CN114152653B - 解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的方法及装置。基于O₃电化学传感器较好的线性度和重复性、NO₂对O₃的影响呈现较为稳定的函数关系，通过控制冷阱组件的温度，使得样气中的NO₂和H₂O转变为固体，使用1个O₃电化学传感器可获得准确的NO₂和O₃的浓度，既可攻克NO₂和O₃电化学传感器交叉影响，又能解决NO₂电化学传感器测量精度差等问题，完成高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度，通过串联或并联其他电化学气体传感器，进一步可测量大气中其他气体浓度。

Description

解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的方法及装置

技术领域

本发明属于大气监测领域，特别是涉及一种解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧 浓度的方法及装置。

技术背景

空气污染是当今世界的主要问题之一，目前，主要通过建立空气质量监测站网络，实 时采集空气质量监测数据的战略，以实现有效把控城市大气污染情况。

目前我国共有四级环境监测站(国家、省级、市级和县级)，空气质量监测的主要气体 包括SO₂、NO₂、CO和O₃。这些监测站点多年来累积了大量的空气质量监测数据，为大气 污染的治理提供了基础支撑。然而，由于空气污染的特性，城市地区在污染水平上会表现 出较大的时间和空间变异性。例如拥堵交通走廊(十字口或公交车站)的污染浓度往往明 显高于周围地区，而大气污染物的成分通常会随着季节交替、该地区工业和交通特征而发 生变化。面对空气污染浓度在时间和空间尺度上的巨大变化，需要成百上千个空气质量监 测站点来构建城市区域高密度网络，以实现空气质量高时空分辨率的监测。但是传统的空 气质量监测设备价格昂贵，可能达到数十万甚至数百万元，且后期的运营维护成本也相对 较高。因此，迫切需要成本低、效果好的监测设备用于空气质量高密度网格化监测。

相比传统检测设备，电化学气体传感器在大气污染物监测方面具有许多潜在的网格化 监测优势；电化学气体传感器的检测信号与污染物浓度呈现良好的正比线性关系，可以直 观的观察到污染物监测浓度。另外，电化学气体传感器价格低，更易于使用和维护，所需 的能量和空间更少，可以轻松的部署在任意位置，具有更高的移动性，因此，它可以被有效用于高密度监测站点的部署，增强空间覆盖率。除此之外，电化学气体传感器的响应及恢复时间极短，可以轻松实现短时间间隔的连续监测。虽然电化学气体传感器具有快速时间分辨率的空间密集网络能力，也能够为标准空气质量监测站补充其无法提供的信息，但是电化学气体传感器被用于高密度网格化监测站点构建时，往往会出现监测数据不准确，数据可信度较低的问题。

电化学气体传感器在监测CO、NO₂、O₃、SO₂等污染物的过程中，数据准确性的主要影响因素不是电化学气体传感器自身的灵敏度，而是不同被监测气体之间的交叉干扰。电化学气体传感器多为电流型，其基本原理是一定电位下待测气体在电极表面发生氧化或者还原反应产生电流，因此，当不同气体的还原或者氧化电位接近时，它们经过气体传感器时可能会存在原理上的相互干扰。

使用电化学气体传感器检测CO、NO₂、O₃、SO₂四种气体时，NO₂和O₃之间的交叉 干扰表现的最为明显，NO₂和O₃之间的交叉干扰是解决电化学气体传感器监测数据不准 确的一个核心问题。O₃电化学传感器线性度较好，但其测量精度受NO₂影响较大，此影响 量取决大气中NO₂的浓度。经实验数据表明，NO₂对O₃的影响呈现较为稳定的函数关系， 若NO₂传感器能准确测量NO₂浓度，则可得到准确的O₃浓度，但NO₂电化学传感器在实 际应用中线性度、重复性较差，因此在实际应用中，NO₂和O₃浓度很难准确测得。

目前，这一问题限制了电化学气体传感器高密度监测网络的继续使用，如果无法解决， 未来将会给国家的投入带来巨大的损失。

发明内容

本发明的目的是提出一种解耦且高精度测量大气中NO₂和O₃浓度的方法及装置，以解 决NO₂和O₃之间存在的交叉干扰及NO₂电化学传感器测量精度差的问题，获得大气中精确的NO₂和O₃浓度。

本发明提供了一种解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置，其包括：

外壳，所述外壳内设置有容置空间，所述容置空间用于放置工作组件或管路等；

进气口，所述进气口位于所述外壳的第一侧壁上，所述进气口连接第一气体支路，所 述第一气体支路与第二气体支路和第三气体支路相连接，所述第三气体支路与第四气体支 路连接；

第一阀门，所述第一阀门设置在所述第二气体支路中；

第二阀门，所述第二阀门设置在所述第三气体支路中；

冷阱组件，所述第二气体支路连接到所述冷阱组件，所述第四气体支路连接到所述冷 阱组件；

O₃电化学传感器，所述第四气体支路连接到所述O₃电化学传感器；

泵组件，所述泵组件连接到所述O₃电化学传感器；

出气口，所述出气口位于所述外壳的第二侧壁上；

温度控制模块，所述温度控制模块对所述O₃电化学传感器的温度进行调节。

其中，使用温度控制模块将O₃电化学传感器6控制在30℃。

其中，所述第四气体支路包括位于所述冷阱组件中的部分和位于冷阱组件和O₃电化学 传感器之间的部分。

其中，设置温度控制部件，所述第四气体支路位于冷阱组件和O₃电化学传感器之间的 部分为恒温气体管路，温度保持在30℃。

本发明提供了一种测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的方法，其中，

提供第一气体通道，其为第一气体支路、第三气体支路和第四气体支路依次连接形成 的通道；

提供第二气体通道，其为第一气体支路、第二气体支路、冷阱组件和第四气体支路依 次连接形成的通道；

选择第一气体通道，所述第二气体支路中的第一阀门处于闭合状态，打开第二气体支 路中的第二阀门，从而依靠泵组件的运转来抽取样气，样气通过装置的进气口进入第一气 体支路，第三气体支路和第四气体支路，沿着第一气体通道进入O₃电化学传感器，得到f (x)，x为NO₂浓度，f(x)为不同NO₂浓度对O₃气体传感器的影响量；

选择第二气体通道，所述第二气体支路中的第一阀门处于开启状态，关闭第二气体支 路中的第二阀门，依靠泵组件的运转来抽取样气，样气通过装置的进气口进入第一气体支 路和第二气体支路，所述第二气体支路连接到所述冷阱组件，所述冷阱组件将样气中的NO₂气体变为固体，然后其余样气沿着第四气体支路进入O₃电化学传感器，得到大气中O₃的 浓度；

由已知样气中O₃的浓度和f(x)，通过计算，获得样气中NO₂的浓度。

本发明基于O₃电化学传感器较好的线性度和重复性、NO₂对O₃的影响呈现较为稳定的函数关系，通过控制冷阱组件的温度，使得样气中的NO₂和H₂O转变为固体，可同时解 决NO₂和O₃之间的交叉干扰和湿度对电化学气体传感器影响的问题；使用1个O₃电化学 传感器即可获得准确的NO₂和O₃的浓度；解决了NO₂和O₃交叉干扰问题，完成高精度测 量大气中二氧化氮和臭氧浓度，进一步可测量大气中其他气体浓度(如微型空气站通常测 量SO₂、NO₂、O₃、CO)，在O₃电化学传感器后串联或并联其他气体传感器即可，此发明 中不再赘述。

附图说明

图1为本发明的解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应 当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

图1为本发明的解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置结构图。如图1 所示，所述装置包括：

外壳1，所述外壳1内设置有容置空间，所述容置空间用于放置工作组件或管路等；

进气口2，所述进气口位于所述外壳的第一侧壁上，所述进气口2包括用于实现管路连 接的连接端口：所述进气口2连接第一气体支路，所述第一气体支路与第二气体支路和第 三气体支路相连接，所述第二气体支路靠近所述第一侧壁，所述第三气体支路远离所述第 一侧壁，所述第二气体支路和第三气体支路在竖直方向延伸，所述第一支路的延伸方向与 第二气体支路和第三气体支路的延伸方向相垂直，所述第三气体支路与第四气体支路连接；

第一阀门3，所述第一阀门3设置在所述第二气体支路中；

第二阀门5，所述第二阀门5设置在所述第三气体支路中；

冷阱组件4，所述第二气体支路连接到所述冷阱组件4，所述第四气体支路连接到所述 冷阱组件4；

O₃电化学传感器6，所述第四气体支路连接到所述O₃电化学传感器6；

泵组件7，所述泵组件7连接到所述O₃电化学传感器6；

出气口8，所述出气口8位于所述外壳1的第二侧壁上；

温度控制模块，所述温度控制模块对所述O₃电化学传感器6的温度进行调节。

所述O₃电化学传感器6的最佳工作温度为30～40℃，综合考虑功耗等气体问题，本发 明中使用温度控制模块将O₃电化学传感器6控制在30℃；所述第四气体支路包括位于所述 冷阱组件4中的部分和位于冷阱组件4和O₃电化学传感器6之间的部分，通过设置温度控制部件，所述第四气体支路位于冷阱组件4和O₃电化学传感器6之间的部分为恒温气体管路，温度保持在30℃。

本发明使用一个O₃气体传感器可获得高精度NO₂和O₃的浓度，其具体的测量技术方案如下：

熔点是固体将其物态由固态转变(熔化)为液态的温度，凝固点是进行相反动作(由 液态转变为固态)的温度。大多数情况下，物质的熔点等于凝固点。NO₂的熔点为-11℃，O₃的熔点为-192℃，CO的熔点为-205℃，SO₂的熔点为-75.5℃，H₂O的熔点为0℃。本发 明中将冷阱组件4的温度设置为-20℃，可将样气中NO₂和H₂O转变为固体，且其它气体不 受影响。

本发明的装置中形成两个气体通道，即第一气体通道和第二气体通道；第一气体通道 为第一气体支路、第三气体支路和第四气体支路依次连接形成的通道；第二气体通道二为 第一气体支路、第二气体支路、冷阱组件4和第四气体支路依次连接形成的通道。

采用第一气体通道时，如浅色箭头所示，所述第二气体支路中的第一阀门3处于闭合 状态，打开第二气体支路中的第二阀门5，从而依靠泵组件7的运转来抽取样气，样气通过 装置的进气口2进入第一气体支路，第三气体支路和第四气体支路，沿着第一气体通道进 入O3电化学传感器6，得到f(x)，此函数关系通过以下实验得到。

在实施例中，选取O₃浓度为X ppb不变，改变NO₂浓度为(0～80)ppb，浓度变化间 隔为10ppb，得到不同NO₂浓度对O₃气体传感器的影响量，即f(NO₂，O₃)。其中X为30ppb， 50ppb和80ppb，覆盖环境空气中O₃浓度范围。通过数据分析，得到结果如下：

其中，O₃电化学传感器的浓度为y，x为NO₂浓度，f(x)为不同NO₂浓度对O₃气体 传感器的影响量，将不同O₃浓度下f(x)系数求平均得f(x)＝0.56x。

采用第二气体通道，如图1中黑色箭头所示，所述第二气体支路中的第一阀门3处于 开启状态，关闭第二气体支路中的第二阀门5。依靠泵组件7的运转来抽取样气，样气通过 装置的进气口2进入第一气体支路和第二气体支路，所述第二气体支路连接到所述冷阱组 件4，所述冷阱组件4将样气中的NO₂气体变为固体，然后其余样气沿着第四气体支路进入O₃电化学传感器6，得到大气中O₃的浓度。此时已知样气中O₃的浓度和f(x)，通过计 算，即可获得样气中NO₂的浓度。

作为进一步的说明，本发明的具体测量可采用如下步骤：

步骤1.上电预热，泵组件7开始工作；

步骤2.开启第一气体通道，将第一阀门3闭合，打开第二阀门5，样气通过装置的进气口进入O₃电化学传感器，记录此时O₃电化学传感器的显示值y₁，该y₁的值是大气中O₃的浓度与大气中NO₂对其影响量的和，并通过运算模块置入装置中；

步骤3.开启第二气体通道，将第一阀门3打开，关闭第二阀门2，样气通过装置的进气 口2先进入冷阱组件，将所述冷阱组件的温度设定为-20℃，然后样气通过第四气体支路， 通过第四气体支路进入O₃电化学传感器，记录此时O₃电化学传感器的显示值y₂，该y₂的值为大气中O₃的当前浓度值；

步骤4.则此时NO₂对O₃气体传感器的影响量为y₃＝y₁-y₂，将y₃代入NO₂对O₃气体传感器影响量的函数关系f(x)，即可获得大气中NO₂的浓度值。

以上为本发明提出方法及装置的一个循环，通过不同的循环，可实时获得大气中NO₂和O₃的浓度。

本发明中通过控制冷阱组件的温度，使得样气中的NO₂和H₂O转变为固体，可同时解决NO₂和O₃之间的交叉干扰和湿度对电化学气体传感器影响的问题；使用1个O₃电化学 传感器即可获得准确的NO₂和O₃的浓度，；解决了NO₂和O₃交叉干扰问题，完成高精度测 量大气中二氧化氮和臭氧浓度，进一步可测量大气中其他气体浓度(如微型空气站通常测 量SO₂、NO₂、O₃、CO)，在O₃电化学传感器后串联或并联其他气体传感器即可，此发明 中不再赘述。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定 本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都 可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同 变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。

Claims (5)

1.一种解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置，其包括：

外壳，所述外壳内设置有容置空间，所述容置空间用于放置工作组件或管路；

进气口，所述进气口位于所述外壳的第一侧壁上，所述进气口连接第一气体支路，所述第一气体支路与第二气体支路和第三气体支路相连接，所述第三气体支路与第四气体支路连接；

第一阀门，所述第一阀门设置在所述第二气体支路中；

第二阀门，所述第二阀门设置在所述第三气体支路中；

冷阱组件，所述第二气体支路连接到所述冷阱组件，所述第四气体支路连接到所述冷阱组件；

O₃电化学传感器，所述第四气体支路连接到所述O₃电化学传感器；

泵组件，所述泵组件连接到所述O₃电化学传感器；

出气口，所述出气口位于所述外壳的第二侧壁上；

温度控制模块，所述温度控制模块对所述O₃电化学传感器的温度进行调节。

2.如权利要求1所述的解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置，其特征在于：使用温度控制模块将O₃电化学传感器控制在30℃。

3.如权利要求1所述的解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置，其特征在于：所述第四气体支路包括位于所述冷阱组件中的部分和位于冷阱组件和O₃电化学传感器之间的部分。

4.如权利要求3所述的解耦且高精度测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的装置，其特征在于：设置温度控制部件，所述第四气体支路位于冷阱组件和O₃电化学传感器之间的部分为恒温气体管路，温度保持在30℃。

5.一种采用如权利要求1-4任一项的装置测量大气中二氧化氮和臭氧浓度的方法，其特征在于：

提供第一气体通道，其为第一气体支路、第三气体支路和第四气体支路依次连接形成的通道；

提供第二气体通道，其为第一气体支路、第二气体支路、冷阱组件和第四气体支路依次连接形成的通道；

选择第一气体通道，所述第二气体支路中的第一阀门处于闭合状态，打开第二气体支路中的第二阀门，从而依靠泵组件的运转来抽取样气，样气通过装置的进气口进入第一气体支路，第三气体支路和第四气体支路，沿着第一气体通道进入O3电化学传感器，得到f(x)，x为NO₂浓度，f(x)为不同NO₂浓度对O₃气体传感器的影响量；

选择第二气体通道，所述第二气体支路中的第一阀门处于开启状态，关闭第二气体支路中的第二阀门，依靠泵组件的运转来抽取样气，样气通过装置的进气口进入第一气体支路和第二气体支路，所述第二气体支路连接到所述冷阱组件，所述冷阱组件将样气中的NO₂气体变为固体，然后其余样气沿着第四气体支路进入O₃电化学传感器，得到大气中O₃的浓度；

由已知样气中O₃的浓度和f(x)，通过计算，获得样气中NO₂的浓度。