器201、混合器202、加热管203、高压反应管204、测量室单元、质量流量计206和气泵207。
进气管3的一端伸出悬挂篮12外，另一端与在线测量HO2自由基部件2的过滤器201的进气口连接。气体由进气管3进入过滤器201。进气管3为内径3-10mm软管。本实施例中，进气管3的内径为4mm、壁厚为1mm的透明的聚四氟乙烯管，进气口装有防虫网。
过滤器201去除气体中的气溶胶颗粒物。过滤器201为孔径为0.1-0.50微米的亲水过滤器，本实施例中，过滤器201的孔径为0.22微米。气体过滤后进入混合器202。
混合器202将气体混合均匀，以保证进样气体各部分的组成均匀一致，为精准测量提供前提基础。混合器202内部有螺旋叶片，相邻的螺旋叶片旋转方向相反，并相错90度，优选螺旋叶片3-5片。气体混合后进入加热管203。
加热管203加热气体，将气体加热至25℃，气体加热后进入高压反应管204。由于高空环境的温度较低，气体经过加热恒温，以利于后续化学反应的稳定进行。加热管203为管道外缠绕加热丝，并包裹保温棉，使得内部温度维持恒定。
在线测量HO2自由基部件2还包括诱导激光发生发射器208。诱导激光发生发射器208发射的激光射入高压反应管204，气体在高压反应管204内、在激光的诱导下进行反应，生成HO2自由基，HO2自由基与剩余气体进入测量室单元。剩余气体指未进行反应的部分气体。
其中，加热管203的出气口与高压反应管204的进气口直接连接，即二者直接相接、不通过管道连接，以保证气体被加热后立即开始反应，在加热的温度下使反应稳定进行。
诱导激光发生发射器208设置在加热管203末端的侧面，诱导激光发生发射器208发射的激光先射入加热管203的末端，再射入高压反应管204。即气体在离开加热管203前，先与激光预混合，再进入高压反应管204，从而使激光诱导的化学反应更加充分。
诱导激光发生发射器208发出的激光的波长为248或266nm，诱导气体在高压反应管204中进行化学反应，反应过程依次为：
首先进行诱导反应，反应方程式为：H2O2+hv→2OH，hv为248或266nm的激光。然后，OH前体物与H2O2进行物质交换反应，产生HO2，反应方程式为：OH+H2O2→H2O+HO2。
在线测量HO2自由基部件2还包括激光探测器209和探测激光接收器210。激光探测器209发出激光穿过测量室单元，激光穿过测量室单元时被测量室单元中的HO2自由基吸收，激光的强度发生衰减，激光接收器接收穿过测量室单元的激光，得到接收激光的强度，通过倍增器获取信号，根据发出和接收激光强度的衰减量得到HO2自由基的浓度。
激光探测器209发出的激光的波长为308nm，用于探测获得HO2浓度。气体中的HO2自由基可对该波长的激光进行吸收，且气体中的其他组分对该波长的激光无影响。
其中，测量室单元包括沿气体流经方向依次设置的第一测量室2051和第二测量室2052。在线测量HO2自由基部件2还包括第一光学棱镜2111和第二光学棱镜2112。
激光探测器209和第一光学棱镜2111分别位于第一测量室2051的两侧，探测激光接收器210和第二光学棱镜2112分别位于第二测量室2052的两侧。激光探测器209和探测激光接收器210位于测量室单元的同一侧，位于测量室单元的一侧，第一光学棱镜2111和第二光学棱镜2112位于测量室单元的另一侧。
第一光学棱镜2111与激光探测器209发出激光的方向呈45°夹角设置，第二光学棱镜2112与第一光学棱镜2111对称设置。
激光探测器209发出的激光穿过第一测量室2051，射至第一光学棱镜2111，经第一光学棱镜2111反射，射至第二光学棱镜2112，再经第二光学棱镜2112反射，穿过第二测量室2052被探测激光接收器210接收。激光探测器209发出的激光依次穿过第一测量室2051和第二测量室2052，即经过两次HO2自由基的吸收，使激光的衰减程度更大，减小接收激光及换算激光衰减量时的误差，从而使HO2自由基浓度的测量结果更加精准。
其中，加热管203、高压反应管204、第一测量室2051、第二测量室2052的内部均涂覆有惰性涂层。惰性涂层优选为聚四氟乙烯，可避免被测量物与壁面的反应，提高测量结果的准确性。
测量室单元中的气体被激光检测后，由排气管路排出。
沿气体流经的方向，质量流量计206和气泵207依次设置在排气管路上。质量流量计206用于控制测量气体的质量流量，优选流浪10mL/min。气泵207为气体进入在线测量HO2自由基部件2提供动力。本实施例中，气泵207为日本Kamoer，型号KVP04-1.1-12，无刷真空泵。
其中，混合器202位于过滤器201的下方，诱导激光发生发射器208、加热管203和高压反应管204位于过滤器201和混合器202的侧面，第一测量室2051、第二测量室2052、质量流量计206和气泵207均位于混合器202、诱导激光发生发射器208、加热管203和高压反应管204的下方，激光探测器209和探测激光接收器210分别位于第一测量室2051和第二测量室2052的上方，第一光学棱镜2111和第二光学棱镜2112分别位于第一测量室2051和第二测量室2052的下方。
上述在线测量HO2自由基部件2中各装置的排布，可最大限度的减少连接管路的消耗、减小在线测量HO2自由基部件2的整体体积，在可实现精准测量的基础上，又可以满足可装载在气艇1上的工作需求，以最终实现对HO2自由基浓度的连续在线垂直监测。

Claims (10)

1.一种适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
包括气艇、在线测量HO2自由基部件和进气管；
气艇包括气艇本体和悬挂篮，气艇本体充气后具有浮力，使气艇上升至任意高度，悬挂篮悬挂在气艇本体的下方；
在线测量HO2自由基部件设于所述悬挂篮内；
所述在线测量HO2自由基部件包括沿气体流经方向依次设置的过滤器、混合器、加热管、高压反应管、测量室单元和气泵；
所述进气管的一端伸出所述悬挂篮外，另一端与所述在线测量HO2自由基部件的过滤器的进气口连接；
所述过滤器去除气体中的气溶胶颗粒物，气体过滤后进入所述混合器；
所述混合器将气体混合均匀，气体混合后进入所述加热管；
所述加热管加热气体，气体加热后进入所述高压反应管；
在线测量HO2自由基部件还包括诱导激光发生发射器，诱导激光发生发射器发射的激光射入所述高压反应管，气体在高压反应管内、在激光的诱导下进行反应，生成HO2自由基，HO2自由基与剩余气体进入所述测量室单元；
在线测量HO2自由基部件还包括激光探测器和探测激光接收器，激光探测器发出激光穿过所述测量室单元，激光穿过测量室单元时被测量室单元中的HO2自由基吸收，激光的强度发生衰减，激光接收器接收穿过测量室单元的激光，根据激光强度的衰减量得到HO2自由基的浓度；
所述测量室单元中的气体被激光检测后，由排气管路排出；
所述气泵设置在所述排气管路上，为气体进入在线测量HO2自由基部件提供动力。
2.根据权利要求1所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述测量室单元包括沿气体流经方向依次设置的第一测量室和第二测量室；
所述在线测量HO2自由基部件还包括第一光学棱镜和第二光学棱镜；
所述激光探测器和第一光学棱镜分别位于第一测量室的两侧，所述探测激光接收器和第二光学棱镜分别位于第二测量室的两侧，激光探测器和探测激光接收器位于测量室单元的同一侧；
激光探测器发出的激光穿过第一测量室，射至第一光学棱镜，经第一光学棱镜反射，射至第二光学棱镜，再经第二光学棱镜反射，穿过第二测量室被探测激光接收器接收。
3.根据权利要求1所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述诱导激光发生发射器发出的激光的波长为248或266nm，诱导气体在所述高压反应管中进行化学反应，反应过程依次为：
诱导反应，反应方程式为：H2O2+hv→2OH，hv为248或266nm的激光；
OH前体物与H2O2进行物质交换反应，产生HO2，反应方程式为：OH+H2O2→H2O+HO2；
所述激光探测器发出的激光的波长为308nm。
4.根据权利要求1所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述加热管的出气口与所述高压反应管的进气口直接连接。
5.根据权利要求1所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述诱导激光发生发射器设置在所述加热管末端的侧面，诱导激光发生发射器发射的激光先射入加热管的末端，再射入所述高压反应管。
6.根据权利要求2所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述加热管、所述高压反应管、第一测量室、第二测量室的内部均涂覆有惰性涂层。
7.根据权利要求2所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述在线测量HO2自由基部件还包括质量流量计，沿气体流经的方向，质量流量计设置在所述测量室单元与所述气泵之间。
8.根据权利要求7所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述混合器位于所述过滤器的下方，所述诱导激光发生发射器、加热管和高压反应管位于过滤器和混合器的侧面，所述第一测量室、第二测量室、质量流量计和气泵均位于混合器、诱导激光发生发射器、加热管和高压反应管的下方，所述激光探测器和探测激光接收器分别位于第一测量室和第二测量室的上方，所述第一光学棱镜和第二光学棱镜分别位于第一测量室和第二测量室的下方；
所述第一光学棱镜与所述激光探测器发出激光的方向呈45°夹角设置，所述第二光学棱镜与第一光学棱镜对称设置。
9.根据权利要求1所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
其中，所述加热管将气体加热至25℃。
10.根据权利要求1所述的适合系留气艇的大气气态污染物中HO2自由基在线测量系统，其特征在于：
还包括电池电源系统，电池电源系统设于所述悬挂篮内，为在线测量HO2自由基部件供电；
所述汽艇还包括配重、缆绳和缆绳控制电机；
所述配重均匀设置在所述悬挂篮外侧；
所述缆绳的一端与所述悬挂篮底部的中心位置连接，另一端与所述缆绳控制电机连接，缆绳控制电机控制缆绳放出的长度，使所述气艇上升或下降。
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