CN113466160A - 一种基于差分法的臭氧及voc含量检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统及方法，可同时实时、准确监测臭氧和VOC的浓度，有效避免了水汽、气态汞、有机物等对测量系统的干扰。包括进气组件,所述进气组件包括用于标气的标气进气组件、用于零气的零气进气组件、用于样气的样气进气组件，标气进气组件、零气进气组件以及样气进气组件经过四通阀后与检测装置连接，所述检测装置包括臭氧加热装置以及与臭氧加热装置连接的紫外光度检测装置。本发明采用的技术不需要另外增加具有危险性和具有污染的特殊试剂和耗材，安全性高，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种差分法臭气和VOC的监测系统，可同时实时、准确监测臭氧和VOC的浓度，有效避免了水汽、气态汞、有机物等对测量系统的干扰。
背景技术
臭氧是地球大气中的一种重要痕量气体，对人类生活环境有着重要的影响。臭氧本身是一种对人体有害的气体，较高的臭氧浓度会对人体健康产生危害，高浓度臭氧会刺激眼、鼻、喉咙的黏膜，对支气管及肺等呼吸系统造成影响，特别是会损伤儿童的肺功能，引发胸疼、恶心、疲乏等症状。在严重情况下，还会造成死亡事件。对流层臭氧同时也是一种温室气体，其直接气候效应导致北极地区增温年均达0.3℃。地面臭氧浓度升高将对人类社会可持续发展产生巨大威胁。因此，研究臭氧具有非常重要的意义。
近年来，臭氧污染作为环境大气环境监测的常规指标之一，尤其是随着我国工业化进展的加快和环境保护的深入，环境空气中的首要污染物已经由PM2.5向PM2.5和臭氧交替出现的局面，监测数据表明，近年来我国大部分地区臭氧浓度逐年上升的趋势，因此受越来越多学者的重点关注。针对日益凸显的臭氧污染，我国实施的新《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中，增加了臭氧(03)监测项目。臭氧是典型的二次污染物，控制其前体物排放是治理的关键。臭氧的前体物主要是氮氧化物和挥发性有机污染物，而这两种污染物同样也是二次细颗粒物的前体物。因此，有效控制这两项前体物的排放不仅对控制臭氧污染非常重要，对防治PM2.5同样重要。
由于臭氧的高氧化性，对它进行高灵敏度监测分析的方法仍是一项极具挑战性的任务。紫外吸收法臭氧监测设备无需特殊试剂、安全方便、实时监测分析，能够准确有效的进行环境空气臭氧浓度实时监测，现已被广泛用于各地方环境空气监测站中。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，包括进气组件,所述进气组件包括用于标气的标气进气组件、用于零气的零气进气组件、用于样气的样气进气组件，标气进气组件、零气进气组件以及样气进气组件经过四通阀后与检测装置连接，所述检测装置包括臭氧加热装置以及与臭氧加热装置连接的紫外光度检测装置。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，所述检测装置的紫外光检测装置，包括气体检测气室，所述气体检测气室两端设有检测窗口，一端窗口设有紫外光源，另一端窗口设有信号接收检测组件，气体检测气室上端面的两端分别设有进气口和出气口。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，标气进气组件包括标气进气管A，样气进气组件包括样气进气管C,零气进气组件包括零气进气管B；检测装置还包括三通阀；四通阀经公共管与三通阀连接并经过加热管D与臭氧加热装置连接后与紫外光度检测装置连接；四通阀还经公共管与三通阀连接后经过常温管E与紫外光度检测装置连接。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，所述臭氧加热装置包括一个空心导热筒，样气进气管与三通阀连接后从空心导热筒外壁的一端螺旋缠绕至空心导热筒外壁的另一端后与紫外光检测装置的进气口连接，与加热控制器电连接的加热棒设置在空心导热筒内。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，信号接收检测组件包括紫外光接收器以及与紫外光接收器连接的传感器模块。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，所述紫外光接收器和另一端窗口之间还设有滤光片。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，所述臭氧加热装置还包括一个保护套，将螺旋缠绕在空心导热筒外壁的部分样气进气管包裹在保护套内。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，还包括气体降温及恒温组件，设置在臭氧加热装置和紫外光度检测装置之间，用于将加热处理后的样气降温至室温或设定的温度并保持恒温状态后输送至紫外光度检测装置内。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，紫外光检测装置还包括螺旋缠绕在气体检测气室外壁的加热丝，所述加热丝外包括有保温层。
一种基于差分法的VOC及臭氧含量检测方法，其特征在于，包括：
标定步骤：将不同浓度的标气经标气进气管A后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V标；将不同浓度的零气经零气进气管B后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V零；从而得到气体浓度标定曲线：Q标＝aV，其中，Q臭氧(标)为标定状态下气体浓度，a为标定系数；
测量步骤，包括：
零气测量：将不含待测气成份的零气经零气进气管B后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V零(测)；
样气测量：将未知浓度的样气经样气进气管C后通过加热管D后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V样(测)；将未知浓度的样气经样气进气管C后通过常温管E后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V′样(测)；
浓度计算：臭氧浓度Q臭＝a(V′样(测)-V样(测)-V零(测))；VOC浓度Qvoc＝a(V样(测)-V零(测))。
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测方法，标定步骤的具体过程是：在T标时间内，将相对湿度为10％-100％的不同浓度的标气经标气进气管A后通过三通阀经常温管E或加热管D后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V标；在T零时间内，将相对湿度为10％-100％的不同浓度的零气经零气进气管b后通过三通阀经常温管E或加热管D后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V零；从而得到气体浓度标定曲线：Q标＝aV，其中，Q臭氧(标)为标定状态下气体浓度；
在上述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测方法，零气测量中，零气经零气进气管B后通过常温管E后进入紫外光度检测装置；样气测量时，三通阀按设定的间隔时间切换加热管D和常温管E，使样气经公共管后自动进入加热管D或常温管E中。
因此，本发明具有如下优点：
1.本发明采用双差分紫外吸收法同时测量臭氧和VOC的浓度。
2.紫外吸收法作为环境空气臭氧浓度测量的经典方法易受各种环境干扰因素的影响，本发明采用的技术和方法克服了各类干扰因素(水、气态汞、芳香族化合物的光化学产物、VOC等)的影响，可实现对臭氧的准确测量。连续测量过程不受常见空气污染物的干扰。
3.本发明采用的技术不需要另外增加具有危险性和具有污染的特殊试剂和耗材，安全性高，实用性强。
附图说明
附图1是本发明的一种原理图。
附图2是本发明中臭氧加热装置的结构图。
附图3是本发明中紫外光检测装置的结构图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明涉及一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，包括进气组件,所述进气组件包括用于标气的标气进气组件、用于零气的零气进气组件、用于样气的样气进气组件，标气进气组件、零气进气组件以及样气进气组件经过四通阀后与检测装置连接，所述检测装置包括臭氧加热装置以及与臭氧加热装置连接的紫外光度检测装置。
标气进气组件包括标气进气管A，样气进气组件包括样气进气管C,零气进气组件包括零气进气管B；检测装置还包括三通阀；四通阀经公共管与三通阀连接并经过加热管D与臭氧加热装置连接后与紫外光度检测装置连接；四通阀还经公共管与三通阀连接后经过常温管E与紫外光度检测装置连接。
检测装置的紫外光检测装置，包括气体检测气室，气体检测气室两端设有检测窗口，一端窗口设有紫外光源，另一端窗口设有信号接收检测组件，气体检测气室上端面的两端分别设有进气口和出气口。紫外光检测装置还包括螺旋缠绕在气体检测气室外壁的加热丝，加热丝外包括有保温层。，在本实施例中,保温层可以的石棉,海绵或者玻璃棉等保温材料。
臭氧加热装置包括一个空心导热筒，样气进气管与三通阀连接后从空心导热筒外壁的一端螺旋缠绕至空心导热筒外壁的另一端后与紫外光检测装置的进气口连接，与加热控制器电连接的加热棒设置在空心导热筒内。臭氧加热装置还包括一个保护套，将螺旋缠绕在空心导热筒外壁的部分样气进气管包裹在保护套内。
信号接收检测组件包括紫外光接收器以及与紫外光接收器连接的传感器模块，紫外光接收器和另一端窗口之间还设有滤光片。
在本实施例中，还包括气体降温及恒温组件，设置在臭氧加热装置和紫外光度检测装置之间，用于将加热处理后的样气降温至室温或设定的温度并保持恒温状态后输送至紫外光度检测装置内。
本发明还涉及一种基于差分法的VOC及臭氧含量检测方法，在本方法中，先介绍一下本发明基于原理：
大气中，仅有VOC以及臭氧会对于紫外光会有强反应，因此，当气体中包含有VOC或臭氧或两者混合物时，紫外光度检测装置会根据气体浓度反馈不同的电压值，而对不包含VOC或臭氧或两者混合物的气体，紫外光度检测装置仅有微弱的电压值反馈，基于这一原理，本发明创造性的发明上上述的装置可以同时测量VOC或臭氧的浓度，本发明涉及的气体定义如下：
零气包括：经过处理后不含臭氧、VOC、等杂质的空气
标气包括：只含已知浓度和对测量不产生任何干扰的填充气的标准气体
样气包括：需要测量的环境空气，含有voc、臭氧、氧气、氮气等的混合气体
下面介绍结合上述装置进行测量的具体方法，主要包括：
标定步骤：在T标时间内，将相对湿度为10％-100％的不同浓度的标气经标气进气管A后通过三通阀经常温管E或加热管D后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V标；在T零时间内，将相对湿度为10％-100％的不同浓度的零气经零气进气管b后通过三通阀经常温管E或加热管D后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V零；从而得到气体浓度标定曲线：Q标＝aV，其中，Q臭氧(标)为标定状态下气体浓度；
测量步骤，包括：
零气测量：将不含待测气成份的零气经零气进气管B后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V零(测)；
样气测量：将未知浓度的样气经样气进气管C后通过加热管D后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V样(测)，在本步骤中，臭氧经过加热后，转化为氧气，因此，经过加热后的样气不包含臭氧；将未知浓度的样气经样气进气管C后通过常温管E后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V′样(测)；
浓度计算：臭氧浓度Q臭＝a(V′样(测)-V样(测)-V零(测))；VOC浓度Qvoc＝a(V样(测)-V零(测))。
在本实施例中，三通阀每隔5秒回自动在加热管B和常温管E中来回切换，因此，在零气测量中，零气经零气进气管B后通过常温管E后进入紫外光度检测装置；在样气测量时，三通阀按设定的间隔时间切换加热管D和常温管E，使样气经公共管后自动进入加热管D或常温管E中。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (12)
1.一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，包括进气组件,所述进气组件包括用于标气的标气进气组件、用于零气的零气进气组件、用于样气的样气进气组件，标气进气组件、零气进气组件以及样气进气组件经过四通阀后与检测装置连接，所述检测装置包括臭氧加热装置以及与臭氧加热装置连接的紫外光度检测装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，所述检测装置的紫外光检测装置，包括气体检测气室，所述气体检测气室两端设有检测窗口，一端窗口设有紫外光源，另一端窗口设有信号接收检测组件，气体检测气室上端面的两端分别设有进气口和出气口。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，标气进气组件包括标气进气管A，样气进气组件包括样气进气管C,零气进气组件包括零气进气管B；检测装置还包括三通阀；四通阀经公共管与三通阀连接并经过加热管D与臭氧加热装置连接后与紫外光度检测装置连接；四通阀还经公共管与三通阀连接后经过常温管E与紫外光度检测装置连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，所述臭氧加热装置包括一个空心导热筒，样气进气管与三通阀连接后从空心导热筒外壁的一端螺旋缠绕至空心导热筒外壁的另一端后与紫外光检测装置的进气口连接，与加热控制器电连接的加热棒设置在空心导热筒内。
5.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，信号接收检测组件包括紫外光接收器以及与紫外光接收器连接的传感器模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，所述紫外光接收器和另一端窗口之间还设有滤光片。
7.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，所述臭氧加热装置还包括一个保护套，将螺旋缠绕在空心导热筒外壁的部分样气进气管包裹在保护套内。
8.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，还包括气体降温及恒温组件，设置在臭氧加热装置和紫外光度检测装置之间，用于将加热处理后的样气降温至室温或设定的温度并保持恒温状态后输送至紫外光度检测装置内。
9.根据权利要求1所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测系统，其特征在于，紫外光检测装置还包括螺旋缠绕在气体检测气室外壁的加热丝，所述加热丝外包括有保温层。
10.一种基于差分法的VOC及臭氧含量检测方法，其特征在于，包括：
标定步骤：将不同浓度的标气经标气进气管A后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V标；将不同浓度的零气经零气进气管B后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V零；从而得到气体浓度标定曲线：Q标＝aV，其中，Q臭氧(标)为标定状态下气体浓度，a为标定系数；
测量步骤，包括：
零气测量：将不含待测气成份的零气经零气进气管B后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V零(测)；
样气测量：将未知浓度的样气经样气进气管C后通过加热管D后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V样(测)；将未知浓度的样气经样气进气管C后通过常温管E后进入紫外光度检测装置得到当前浓度对应的检测电压值V′样(测)；
浓度计算：臭氧浓度Q臭＝a(V′样(测)-V样(测)-V零(测))；VOC浓度Qvoc＝a(V样(测)-V零(测))。
11.根据权利要求10所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测方法，其特征在于，标定步骤的具体过程是：在T标时间内，将相对湿度为10％-100％的不同浓度的标气经标气进气管A后通过三通阀经常温管E或加热管D后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V标；在T零时间内，将相对湿度为10％-100％的不同浓度的零气经零气进气管b后通过三通阀经常温管E或加热管D后进入紫外光度检测装置得到不同浓度对应的检测电压值V零；从而得到气体浓度标定曲线：Q标＝aV，其中，Q臭氧(标)为标定状态下气体浓度。
12.根据权利要求10所述的一种基于差分法的臭氧及VOC含量检测方法，其特征在于，零气测量中，零气经零气进气管B后通过常温管E后进入紫外光度检测装置；样气测量时，三通阀按设定的间隔时间切换加热管D和常温管E，使样气经公共管后自动进入加热管D或常温管E中。
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