CN111007058A - 氮氧化物和臭氧一体化分析仪 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种氮氧化物和臭氧一体化分析仪。该氮氧化物和臭氧一体化分析仪包括：反应室，包括第一气体入口、第二气体入口、气体出口和通光孔；荧光探测器，荧光探测器的探测部分与通光孔相连；气泵，与气体出口连接；二氧化氮还原气路，与第一气体入口连接；标准一氧化氮气路，与第一气体入口连接；臭氧发生气路，与第二气体入口连接；第一进样气路，与第一气体入口连接；第二进样气路，与第二气体入口连接；样气入口，分别与二氧化氮还原气路、臭氧发生气路、第一进样气路和第二进样气路连接。本申请的一体化分析仪可同时测量环境空气中的氮氧化物和臭氧，既解决了臭氧测量的干扰问题，又大大节约了仪器成本。
Description
技术领域
本申请总地涉及环境监测领域，具体涉及一种氮氧化物和臭氧一体化分析仪。
背景技术
氮氧化物和臭氧同为中国环境空气质量标准规定的基本污染物，需要同比开展测量。目前通常采用两台仪器对氮氧化物和臭氧进行分析，仪器采购成本较高。
氮氧化物(NOx)主要包含一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中规定的氮氧化物的监测方法为化学发光法，其原理为臭氧和一氧化氮可以发生化学反应生成激发态的NO2，其在返回基态过程中能够释放出光子，波长为600-3000nm,其光强与参与反应的臭氧和一氧化氮的浓度成正比，通过测量化学发光强度，即可计算一氧化氮的浓度。
臭氧(O3)的化学式为O3，是氧气的一种同素异形体，是一种有鱼腥气味的淡蓝色气体。空气质量标准中规定的臭氧的监测方法为紫外光度法。紫外光度法的原理是利用一束紫外光通过样品气体，气体中的臭氧可以吸收紫外光，造成光强的衰减，吸光度与样品气体中臭氧的浓度成正比。紫外光度法的缺点主要是存在共存物质干扰，尤其是苯乙烯、反式甲基苯乙烯、苯甲醛、邻甲酚、硝基甲酚、甲苯等有机物在相同的波段内对紫外光也存在吸收现象，因此影响测量结果的准确性，导致测量的臭氧浓度比实际值偏高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种氮氧化物和臭氧一体化分析仪。
本申请提供了一种氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其包括：反应室，包括第一气体入口、第二气体入口、气体出口和通光孔；荧光探测器，所述荧光探测器的探测部分与所述通光孔相连；气泵，与所述气体出口连接；二氧化氮还原气路，与所述第一气体入口连接；标准一氧化氮气路，与所述第一气体入口连接；臭氧发生气路，与所述第二气体入口连接；第一进样气路，与所述第一气体入口连接；第二进样气路，与所述第二气体入口连接；样气入口，分别与所述二氧化氮还原气路、所述臭氧发生气路、所述第一进样气路和所述第二进样气路连接。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，所述臭氧发生气路包括串联连接的除湿装置和臭氧发生装置。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，所述二氧化氮还原气路包括二氧化氮还原装置。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其还包括第一三通阀和第二三通阀，所述标准一氧化氮气路和所述第二三通阀经所述第一三通阀连接所述第一气体入口，所述二氧化氮还原气路和所述第一进样气路经所述第二三通阀连接所述第一气体入口。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其还包括第三三通阀，所述臭氧发生气路和所述第二进样气路经所述第三三通阀连接所述第二气体入口。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其还包括处理气路，设置于所述反应室的气体出口和所述气泵之间。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，所述处理气路包括串联连接的除臭氧装置和除一氧化氮装置。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其还包括第一限流装置，与所述反应室的第一气体入口连接。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其还包括第二限流装置，与所述反应室的第二气体入口连接。
可选地，根据上述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其还包括控制单元，用于控制所述二氧化氮还原气路、所述臭氧发生气路、所述第一进样气路、所述第二进样气路和所述标准一氧化氮气路。
本申请的氮氧化物和臭氧一体化分析仪可同时测量环境空气中的氮氧化物和臭氧，既解决了臭氧测量的干扰问题，又大大节约了仪器成本。
本申请的氮氧化物和臭氧一体化分析仪可使用可溯源的一氧化氮标准气，其浓度已知，若通过臭氧发生装置发生过量臭氧与一氧化氮标准气反应进行仪器校准，可同时实现氮氧化物和臭氧分析仪的量值传递。
附图说明
图1为本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪的结构示意图；
图2为本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪的结构示意图；以及
图3为本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本申请的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。
实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本申请提及的方法中各步骤的执行顺序，除特别说明外，并不限于本文的文字所体现出来的顺序，也就是说，各个步骤的执行顺序是可以改变的，而且两个步骤之间根据需要可以插入其他步骤。
本申请中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本申请的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”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申请和简化描述，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申请的限制。
本申请中诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
发明人在实际工作中发现，氮氧化物和臭氧同为中国环境空气质量标准规定的基本污染物，需要同比开展测量，但目前通常采用两台仪器对氮氧化物和臭氧分别进行分析，仪器采购成本较高。
因此本申请利用一套化学发光法的气相化学反应与光强测量装置，同时测量环境空气中的氮氧化物和臭氧，既解决了臭氧测量的干扰问题，又大大节约了仪器成本。
臭氧和一氧化氮可以发生化学反应生成激发态的二氧化氮，其在返回基态过程中能够释放出光子，波长为600-3000nm,其光强与参与反应的臭氧和一氧化氮的浓度成正比。因此，通过测量化学发光强度，即可计算臭氧和一氧化氮的浓度。此外，该反应属于特异性反应，选择性强，其他污染物对于臭氧的测量基本无干扰。所以，相对于紫外光度法，上述化学发光法可以更加准确测量环境空气中臭氧的浓度，真实地反应臭氧污染状况。
为达到上述目的，本申请提供的技术方案为：设置一个化学反应室，该反应室具有两个进口和一个出口。第一个测量周期内两个进口分别用来同时通入NO标准气体和样气，在出口连接一个抽气泵，在抽气泵的作用下，NO标准气体和样气进入反应室，样气中的臭氧和过量一氧化氮发生化学反应，并释放出600-3000nm的光，用光电倍增管监测光的强度，从而计算出样气中臭氧的浓度。第二个测量周期内，通过气路的切换，两个进口分别用来同时通入样气(或经过钼炉反应，已将NO2转化为NO后的样气)和臭氧发生器产生的过量臭氧气体，此时样气中的NO和发生器产生的臭氧发生化学反应，同样释放出600-3000nm的光，此时用光电倍增管监测光的强度，可以用来计算样气中氮氧化物的浓度。两个周期交替进行，即可以用一台仪器同时测量环境空气中的氮氧化物和臭氧的浓度。
图1示出了本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪。
参见图1，本申请公开了一种氮氧化物和臭氧一体化分析仪，示例性包括反应室100、荧光探测器110、气泵130、二氧化氮还原气路160、标准一氧化氮气路140、臭氧发生气路150、第一进样气路170、第二进样气路180和样气入口190。
反应室100包括第一气体入口、第二气体入口、气体出口和通光孔。反应室提供了一氧化氮和过量臭氧的反应场所，臭氧和一氧化氮可以发生化学反应生成激发态的二氧化氮，其在返回基态过程中能够释放出光子，波长为600-3000nm,其光强与参与反应的臭氧和一氧化氮的浓度成正比。因此，通过测量化学发光强度，即可计算一氧化氮或臭氧的浓度。
根据一些实施例，第一反应室材质为铝，内部具有较大的空腔，且内表面经氧化发黑处理。通光孔为石英玻璃，且保证反应室的密封性。
荧光探测器110的探测部分与通光孔相连，用于检测NO和O3反应释放的600-3000nm的荧光信号。例如，荧光探测器可以为光电倍增管。
气泵130与反应室100的气体出口连接，气泵使反应室处于负压状态，使得气路提供的气体得以进入反应室。气泵例如可以是真空泵。
二氧化氮还原气路160与反应室100的第一气体入口连接，用于将样气中的NO2还原成NO，以及向反应室输送NO。举例来说，二氧化氮还原气路包括二氧化氮还原装置，例如钼转化炉或NO2光解装置。
标准一氧化氮气路140与反应室100的第一气体入口连接，用于向反应室输送一氧化氮标准气。例如，标准一氧化氮气路包括NO标准气钢瓶，其包含一减压阀，用以实现NO气体的降压输出。传统的臭氧分析仪采用内置紫外光度计的臭氧发生器来进行量值传递，而本申请由于可以使用了可溯源的一氧化氮钢瓶气，其浓度已知，若通过臭氧发生装置发生过量臭氧与一氧化氮标准气反应进行仪器校准，可同时实现氮氧化物和臭氧分析仪的量值传递。
臭氧发生气路150与反应室100的第二气体入口连接，用于将样气中的的O2转化成O3，以及向反应室输送臭氧。举例来说，臭氧发生气路包括串联连接的除湿装置和臭氧发生装置。除湿装置，例如硅胶干燥管，设置于臭氧发生装置的前端，用于去除空气中的水分，以利于O3的生成。臭氧发生装置，例如低压汞灯装置，其可将样气中的O2转化成O3。
第一进样气路170与反应室100的第一气体入口连接。第二进样气路180与反应室100的第二气体入口连接。
样气入口190分别与二氧化氮还原气路160、臭氧发生气路150、第一进样气路170、第二进样气路180连接。样气经样气入口进入二氧化氮还原气路、臭氧发生气路、第一进样气路、第二进样气路，样气可以为空气，也可以为其它待检测气体。
上述氮氧化物和臭氧一体化分析仪的工作流程包括NOx测定模式和O3测定模式。
在NOx测定模式下，该分析仪的工作流程示例性地包括测量样气中的NOx含量和NO含量。
例如，测量样气中的NOx含量包括：
101、样气经样气入口进入臭氧发生气路，臭氧发生气路使样气中的O2转化成O3，再经反应室的第二气体入口进入反应室。此时，荧光检测到的荧光信号U0为背景信号。
102、样气经样气入口进入二氧化氮还原气路，二氧化氮还原气路使样气中的NO2还原成NO，再经反应室的第一气体入口进入反应室。
103、步骤101转化的O3和步骤102转化的NO在反应室中发生化学发光反应，荧光检测器检测到该化学发光反应的荧光信号UNOX。由于O3远远过量，此时光强只与NO的含量相关，因此根据U0和UNOX可计算样气中的NOx含量。
又例如，测量样气中的NO含量包括：
201、样气经样气入口进入臭氧发生气路，臭氧发生气路使样气中的O2转化成O3，再经反应室的第二气体入口进入反应室。此时，荧光检测到的荧光信号U0’为背景信号。
202、样气经样气入口进入第一进样气路，再经第一气体入口进入反应室。
203、步骤201转化的O3和步骤202的样气在反应室中发生化学发光反应，荧光检测器检测到该化学发光反应的荧光信号UNO。由于O3远远过量，此时光强只与NO的含量相关，因此根据U0’和UNO可计算样气中的NO含量。
在O3测定模式下：
301、NO标准气经标准一氧化氮气路进入反应室。此时，荧光检测到的荧光信号U0”为背景信号。
302、样气经样气入口进入第二进样气路，再经第二气体入口进入反应室。
303、步骤301的NO标准气和步骤302的样气在反应室中发生化学发光反应，荧光检测器检测到该化学发光反应的荧光信号UO3。由于NO标准气的含量超过大气中的含量，因此在反应室内NO标准气和O3反应释放的光强只与O3的含量相关，根据U0”和UO3可计算样气中的O3含量。
本申请氮氧化物和臭氧一体化分析仪通过以上两种模式的切换，即可实现空气中NOx和O3的一体化监测。
根据示例性实施例，本申请氮氧化物和臭氧一体化分析仪还包括控制单元，用于控制二氧化氮还原气路、臭氧发生气路、进样气路和标准一氧化氮气路，用以进行NOx测定模式和O3测定模式的切换。
为了保证进入反应室的气体流量恒定，本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪还包括限流装置，与反应室的第一气体入口和/或第二气体入口连接。限流装置例如可为限流孔，用以实现气体的恒流输送。
根据示例性实施例，各部件通过PTFE或PFA管连接。
图2示出了本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪的结构示意图。
参见图2，本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪包括反应室100、荧光探测器110、气泵130、二氧化氮还原气路160、标准一氧化氮气路140、臭氧发生气路150、第一进样气路170、第二进样气路180、样气入口190、第一三通阀200、第二三通阀210、第三三通阀220、第一限流装置240、第二限流装置250。
反应室100具有第一气体入口101、第二气体入口102、气体出口103和通光孔(图中未示出)。通光孔与荧光探测器110的探测部分相连。气体出口103与气泵130相连。
反应室的第一气体入口101前端连接第一限流装置240。第一限流装置240前端连接第一三通阀200的一个接口。第一三通阀200的另外两个接口分别与标准一氧化氮气路140和第二三通阀210的一个接口相连。第二三通阀210的另外两个接口与第一进样气路170和二氧化氮还原气路160连接。
反应室的第二气体入口102前端连接第二限流装置250。第二限流装置前端连接第三三通阀230的一个接口。第三三通阀230的另外两个接口分别与第二进样气路180和臭氧发生气路150连接。
臭氧发生气路150包括串联连接的除湿装置151和臭氧发生装置152。
标准一氧化氮气路140包括一氧化氮发生装置141，例如NO标准气钢瓶。
样气入口190分别与二氧化氮还原气路160、臭氧发生气路150、第一进样气路170和第二进样气路180连接。
上述氮氧化物和臭氧一体化分析仪的工作流程包括NOx测定模式和O3测定模式。
在NOx测定模式下，该分析仪的工作流程示例性地包括测量样气中的NOx含量和NO含量。
例如，测量样气中的NOx含量包括：
401、第三三通阀230断电，该三通阀第一接口231和第三接口233相通。样气经样气入口190进入臭氧发生气路150，先经除湿装置151干燥后进入臭氧发生装置152使样气中的O2转化成O3，再经第二限流装置250由反应室的第二气体入口102进入反应室100。此时，荧光检测到的荧光信号U0为背景信号。
402、第一三通阀200断电，该三通阀第一接口201和第三接口203相通；第二三通阀210断电，该三通阀第一接口211和第三接口213相通。样气经样气入口190进入二氧化氮还原气路160，经二氧化氮还原装置161使样气中的NO2还原成NO，再经第一限流装置240由反应室的第一气体入口101进入反应室100。
403、步骤401转化的O3和步骤402转化的NO在反应室100中发生化学发光反应，荧光检测器检测到该化学发光反应的荧光信号UNOX。由于O3远远过量，此时光强只与NO的含量相关，因此根据U0和UNOX可以计算样气中的NOx含量。
又例如，测量样气中的NO含量包括：
501、第三三通阀230断电，该三通阀第一接口231和第三接口233相通。样气经样气入口190进入臭氧发生气路150，先经除湿装置151干燥后进入臭氧发生装置152使样气中的O2转化成O3，再经第二限流装置250由反应室的第二气体入口102进入反应室100。此时，荧光检测到的荧光信号U0’为背景信号。
502、第一三通阀200断电，该三通阀第一接口201和第三接口相通203；第二三通阀210通电，该三通阀第二接口212和第三接口213相通。样气经样气入口190进入第一进样气路170，再经第一限流装置240由第一气体入口101进入反应室100。
503、步骤501转化的O3和步骤502的样气在反应室100中发生化学发光反应，荧光检测器检测到该化学发光反应的荧光信号UNO。由于O3远远过量，此时光强只与NO的含量相关，因此根据U0’和UNO可以计算样气中的NO含量。
在O3测定模式下：
601、第一三通阀通电200，该三通阀第二接口202和第三接口203相通。NO标准气进入标准一氧化氮气路140，经第一限流装置240由第一气体入口101进入反应室100。此时，荧光检测到的荧光信号U0”为背景信号。
602、第三三通阀230通电，该三通阀第二接口232和第三接口233相通。样气经样气入口190进入第二进样气路180，再经第二限流装置250由第二气体入口102进入反应室100。
603、步骤601的NO标准气和步骤602的样气在反应室100中发生化学发光反应，荧光检测器检测到该化学发光反应的荧光信号UO3。由于NO标准气的含量超过大气中的含量，因此在反应室内NO标准气和O3反应释放的光强只与O3的含量相关，根据U0”和UO3可以计算样气中的O3含量。
根据示例性实施例，三通阀的阀体材质为PTFE，对气体无吸附。
根据示例性实施例，本申请氮氧化物和臭氧一体化分析仪还包括控制单元，用于控制第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，通过控制三通阀用以进行NOx测定模式和O3测定模式的切换。通过交替测量环境空气中的氮氧化物和臭氧，可以实现一台设备同时测量氮氧化物和臭氧，大大节约仪器采购成本。
图3示出了本申请实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪结构示意图。
参见图3，该实施例的氮氧化物和臭氧一体化分析仪结构与图2示出的氮氧化物和臭氧一体化分析仪结构类似，相同结构不再赘述。
与图2氮氧化物和臭氧一体化分析仪不同之处在于，本实施例氮氧化物和臭氧一体化分析仪还包括处理气路120，设置于反应室的气体出口103连接和气泵130之间。处理气路包括串联连接的除臭氧装置121、和除一氧化氮装置122。除一氧化氮装置122例如可为NO催化装置，可使NO与空气中的CO发生催化还原，生成N2和CO2，以避免NO排放而污染大气。除臭氧装置121例如可为臭氧催化剂，可将O3降解成O2，以避免臭氧发生装置150生成的过量O3污染空气。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，包括：
反应室，包括第一气体入口、第二气体入口、气体出口和通光孔；
荧光探测器，所述荧光探测器的探测部分与所述通光孔相连；
气泵，与所述气体出口连接；
二氧化氮还原气路，与所述第一气体入口连接；
标准一氧化氮气路，与所述第一气体入口连接；
臭氧发生气路，与所述第二气体入口连接；
第一进样气路，与所述第一气体入口连接；
第二进样气路，与所述第二气体入口连接；
样气入口，分别与所述二氧化氮还原气路、所述臭氧发生气路、所述第一进样气路和所述第二进样气路连接。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，所述臭氧发生气路包括串联连接的除湿装置和臭氧发生装置。
3.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，所述二氧化氮还原气路包括二氧化氮还原装置。
4.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，还包括第一三通阀和第二三通阀，所述标准一氧化氮气路和所述第二三通阀经所述第一三通阀连接所述第一气体入口，所述二氧化氮还原气路和所述第一进样气路经所述第二三通阀连接所述第一气体入口。
5.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，还包括第三三通阀，所述臭氧发生气路和所述第二进样气路经所述第三三通阀连接所述第二气体入口。
6.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，还包括处理气路，设置于所述反应室的气体出口和所述气泵之间。
7.根据权利要求6所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，所述处理气路包括串联连接的除臭氧装置和除一氧化氮装置。
8.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，还包括第一限流装置，与所述反应室的第一气体入口连接。
9.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，还包括第二限流装置，与所述反应室的第二气体入口连接。
10.根据权利要求1所述的氮氧化物和臭氧一体化分析仪，其特征在于，还包括控制单元，用于控制所述二氧化氮还原气路、所述臭氧发生气路、所述第一进样气路、所述第二进样气路和所述标准一氧化氮气路。
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