CN112611795B - 一种基于tvoc监测仪的tvoc监测方法 - Google Patents

一种基于tvoc监测仪的tvoc监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，包括：通过TVOC监测仪的供电模块向TVOC监测仪的控制模块供电，所述控制模块采集传感器阵列模块和/或温湿度控制模块的监测数据；所述控制模块将采集到的数据发送至数据通讯模块和数据存储模块；所述数据通讯模块将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站；所述中继站分别向各个TVOC监测仪的控制模块反馈和校验所述中继站接收到的数据信息；所述中继站将经过校验的数据信息发送至TVOC后台，所述TVOC后台经过修正后，再次向所述各个TVOC监测仪的控制模块反馈和/或校验数据信息。本发明的基于TVOC监测仪的TVOC监测方法实现了TVOC的低成本、快响应、高准确性监测，满足了网格化布点对TVOC进行监测的需求。

Description

一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法
技术领域
本发明涉及一种废气监测方法，特别是涉及一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法。
背景技术
世界卫生组织(WHO,1989)对总挥发性有机化合物(TVOC)的定义为，熔点低于室温而沸点在50-260℃之间的挥发性有机化合物的总称。随着城市化的不断发展，VOCs的排放量逐渐提高，成为近年来城市大气污染的主要污染物之一。VOCs种类多(最为常见的有300多种)，涉及到的行业和企业数量多，排放条件复杂，监管非常困难，监测、检测已经成为目前制约VOCs治理的一个关键业务。
尤其在石化行业中，VOCs浓度水平较高，其中烷、烯、炔和芳烃各类化合物均有较高浓度，是对大气中VOCs有重要贡献的工业源之一。早期研究在对石化行业中的具体源解析的结果表明，烷类物质主要有正丁烷、2一甲基丁烷、2一甲基戊烷和2,2一二甲基戊烷，这些C4-C7的烷烃是润滑油挥发排放的主要成分。芳烃类物质主要有烷基苯，主要包括正丙苯、邻二甲苯和间甲乙苯、甲苯。烷类和芳烃类物质主要是化工三场生产润滑油和烷基苯所造成的。烯烃类中，顺-2-丁烯和异戊烯的浓度较高，主要为汽油和柴油这类物质挥发形成。此外还有一定的乙炔成分。以上各类VOC的浓度分别在50-1000ppbC左右，以上所列的典型VOCs也占总VOCs的50％以上。
传统的色谱、质谱、或光谱仪器，其精度高，稳定性好，但存在价格高、体积大、维护麻烦，需要稳定的气源、人员定期标定维护等问题，难以被进行密集网格化布点应用。近年来，基于火焰离子化检测器发展的气相色谱仪由于能够对大气中有机组分进行分离，作为标准的分析方法对大气中的VOC进行检测。例如公开号为CN101609072A的《挥发性有机物连续监测仪》，公开号为CN108982728A的《一种环境空气非甲烷总烃在线监测仪器优化与校准方法》等专利文献，但是由于这种基于FID的VOC监测设备操作复杂，运行的过程中需要专业人员操作，频繁校正和人员维护，限制其应用。同时其测试间隔时间较长(通常为1h一个数据)，因此难以被用来进行网格化布点对大气进行测试。
目前，国内绝大部分地区的环保监测站是具备VOCs检测能力的，但是缺少现场快速的检测能力，需要便携式或者移动式现场检测设备。传统的监测技术设备、小范围监测系统不能从数据中提取有效信息，达不到监测目的，无法解决VOCs排放底数不清的问题。
因此，亟待发展出低成本、快响应、高准确性的VOC监测仪，并以此为基础，通过合理的应用方式，以满足网格化布点对大气中TVOC进行监测的需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，以满足网格化布点对TVOC进行监测的需求，实现TVOC的低成本、快响应、高准确性监测。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，所述检测方法包括如下步骤：
A、通过TVOC监测仪的供电模块向TVOC监测仪的控制模块供电，所述控制模块采集传感器阵列模块和/或温湿度控制模块的监测数据；
B、所述控制模块将采集到的数据发送至数据通讯模块和数据存储模块；
C、所述数据通讯模块将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站；
D、所述中继站分别向各个TVOC监测仪的控制模块反馈和校验所述中继站接收到的数据信息；
E、所述中继站将经过校验的数据信息发送至TVOC后台，所述TVOC后台经过修正后，再次向所述各个TVOC监测仪的控制模块反馈和/或校验数据信息。
优选地，所述中继站判断某个或某些TVOC监测仪发送来的数据信息量小于设定时间T内应收到数据信息量的设定值，则所述中继站向相应TVOC监测仪的控制模块进行反馈，并发出重新发送数据信息的指令。
优选地，所述设定时间T为10～120分钟。
优选地，所述中继站在给TVOC后台发送数据信息时，将从所述TVOC监测仪获得的数据信息经过完整性校验后一次性发送至TVOC后台。
优选地，所述数据通讯模块在将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站时，连接在同一中继站下的多个TVOC监测仪间隔发送采集的数据信息。
优选地，所述传感器阵列模块包括至少两种电化学气体传感器。
优选地，所述电化学气体传感器包括烷烃、烯烃、苯、醇类中的至少两种固态电解质传感器。
优选地，所述传感器阵列模块由多路固态聚合物电化学传感器组成，采用交叉补偿进行校正。
优选地，所述传感器阵列模块采用交叉补偿进行校正的步骤包括：
(1)、将所述传感器阵列模块中的至少两种电化学气体传感器以及温湿度控制模块中的温度传感器和湿度传感器拆分成若干套一个传感器与其他所有传感器的组合；
(2)、利用标准仪器测出其他所有传感器中各个干扰量对一个传感器的被测量影响，得到校准曲线或校准曲面；
(3)、将其他所有传感器中各个干扰量的传感器示数近似作为真值，带入上一步得到的校准曲线或校准曲面，对一个传感器的被测量做补偿；
(4)、将若干套组合中的其他所有传感器输出对应一个传感器逐一做补偿，直至完成所有校正。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，实现TVOC的低成本、快响应、高准确性监测，满足了网格化布点对TVOC进行监测的需求。
本发明的TVOC监测方法用于室内外环境空气质量监测评估，采用了多路固态聚合物电化学传感器组成，可测量能够发生化学分解的多种气体，具有低功耗、长寿命、较好的精度和稳定性等优点，且可以扩展到更多气体的检测，应用范围得到极大地提升。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为TVOC监测方法流程示意图；
图2为TVOC监测仪内部结构示意图；
图3为TVOC监测仪爆炸示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，如图1所示，所述检测方法包括如下步骤：
A、通过TVOC监测仪的供电模块向TVOC监测仪的控制模块供电，所述控制模块采集传感器阵列模块和/或温湿度控制模块的监测数据；
B、所述控制模块将采集到的数据发送至数据通讯模块4和数据存储模块5；
C、所述数据通讯模块4将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站；
D、所述中继站分别向各个TVOC监测仪的控制模块反馈和校验所述中继站接收到的数据信息；
E、所述中继站将经过校验的数据信息发送至TVOC后台，所述TVOC后台经过修正后，再次向所述各个TVOC监测仪的控制模块反馈和/或校验数据信息。
控制模块包括控制电路板1，供电模块向TVOC监测仪控制电路板1供电，在控制电路板1上有温湿度控制模块7和传感器阵列模块6。几个模块获得的数据存储在数据存储模块5中，同时通过数据传输模块4传输到中继站，中继站每隔一段时间对传输数据进行一次校验，确认数据已经收到，如果未收到数据向控制模块发送需要再次发送数据的指令。并由中继站向TVOC后台PC端发送完整的数据。TVOC后台PC端进一步对数据进行修正，并对控制模块上的算法进行反馈，以完成检测。
优选地，所述中继站判断某个或某些TVOC监测仪发送来的数据信息量小于设定时间T内应收到数据信息量的设定值，则所述中继站向相应TVOC监测仪的控制模块进行反馈，并发出重新发送数据信息的指令。直到发送来的数据信息量等于或大于设定时间T内应收到数据信息量的设定值。优选地，为保证功耗平衡，所述设定时间T为10～120分钟。
优选地，中继站每30分钟收到一组数据，对数据的编码按照设定的标准进行逐项检查，如果无误，测发送给PC端，如果出现数据编码有误、字节数过少或冗余，则发送给监测仪重新发送数据的指令，监测仪在下一次发送数据时重新发送该次数据。以上过程重复直至获取的数据无误。
优选地，所述中继站在给TVOC后台发送数据信息时，将从所述TVOC监测仪获得的数据信息经过完整性校验后一次性发送至TVOC后台。这里遵循CRC32规则，保障数据的完整、没有冗余和数据格式错误。
进一步，所述数据通讯模块4在将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站时，连接在同一中继站下的多个TVOC监测仪间隔发送采集的数据信息。为了避免中继站数据通道拥堵，各个TVOC监测仪采用间隔发送数据信息，以下举例进行说明：
例如中继站的线路可能总共有10条，那么不同的TVOC监测仪在给中继站发的过程当中，就是同一时间中继站最多可以收到10条数据信息，造成拥堵。在本发明中，TVOC监测仪可以做一个延迟发送，例如设备1是每分钟的第一秒发送，那么设备2是每分钟的第二秒发送，如此各个TVOC监测仪的发送时间就间隔开来了，就比较能减少同时发送采集的数据信息，避免无法收到数据通讯模块4发出的监测数据。
优选地，所述传感器阵列模块6包括至少两种电化学气体传感器。更优选地，所述电化学气体传感器包括烷烃、烯烃、苯、醇类中的至少两种固态电解质传感器。所述传感器阵列模块6由多路固态聚合物电化学传感器组成，采用交叉补偿进行校正。
所述电化学气体传感器是通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作的。具有体积小、检测速度快、准确、便携、可现场直接检测和连续检测等优点。
(1)可以直接检测某特定的气体，对气体的选择性的程度取决于传感器的类型，目标气体和目标气体的浓度；
(2)对气体浓度的响应是线性输出，有低功耗和良好的分辨率；
(3)具有良好的可重复性和检测准确性，传感器对已知不变浓度的气体可以提供可重复的、精确的目标气体读数；
(4)经过改良的电化学传感器不容易被其他气体污染，其它环境气体的存在不会缩短传感器的寿命；
(5)比大多数其它气体检测技术更经济，不同于红外线和PID技术，电化学传感器是经济的。
具体地，所述传感器阵列模块6采用交叉补偿进行校正的步骤包括：
(1)、将所述传感器阵列模块6中的至少两种电化学气体传感器以及温湿度控制模块中的温度传感器和湿度传感器拆分成若干套一个传感器与其他所有传感器的组合；
(2)、利用标准仪器测出其他所有传感器中各个干扰量对一个传感器的被测量影响，得到校准曲线或校准曲面；
(3)、将其他所有传感器中各个干扰量的传感器示数近似作为真值，带入上一步得到的校准曲线或校准曲面，对一个传感器的被测量做补偿；
(4)、将若干套组合中的其他所有传感器输出对应一个传感器逐一做补偿，直至完成所有校正。
本发明的TVOC检测方法中交叉补偿校正的精度估计如下：
假设补偿前耦合的程度为3％，测得的校准曲线(面)的误差为10％，则补偿后耦合的程度大约降至0.03×0.1×100％＝0.3％。将其他传感器的输出量看做真值会引入一定误差，大约为0.03^2×100％≈0.1％。总的误差为
Figure BDA0002866424790000071
由此可知误差下降了一个数量级。
当然，如果精度仍不符合要求，可以将补偿一次后的传感器看做是待修正的传感器，再做一次插值解耦补偿……以此类推，直至精度达到要求为止，最后将多个校准曲线(面)整合为一个曲线(面)。
针对实际大气中存在的易挥发有机物组分，本实施例将大气环境中常见VOC分为烷烃A、烯烃B、苯C、醇D四大类，这四大类可以根据不同的场景进行调整，增加或减少类别，如酮、胺、醚、酯、酸。针对这些组分，设计了相应的气体电化学传感器A、B、C、D，同时用规定的标准仪器(传统仪器)如气相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪进行测试比对。通过标准仪器/传统仪器测出来的这些组分的浓度值默认为准确的结果，而电化学传感器A、B、C、D测出来的结果需要根据标准仪器的结果进行修正。
具体地，通过A传感器和标准仪器测出来的A的结果进行对比，以B、C、D传感器为影响因素，对A传感器的结果进行修正，使修正后的A传感器的结果接近标准仪器测出来的A的结果。类似地，以标准仪器测出来的B的结果作为自变量，以A、C、D传感器为影响因素，对B传感器的结果进行修正。C、D传感器的修正方法也一致。这种算法称为神经网络算法。通过对计算后的结果进行滤波处理，使传感器的显示结果更加平滑地变化。在之后的仪器运行中，持续对传感器A、B、C、D测出来的总值作为TVOC值，与气相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪的测试结果(所有挥发性有机物的值的总和)进行大于10天的比对，并对神经网络算法进行优化和迭代，使传感器的输出值与标准仪器的结果误差持续减小。误差的减少通常采用相对偏差或相对标准偏差的计算公式计算，以达到相对标准偏差小于30％，相比于未修正的结果与气相色谱仪的相对标准偏差减小50％(准确度提高50％)为满足修正要求。
如图2所示，所述TVOC监测仪包括外壳3和设置在外壳内部的控制电路板1，所述控制电路板1上设有天线2和数据通讯模块4，所述外壳3上设有至少一组空气流通孔10，该组空气流通孔10在所述外壳3内部形成气体流通通道，所述控制电路板1上还包括至少部分位于所述气体流通通道上的传感器阵列模块6，所述传感器阵列模块6包括至少两种电化学气体传感器。
优选地，外部气流以自然扩散式的方式通过所述至少一组空气流通孔10进入所述外壳3内部，且自然扩散式的气流与所述传感器阵列模块6中的传感器有效作用面平行接触，使得外部空气能够充分扩散，保证检测结果的准确性。
如图2所示，所述外壳3包括顶壳8和底壳9，所述空气流通孔10位于所述顶壳8上。所述控制电路板1安装在顶壳8内的卡槽上。控制电路板1是整个监测仪器的核心主控板，采用低功耗设计。主控板可采用stm32l151系列低功耗系列单片机，引脚多，外设全，满足对处理温湿度影响、多传感器校正、控制物联网模块等功能。
优选地，所述电化学气体传感器包括烷烃、烯烃、苯、醇类中的至少两种固态电解质传感器。所述控制电路板1上，设置了多路传感器读取电路，包含1路偏压可调式传感器电路。多路传感器，可以分辨出不同的气体，相互校正，最终获取比较准确的VOC浓度。另外设置了两路串口，可读取商用、成熟的电路板，作为辅助校正，方便进行外场调试。
优选地，所述数据通讯模块4包括NB-IOT通讯模块、LoRa通讯模块、蓝牙通讯模块、WIFI通讯模块、IPV6通讯模块中的一种。由于NB-IOT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IOT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。在综合考虑无线通信方案的运营维护成本以及后期使用情况，可优选NB-IOT无线通信方式，来实现监测仪的数据实时传输。
优选地，所述TVOC监测仪还包括数据存储模块5。几个模块获得的数据存储在数据存储模块5中，同时通过数据传输模块4传输。进一步，所述TVOC监测仪还包括温湿度控制模块7，所述温湿度控制模块7至少部分位于所述气体流通通道上。优选地，所述传感器阵列模块6还包括采用氧气传感器、乙醇传感器以及温湿度传感器进行修正。
对于温度补偿，从电信号-温度数据中拟合校准曲线，根据校准曲线做温度补偿即可。对于湿度校正，通过采样和拟合校准曲线较好地消除了静差。另外从硬件着手，对传感器做封装，尽量从源头上抑制传感器内湿度的变化。
本发明的基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，实现TVOC的低成本、快响应、高准确性监测，满足了网格化布点对TVOC进行监测的需求。
本发明的TVOC监测方法用于室内外环境空气质量监测评估，采用了多路固态聚合物电化学传感器组成，可测量能够发生化学分解的多种气体，具有低功耗、长寿命、较好的精度和稳定性等优点，且可以扩展到更多气体的检测，应用范围得到极大地提升。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种基于TVOC监测仪的TVOC监测方法，其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：
A、通过TVOC监测仪的供电模块向TVOC监测仪的控制模块供电，所述控制模块采集传感器阵列模块和/或温湿度控制模块的监测数据，所述传感器阵列模块包括至少两种电化学气体传感器，所述传感器阵列模块由多路固态聚合物电化学传感器组成，采用交叉补偿进行校正；所述传感器阵列模块(6)采用交叉补偿进行校正的步骤包括：
(1)、将所述传感器阵列模块(6)中的至少两种电化学气体传感器以及温湿度控制模块中的温度传感器和湿度传感器拆分成若干套一个传感器与其他所有传感器的组合；
(2)、利用标准仪器测出其他所有传感器中各个干扰量对一个传感器的被测量影响，得到校准曲线或校准曲面；
(3)、将其他所有传感器中各个干扰量的传感器示数近似作为真值，带入上一步得到的校准曲线或校准曲面，对一个传感器的被测量做补偿；
(4)、将若干套组合中的其他所有传感器输出对应一个传感器逐一做补偿，直至完成所有校正；
B、所述控制模块将采集到的数据发送至数据通讯模块(4)和数据存储模块(5)；
C、所述数据通讯模块(4)将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站；
D、所述中继站分别向各个TVOC监测仪的控制模块反馈和校验所述中继站接收到的数据信息；
E、所述中继站将经过校验的数据信息发送至TVOC后台，所述TVOC后台经过修正后，再次向所述各个TVOC监测仪的控制模块反馈和/或校验数据信息。
2.根据权利要求1所述的TVOC监测方法，其特征在于：所述中继站判断某个或某些TVOC监测仪发送来的数据信息量小于设定时间T内应收到数据信息量的设定值，则所述中继站向相应TVOC监测仪的控制模块进行反馈，并发出重新发送数据信息的指令。
3.根据权利要求2所述的TVOC监测方法，其特征在于：所述设定时间T为10～120分钟。
4.根据权利要求3所述的TVOC监测方法，其特征在于：所述中继站在给TVOC后台发送数据信息时，将从所述TVOC监测仪获得的数据信息经过完整性校验后一次性发送至TVOC后台。
5.根据权利要求1所述的TVOC监测方法，其特征在于：所述数据通讯模块(4)在将数据发送至连接有多个TVOC监测仪的中继站时，连接在同一中继站下的多个TVOC监测仪间隔发送采集的数据信息。
6.根据权利要求1所述的TVOC监测方法，其特征在于：所述电化学气体传感器包括烷烃、烯烃、苯、醇类中的至少两种固态电解质传感器。
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