CN110632166A - 一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境在线VOCs污染测量领域，具体涉及一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法。一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法，其特征是，该装置分为气路系统、电路系统和装置外壳；所述气路系统分为两部分，一部分是PID测量气路和标气校正气路，另一部分是样气储存气路；本发明的有益之处明显有两点，1、功能方面，完全包含了非甲烷总烃测量仪器的全部功能，取消了昂贵的色谱仪色谱柱、难操作点火的氢气燃烧；2、增加超标样气收集气袋后，在线监测有了再测功能。采用PID传感器的在线定点VOCs监测系统，结果简单，价格低廉，工作可靠。
Description
技术领域
本发明属于环境在线VOCs污染测量领域，具体涉及一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法。
背景技术
TVOC是Total Volatile Organic Compounds的缩写，即总 挥发性有机物。世界卫生组织(WHO，1989)对VOCs的定义是：熔点低 于室温，沸点范围在50～260℃之间的挥发性有机化合物的总称。这 样，VOCs与TVOC是一致的。VOCs作为臭氧和PM2.5的重要前体物， 是我国当前区域复合型空气污染的主要贡献者之一。VOCs以及其所 形成的二次污染物会对人体健康带来负面影响，部分VOCs还有基因 毒性和致癌性。同时，部分VOCs有明显异味，会造成区域矛盾和投 诉。随着我国灰霾防治政策更新的加速，VOCs治理政策也在快速集 中出台。目前，VOCs治理已经成为大气污染防治的工作重点之一， 各地的相关工作都在陆续展开。综上所述，国家环保总局把VOCs列 入定点污染源监测项目。国标规定，在线定点污染源VOCs监测，测 量非甲烷总烃含量。按照国标测量方法规定，非甲烷总烃在线测量方 法，要采用气相色谱仪、色谱柱、氢气发生器和火焰离子FID传感器， 测量烟气中的总烃含量和甲烷含量，两者相减后得到非甲烷总烃含 量。这种监测仪器结构复杂、单个仪器成本高，维护困难，难以大面 积推广。如果，同样在线定点VOCs监测，采用泵吸式采样的PID传 感器，其优点是，检测范围宽1ppb—100ppm，分辨率高，整个监测 仪器结构简单、单个仪器成本低，可以大面积推广；其缺点是，只能 测量出挥发性有机物的总量VOCs，不能测量出是具体哪一种污染气 体。如何发挥优点、掩蔽缺点，推广使用PID监测仪器，本发明人在 实践中发现，每个定点污染源监测内容，都是有针对性的，提前知道 该监测点有什么样的污染气体，要监测什么污染气体。同一工作地点， 同一工作内容，不会出现多种污染源气体，于是监测得到的VOCs的 总量就是该污染气体的含量，而且监测到VOCs的总量超标的几率很 小，只有偶然几次；如果在PID监测仪器上，配备留样气袋。在线监 测中，发现VOC的总量超标，MCU最小系统报警，并自动启动留样袋， 把超标样气收集存放到气袋中，并且记住留样时间和留样气袋编号； 或定时设定留样时间，MCU最小系统自动启动留样袋，把超标样气收 集存放到气袋中。届时，工作人员取回留样气袋，在实验室用气相色 谱仪分析，确定该种污染气体。这样，可以用廉价的PID传感器，取 代贵重的色谱仪等制造的非甲烷总烃监测仪器，测量VOCs的总量， 又可以确定是什么气体超标。对比非甲烷总烃监测仪器，定点污染源 PID监测仪器的结构更简单，最主要部分是气路变化。该气路分为两 部分，一部分是PID测量气路和标气校正气路，另一部分是样气储存 气路。储存气路包括三通阀3、可调流量计2、n+1个电控开关和n 个储气袋。MCU最小系统控制n个电控气开关，超标后选用PID监测 传感器，量程0--1ppb—100ppm，响应时间小于20秒，分辨率0.001ppm。在线监测的时间，以年月日时钟模块为MCU最小系统提供 时间信息。MCU最小系统按照内部程序，按时依次启动测量装置，触 摸屏显示测量结果，MCU最小系统通过无线网络模块把测量结果上传 上位机。如果测量超标，MCU最小系统记录超标时间，依次启动储气 袋电控开关，储存超标样气。
发明内容
本发明的技术方案：一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法，其特征是，该装置分为气路系统、电路系统和装置外壳；所述气路系统分为两部分，一部分是PID测量气路和标气校正气路，另一部分是样气储存气路；PID测量气路和标气校正气路包括烟气进口、自动控温伴热采样装置、冷却除水过滤测温装置、气泵、三通阀1、排气口1、三通阀2、可调流量计1、PID传感器气室、三通阀3、排气口2、标气进口和标气开关。
所述PID测量气路的结构：自动控温伴热采样装置的探头插入烟筒上的样气进口抽取样气，自动控温伴热采样装置管道连接冷却除水过滤测温装置进口，冷却除水过滤测温装置出口管道连接气泵进气口，气泵出气口管道连接三通阀1的常开气道，三通阀1的常开气道管道连接三通阀3的常开气道，三通阀3的常开气道管道连接排气口2；三通阀1的常闭气道管道连接三通阀2的常开气道，三通阀2的常开气道管道连接可调流量计1的进气口，可调流量计1的出气口管道连接PID传感器的进气口， PID传感器的出气口管道连接排气口1。
所述PID测量气路工作方法，5分钟测量周期，烟筒烟气从自动控温伴热采样装置进气口进入，从自动控温伴热采样装置出气口输送到冷却除水过滤测温装置进气口，从冷却除水过滤测温装置出气口输送到气泵进气口，从气泵出气口输送到三通阀1的进气口；样气从三通阀1出来分为两路，一路由三通阀1的常开气道到三通阀3的常开气道，再次由排气口2，排入烟筒，延续排气4分钟；MCU最小系统开通三通阀1的常闭气道，另一路从三通阀1的常闭气道输送到三通阀2的常开气道、再输送到可调流量计1进气口，再从可调流量计1的出气口到PID传感器气室进气口，由PID传感器测量其VOCs含量，再从PID传感器气室出气口出来输送到排气口1，由排气口1排入烟筒，延续测量1分钟。
所述标气校正气路结构，标气进口管道连接标气开关，标气开关管道连接可调流量计1的进气口，可调流量计1的出气口管道连接PID传感器气室进气口， PID传感器气室出气口管道连接排气口1。
所述标气校正气路校正方法，MCU最小系统开通三通阀2的常闭气道，减压后的标气，由标气进口到标气开关，经标气开关到三通阀2的常闭气道，由三通阀2的常闭气道到可调流量计1进气口，再从可调流量计1的出气口到PID传感器气室进气口，PID传感器测量标气中VOCs含量，再从PID传感器气室出气口出来到排气口1，由排气口1排入烟筒，持续校正1分钟。
所述储存样气气路结构，自动控温伴热采样装置的探头插入烟筒上的样气进口，自动控温伴热采样装置管道连接冷却除水过滤测温装置进口，冷却除水过滤测温装置出口管道连接气泵进气口，气泵出气口管道连接三通阀1的常开气道，三通阀1的常开气道管道连接三通阀3的常闭气道，三通阀3的常闭气道管道连接可调流量计2的进气口，可调流量计2的出气口管道连接气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关，气袋开关1管道连接气袋1，气袋开关2管道连接气袋2，----，气袋开关n管道连接气袋n，排空开关管道连接排气口3。
所述储存样气气路方法，MCU最小系统开通三通阀3的常闭气道，烟气从烟筒进气口到自动控温伴热采样装置进气口，从自动控温伴热采样装置出气口到冷却除水过滤测温装置进气口，从冷却除水过滤测温装置出气口到气泵进气口，从气泵出气口到三通阀1的常开气道到三通阀3的常闭气道，由三通阀3的常闭气道到可调流量计2的进气口，从可调流量计2的出气口到并列气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n的储存气道，MCU最小系统选择打开气袋开关1，其余所有气袋开关和排空开关关闭，持续5分钟，气袋1储存1升样气。
所述电路系统，包括年月日时钟模块、网络传输模块、电源模块、触摸屏、MCU最小系统、三通阀1、三通阀2、三通阀3、气泵、PID传感器、标气开关、气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关，其中，MCU最小系统控制所有器件，年月日时钟模块、网络传输模块、电源模块、触摸屏、三通阀1、三通阀2、三通阀3、气泵、PID传感器、标气开关、气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关电连接MCU最小系统；MCU最小系统、三通阀1、三通阀2、三通阀3、气泵、PID传感器、标气开关、气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关电连接电源模块；所述年月日时钟模块为MCU最小系统提供时间信息，触摸屏键盘给MCU最小系统输入工作指令，MCU最小系统启动相关部件，开始5分钟测量周期，触摸屏实时显示年月日时间、VOCS实时含量，并且按设定时间5分钟周期更新数据；MCU最小系统通过网络传输模块，把上述信息传给环境监测上位机。
所述装置外壳是六面立方体工控机机柜，六面立方体工控机机柜的左右面板和后面板固定，前面板上有钥匙开关，前面板可180度打开关闭；前面板打开后，是多层仪器安装面板；触摸屏在最上层安装，触摸屏背后安装MCU最小系统电路板；第二层面板安装电源开关、标气开关、可调流量计1和可调流量计2，冷却除水过滤测温装置安装在最下层；所有气袋均安装在第三层层，其上层是所有气袋开关；除自动控温伴热采样装置外，所有部件全部安装在装置的外壳内，标气开关、触摸屏、可调流量计1和可调流量计2安装在装置外壳的内面板上。
本发明一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法的工作原理简述：三通阀工作说明，三通阀内部有两个气道，常开气道和常闭气道；不通电时，常开气道导通，常闭气道关闭；通电时，常开气道关闭，常闭气道导通。所有气体开关，包括标气开关、气袋开关和排空开关，通电时，导通；不通电时关闭。可调流量计，提前人工设置流量，平时工作时，自动运行。气袋上自带开关，取气袋时，手工关闭开关，拔下气袋。PID传感器的原理是紫外光激发测量，由PID气室排出的气体是激发后带离子的废气，故储存样气时，气路不经过PID气室。自动控温伴热采样装置的伴热过程，是人工提前设定，自动控温的。冷却除水过滤测温装置内部自带气体温度测量，保持PID在线定点VOCS监测的温度不变。人工操作说明，打开六面立方体的PID在线定点VOCS监测装置前面板上的电源开关，面板上的测量按钮点亮，按下开始按钮后， MCU最小系统自检，自动控温伴热采样装置开始加热，三通阀1的常闭气道连通，触摸屏显示实时显示年月日时间和欢迎使用信息，自动控温伴热采样装置预热时间是10分钟；自检过后，MCU最小系统自检进入5分钟周期测量程序，自动控温伴热采样装置工作正常后，气泵启动，通过自动控温伴热采样装置吸入烟筒烟气，即样气；输送给除尘除水过滤装置，样气经除尘除水过滤装置过滤后，恒温干净的样气由三通阀1的常闭气道排气口1送入烟筒，持续4分钟；三通阀1的常开气道连通，三通阀2常闭气道连通，样气输送到可调浮子流量计1；由于可调浮子流量计1的样气流量是设置好的，气泵稳定工作在这样的流量下，样气输送到PID气室，开始测量；持续1分钟PID传感器测量VOCs浓度； PID内部紫外灯开启，VOCs分子被激发成离子，PID内部电极测量出单位时间内的全部VOC分子的离子数，送入MCU最小系统；一分钟平均的离子数，MCU最小系统还原出烟气中VOCS含量，在触摸屏上显示，停止测量，关闭PID内部紫外灯；经PID气室出来，样气变成废气，废气输送到三通阀3常开气道，常闭气道排气口1送入烟筒排出；三通阀1的常闭气道打开，样气从排气口1排入烟筒；满5分钟后，MCU最小系统再次执行下一测量周期。定期对PID传感器标气人工校准：在标气入口接上零气管，按下面板上的校正按钮，MCU最小系统关闭三通阀1常闭气道，打开三通阀2的常闭气道，打开零气瓶，调整可调浮子流量计1的流量，一分钟左右，VOCS含量示值归零，MCU最小系统打开三通阀1常闭气道，关闭三通阀2的常闭气道，校准结束；关闭零气瓶，拔下标气入口的零气管；该装置校准正常后，再次进入周期测量。超标留样或定期留样过程：如果样气测量超标或到留样周期，三通阀1停电，常开气道通，样气到三通阀3。三通阀3常闭气道打开，样气到可调流量计2，可调流量计2确定的流量是20ml/分。恒定流量的样气送到储存管道，排空开关关闭，假定，气袋开关1打开，恒定流量的样气注入气袋1；气袋1内的气体量，等于恒定流量乘以时间。5分钟后，三通阀3停电关闭，气袋开关1关闭，气袋1内的样气是100ml。样气经三通阀3的常开气道到排气口2，排入烟筒。继续超标留样，重复上述过程。
本发明的有益之处明显有两点，1、功能方面，相比原来的FID VOCs在线定点监测仪，完全包含了非甲烷总烃测量仪器的全部功能，取消了昂贵的色谱仪色谱柱、难操作点火的氢气燃烧，PID传感器测量灵敏度高，测量范围宽响应时间快，反应灵敏，性能稳定可靠，采用PID传感器的在线定点VOCs监测系统，结果简单，价格低廉，工作可靠，几乎不用维护；2、增加超标样气收集气袋后，在线监测有了再测功能，再用光谱仪分析是什么气体超标，修改该系统内PID传感器的CF系数，可以在线监测该气体。缺点是，两年需要更换一次PID传感器内部的紫外灯。
附图说明
图1一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法的气路图。
图2一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法的电路模块图。
图中：1、自动控温伴热采样装置，2、冷却除水过滤测温装置, 3、气泵，4、三通阀1，5、三通阀2，6、可调流量计1, 7、PID传感器，8、排气口1, 9、样气进口，10、标气进口，11、排气口2, 12 、排气口3, 13、三通阀3, 14、排空开关，15、气袋开关n，16、气袋n ，17、气袋开关2，18、气袋2 ，19、气袋开关1，20、气袋1、21、可调流量计2，22，标气开关， 23、年月日时钟模块，24、网络传输模块，25、电源模块，26、触摸屏，27、MCU最小系统, 28、装置外壳。
具体实施方式
以山西鑫华翔有限公司生产的XHX-VOCS PID在线定点VOCs监测留样器为实施例说明如下：MCU最小系统采用STM32F103VCT6芯片，由时钟芯片（DS1302）提供年、月、日、小时、分、秒时钟信号。选择气袋的数量是24个，n=24 。用PID传感器做的VOCs检测仪，最大的缺陷是，不知道目标环境有哪些种类VOC气体。监测实践发现，此缺陷容易解决，只要知道某气体的校正系数CF，就可以该气体的浓度。PID 传感器采用英国生产的PID~AH2 VOC，该传感器输出电压信号，很容易与MCU最小系统结合，工作稳定。PID~AH2 VOC的校准的标准，是用异丁烯浓度，其CF=1。101ppm的异丁烯，测量显示101ppm；但是同样101 ppm的氨气, 反应出来的就不是101ppm了,而是图上的 11.86ppm，CF=8.6；校正系数(CF，也称为响应系数)是使用PID时需特别注意的一个参数。它代表了用PID测量特定气体的灵敏度。它用在当以一种气体校正PID后，通过CF直接得到另一种气体的浓度，从而减少了准备很多种标气的麻烦。CF代表了测量的灵敏度。CF值越低，该种气体的灵敏度就越高。甲苯的CF值是0.5，氨的CF值是9.7，可见PID对甲苯的检测灵敏度约为CF为9.7的氨的19倍(9.7/0.5=19.4)。2.如何使用校正系数CF：(1)当物质的暴露极限<10-5且CF<1.0时，PID是十分灵敏的用于个人安全的测量工具。(2)如果物质的暴露极限>10-5且CF<10时，PID是十分灵敏的用于个人安全的测量工具。(3)如果物质的CF>10，则只有当它有很高的暴露极限值时，PID才仍然可以作为合适的大面积的测漏检测工具。有些PID制造厂家将CF表印刷成页而有些直接将信息存入PID的微处理器中。如V×500 PID的微处理器中就存储和应用了超过100组的修正系数。有了CF系数，如果知道环境中，只有单一的某种VOC气体成分，CF系数*显示值，就是该气体实际的浓度ppm。如果现场是多种气体的混合体，PID的微处理器显示的是添加CF系数的和值。知道CF系数后，可以用多种气体校准。
本发明的有益之处明显有两点，1、功能方面，相比原来的FIDVOCs在线定点监测仪，完全包含了非甲烷总烃测量仪器的全部功能，取消了贵重的色谱仪色谱柱、难操作点火的氢气燃烧，PID传感器测量灵敏度高，测量范围宽响应时间快，反应灵敏，性能稳定可靠，采用PID传感器的在线定点VOCs监测系统，结果简单，价格低廉，工作可靠，几乎不用维护；2、增加超标样气收集气袋后，在线监测有了再测功能，再用光谱仪分析是什么气体超标，修改该系统内PID传感器的CF系数，可以在线监测该气体。缺点是，两年需要更换一次PID传感器内部的紫外灯。
Claims (2)
1.一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法，其特征是，该装置分为气路系统、电路系统和装置外壳；所述气路系统分为两部分，一部分是PID测量气路和标气校正气路，另一部分是样气储存气路；PID测量气路和标气校正气路包括烟气进口、自动控温伴热采样装置、冷却除水过滤测温装置、气泵、三通阀1、排气口1、三通阀2、可调流量计1、PID传感器气室、三通阀3、排气口2、标气进口和标气开关；所述PID测量气路的结构：自动控温伴热采样装置的探头插入烟筒上的样气进口抽取样气，自动控温伴热采样装置管道连接冷却除水过滤测温装置进口，冷却除水过滤测温装置出口管道连接气泵进气口，气泵出气口管道连接三通阀1的常开气道，三通阀1的常开气道管道连接三通阀3的常开气道，三通阀3的常开气道管道连接排气口2；三通阀1的常闭气道管道连接三通阀2的常开气道，三通阀2的常开气道管道连接可调流量计1的进气口，可调流量计1的出气口管道连接PID传感器的进气口， PID传感器的出气口管道连接排气口1；所述标气校正气路结构，标气进口管道连接标气开关，标气开关管道连接可调流量计1的进气口，可调流量计1的出气口管道连接PID传感器气室进气口， PID传感器气室出气口管道连接排气口1；所述储存样气气路结构，自动控温伴热采样装置的探头插入烟筒上的样气进口，自动控温伴热采样装置管道连接冷却除水过滤测温装置进口，冷却除水过滤测温装置出口管道连接气泵进气口，气泵出气口管道连接三通阀1的常开气道，三通阀1的常开气道管道连接三通阀3的常闭气道，三通阀3的常闭气道管道连接可调流量计2的进气口，可调流量计2的出气口管道连接气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关，气袋开关1管道连接气袋1，气袋开关2管道连接气袋2，----，气袋开关n管道连接气袋n，排空开关管道连接排气口3；所述电路系统，包括年月日时钟模块、网络传输模块、电源模块、触摸屏、MCU最小系统、三通阀1、三通阀2、三通阀3、气泵、PID传感器、标气开关、气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关，其中，MCU最小系统控制所有器件，年月日时钟模块、网络传输模块、电源模块、触摸屏、三通阀1、三通阀2、三通阀3、气泵、PID传感器、标气开关、气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关电连接MCU最小系统；MCU最小系统、三通阀1、三通阀2、三通阀3、气泵、PID传感器、标气开关、气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n和排空开关电连接电源模块；所述年月日时钟模块为MCU最小系统提供时间信息，触摸屏键盘给MCU最小系统输入工作指令，MCU最小系统启动相关部件，开始5分钟测量周期，触摸屏实时显示年月日时间、VOCS实时含量，并且按设定时间5分钟周期更新数据；MCU最小系统通过网络传输模块，把上述信息传给环境监测上位机；所述装置外壳是六面立方体工控机机柜，六面立方体工控机机柜的左右面板和后面板固定，前面板上有钥匙开关，前面板可180度打开关闭；前面板打开后，是多层仪器安装面板；触摸屏在最上层安装，触摸屏背后安装MCU最小系统电路板；第二层面板安装电源开关、标气开关、可调流量计1和可调流量计2，冷却除水过滤测温装置安装在最下层；所有气袋均安装在第三层层，其上层是所有气袋开关；除自动控温伴热采样装置外，所有部件全部安装在装置的外壳内，标气开关、触摸屏、可调流量计1和可调流量计2安装在装置外壳的内面板上。
2.如权利要求1所述的一种固定污染源VOCs PID监测及超标留样装置和使用方法，其特征是， 所述PID测量气路工作方法，5分钟测量周期，烟筒烟气从自动控温伴热采样装置进气口进入，从自动控温伴热采样装置出气口输送到冷却除水过滤测温装置进气口，从冷却除水过滤测温装置出气口输送到气泵进气口，从气泵出气口输送到三通阀1的进气口；样气从三通阀1出来分为两路，一路由三通阀1的常开气道到三通阀3的常开气道，再次由排气口2，排入烟筒，延续排气4分钟；MCU最小系统开通三通阀1的常闭气道，另一路从三通阀1的常闭气道输送到三通阀2的常开气道、再输送到可调流量计1进气口，再从可调流量计1的出气口到PID传感器气室进气口，由PID传感器测量其VOCs含量，再从PID传感器气室出气口出来输送到排气口1，由排气口1排入烟筒，延续测量1分钟； 所述标气校正气路校正方法，MCU最小系统开通三通阀2的常闭气道，减压后的标气，由标气进口到标气开关，经标气开关到三通阀2的常闭气道，由三通阀2的常闭气道到可调流量计1进气口，再从可调流量计1的出气口到PID传感器气室进气口，PID传感器测量标气中VOCs含量，再从PID传感器气室出气口出来到排气口1，由排气口1排入烟筒，持续校正1分钟；所述储存样气气路方法，MCU最小系统开通三通阀3的常闭气道，烟气从烟筒进气口到自动控温伴热采样装置进气口，从自动控温伴热采样装置出气口到冷却除水过滤测温装置进气口，从冷却除水过滤测温装置出气口到气泵进气口，从气泵出气口到三通阀1的常开气道到三通阀3的常闭气道，由三通阀3的常闭气道到可调流量计2的进气口，从可调流量计2的出气口到并列气袋开关1、气袋开关2、----、气袋开关n的储存气道，MCU最小系统选择打开气袋开关1，其余所有气袋开关和排空开关关闭，持续5分钟，气袋1储存1升样气。
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|---|---|---|---|---|
| CN111323541A (zh) * | 2020-03-19 | 2020-06-23 | 河北科技大学 | 一种挥发性有机物污染物超标预警气袋采样留样系统 |
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| CN207556934U (zh) * | 2017-11-21 | 2018-06-29 | 华电智控（北京）技术有限公司 | 气体留样采集系统和气体在线监测系统 |
| CN208091783U (zh) * | 2017-12-27 | 2018-11-13 | 浙江新寰科环保科技股份有限公司 | 一种新型气体voc超标留样仪 |
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