CN201673121U - 基于环境光学的空气质量自动监测仪 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种基于环境光学的空气质量自动监测仪。由NO、NO2测量模块、O3测量模块、CO测量模块、CO2测量模块、信号采集模块、数字信号处理模块、以及外围接口组成。NO、NO2测量模块包括移动式双发单收反应池、高压电晕放电臭氧发生器、气体转换装置和冷却器。O3测量模块采用双光路双检测器。O3测量模块采用相关滤波红外吸收的原理，可以实时连续监测大气污染物中的NO(NO2)、O3、CO、CO2气体。NO(NO2)、O3最低检测限达到0.5ppb级，CO、CO2最低检测限达到0.5ppm级。本实用新型采用模块化设计，噪声低、抗干扰能力强、测量精度高，数据稳定，生产成本低。本实用新型可应用于应急监测、流动监测、“温室气体”排放监测、光化学污染控制监测等多种场合。

Description

基于环境光学的空气质量自动监测仪
技术领域
本实用新型涉及一种用环境光学法针对大气污染NO(NO2)、O3、CO、CO2气体进行实时连续监测的光、机、电一体化监测仪。
背景技术
经过多年的发展，我国已经初步建立了适应我国国情的环境质量监测网络、技术和管理体系，基本形成了环境执法监察体系框架，环境保护政策、法规、科技、标准、规划、信息、宣教支撑能力不断加强，但技术装备落后，监测能力仍显不足。
目前，我国环境质量监测的自动化水平较低，中西部地区监测站条件大多比较差，连续自动采样和智能化样品制备手段落后，监测范围有限，监测项目和数据来源不全，数据和信息传输不畅，科技创新能力不足等因素。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述现状，旨在提供一种低检测限、高精度、响应时间较快，可用于多种监测场合的基于环境光学的空气质量自动监测仪。
本实用新型目的的实现方式为，接被测气体的5μm粒子过滤器分接NO、NO2测量模块、O3测量模块、CO测量模块和CO2测量模块，各测量模块分接活塞式真空泵，各测量模块分接电源模块、信号采集模块，信号采集模块接数字信号处理模块，数字信号处理模块通过外围接口接至LCD、KEY或Internet，
NO、NO2测量模块采用移动式双发单收反应池，反应池全部蔽光、密封，
信号采集模块包括的由OPA128KM组成的信号调理器依次接由LT1062CN组成的带通滤波器，由OPA2277U组成的电压放大器后，分多路进入多路复用器，经嵌入式系统进行信号选通的信号进入由TLC2252组成的射极跟随器，然后进入模数转换器24Bit的ADS1255转化为数字信号输出，
数字信号处理模块的U1的3、5、52、51脚接并行接口U10的24、23脚，19、22脚接非易失性存储器U6的6、5脚24、37、33、32、34、21脚依次接U3的3、4、5、6与U5的9、10脚，38、39、41、45、46、47、52、53脚依次接数字信号处理器U2的IOP0～IOP7脚，U2的A1、A2、A3、A4脚依次接FLASH存储器U13的7、8、15、16脚，4、8、12、15、35、45、44、43脚并行接口U10的21、20、19、18、17、16、15、14、13脚，内嵌的Ethernet接口、U3与局域网连接。
本实用新型有以下优点：
1)可对极其微弱的传感器信号进行采集与放大，对各测量模块对大气污染NO(NO2)、O3、CO、CO2气体的输出信号进行实时连续的监测，并实时处理。
2)采用常规的网络机柜式，车载式等外形结构，用于点式固定监测、移动监测、路边监测；设计成便携机箱式外形采用便携机箱式设计，可用于应急监测、环境评价，还可代替手动采样器，全部实现自动化监测。
3)采用多种实时通讯方式，INTERNET、GPRS/CDMA、3G网络实时通信，主叫和被叫方式可选，同时传送监测浓度值和各项运行数据，可远程控制监测仪校零、校标操作。
本实用新型噪声低、抗干扰能力强、测量精度高，数据稳定，NO(NO2)、O3最低检测限达到0.5ppb级，CO、CO2最低检测限达到0.5ppm级。生产成本低。本实用新型可应用于应急监测、流动监测、“温室气体”排放监测、光化学污染控制监测等多种场合。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图，
图2是本实用新型的NO(NO2)测量模块结构示意图，
图3是本实用新型的O3测量模块结构示意图，
图4是本实用新型的CO/CO2测量模块示意图，
图5是本实用新型的信号采集模块框图，
图6是本实用新型的数字信号处理模块框图，
图7a、b是本实用新型的数字信号试验结果。
具体实施方式
参照图1，接被测气体的5μm粒子过滤器1分接NO、NO2测量模块2、O3测量模块3、CO测量模块4和CO2测量模块5，各测量模块分接活塞式真空泵6，各测量模块分接电源模块、信号采集模块7，信号采集模块7接数字信号处理模块8，数字信号处理模块8通过外围接口9接至LCD、KEY或Internet。
被测气体经5μm粒子过滤器1，分4路进入NO(NO2)测量模块2、O3测量模块3、CO测量模块4、CO2测量模块5进行测量，然后进入活塞式真空泵6后排出。各测量模块的电源部分由电源模块供应，测量的信号输入至信号采集模块7进行信号采集、放大、甄别、滤波、A/D转换后输出。再进入数字信号处理模块8进行运算、控制、显示后输出。最后由外围接口9主要输出至LCD、KEY、Internet。
NO、NO2测量模块采用移动式双发单收反应池。反应池材料采用316L不锈钢，反应池全部蔽光、密封。臭氧发生装置采用4000V高压电晕放电产生臭氧，进气前加装干燥管和过滤器，精密过滤气体中的颗粒物和水分。
参照图2，NO、NO2测量模块的气体转化装置20经管道与反应池12的样气口10连通，水汽过滤器19接臭氧发生器18，臭氧发生器18经管道与反应池12的样气口10、进气口11连通，反应池12底部安装有红外滤光片13，反应池12安装在可移动的底座14上，移动式底座14安装在传感器总成16上，传感器总成16内装有光电倍增管15，顶端装有冷却器17。
样气NO2经过气体转化装置20转化与NO分别由样气口10进入反应池12。空气经过粒子和水汽过滤器19过滤后进入臭氧发生器18，运用4000V高压电晕无声放电的方法产生一定浓度的臭氧气体，进气前加装干燥管和过滤器，精密过滤气体中的颗粒物和水分。再由进气口11进入反应池12，与样气发生反应。
化学发光原理是基于过量臭氧气体与一氧化氮发生反应，产生激发态的二氧化氮，当它跃回基态时发射出荧光，其反应式为：
NO+O3→NO2 *+O2    NO2 *→NO2+hv
NO2转化装置采用气-固催化还原反应，反应过程如下所示：
NO2+M→NO+MO
式中：M为钼催化剂，反应后生成金属氧化物。
荧光波长在600-3000nm。由反应式可以看出一个NO分子和一个臭氧分子形成一个NO2分子，因此，荧光的光强与样品池内的NO浓度成正比。荧光经过带通滤光片被光电传感器接收并输出。
参照图3，O3测量模块的检测管24的一侧有Hg灯22、样气进气口21，另一侧有出气口25，检测管进口端有窄带滤光片23，出口端有光电管26。
样气由进气口21进入检测管24的一侧，检测管24的另一侧充装高纯氮气作为参比单元。气体从出气口25出来，Hg灯22发出稳定的紫外光，经过窄带滤光片23进入检测管24，被光电管26检测。
本实用新型采用紫外吸收法，即在同一吸收池的光路两端，测出紫外254nm波长的光源经过臭氧吸收和未经臭氧吸收后而得到的光电流I和I0，根据比尔-朗伯定律计算出臭氧浓度，单位为ppm、ppb或μg/m3、mg/m3。
参照图4，CO、CO2测量模块的红外光源28下方有由同步电机27带动的相关轮29，光池31一端有样气进口、窄带滤光片30，另一端有光敏电阻32和样气出口，光池内均匀分布若干反射镜。CO光池长14～18m，CO2光池长6～8m。
稳定的红外光源28发射出红外光，经过相关轮29交替经过窄带滤光片30(CO吸收峰值在4.66μm附近、CO2吸收峰值在4.24μm附近)进入光池31，经若干反射镜多次反射的红外光，最后由光敏电阻32检测。样气从光池的一端进入，从另一端排出。
参照图5，本实用新型的信号采集模块包括：各测量模块传感器输出后进入由OPA128KM及精密电阻电容外围器件组成的信号调理器，再进入由LT1062CN及外围器件组成的带通滤波器，再进入由OPA2277U及外围器件组成的电压放大器，再同时分多路进入多路复用器，由嵌入式系统进行信号选通，依次进入由TLC2252组成的射极跟随器，然后进入模数转换器24Bit的ADS1255转化为数字信号输出。
参照图6，数字信号处理模块的U1的3、5、52、51脚接并行接口U10的24、23脚，19、22脚接非易失性存储器U6的6、5脚24、37、33、32、34、21脚依次接U3的3、4、5、6与U5的9、10脚，38、39、41、45、46、47、52、53脚依次接数字信号处理器U2的IOP0～IOP7脚，U2的A1、A2、A3、A4脚依次接FLASH存储器U13的7、8、15、16脚，4、8、12、15、35、45、44、43脚并行接口U10的21、20、19、18、17、16、15、14、13脚，内嵌的Ethernet接口、U3与局域网连接。
数字信号处理模块中的嵌入式CPU选用Philips公司生产的U1(LPC2378)，置入μCOS-II实时多任务操作系统，进行数字信号的高速运算、信号的采样、开关量的控制、数字量的输出，主频率可达60MHz。通过内嵌的Ethernet接口、U3(ADuM2483)可实现与PC机的局域网、串行接口进行数据交换以及控制信号的获取。通过并行接口U10(74LVC4245)电平转换、中断接口实现LCD显示和按键输入；运用TI公司的U2(TMS320F240)实现自适应FIR数字信号处理器对各数字信号的实时跟踪运算处理，非易失性存储器U6(24AA256)和FLASH存储器U13(M25P64)对运行的参数、用户设置以及测量的浓度数据进行快速保存。
参照图7，本实用新型测量模块的数字信号模型分析，图7a为浓度数据与采样时间的模型关系，变化量较大的为原始信号，稳定信号的为经过自适应FIR数字滤波器处理过的信号，图7b为经过数字运算浓度的动态响应。

Claims (4)

1.基于环境光学的空气质量自动监测仪，其特征在于接被测气体的5μm粒子过滤器分接NO、NO2测量模块、O3测量模块、CO测量模块和CO2测量模块，各测量模块分接活塞式真空泵，各测量模块分接电源模块、信号采集模块，信号采集模块接数字信号处理模块，数字信号处理模块通过外围接口接至LCD、KEY或Internet，NO、NO2测量模块采用移动式双发单收反应池，反应池全部蔽光、密封，
信号采集模块包括的由OPA128KM组成的信号调理器依次接由LT1062CN组成的带通滤波器，由OPA2277U组成的电压放大器后，分多路进入多路复用器，经嵌入式系统进行信号选通的信号进入由TLC2252组成的射极跟随器，然后进入模数转换器24Bit的ADS1255转化为数字信号输出，
数字信号处理模块的U1的3、5、52、51脚接并行接口U10的24、23脚，19、22脚接非易失性存储器U6的6、5脚24、37、33、32、34、21脚依次接U3的3、4、5、6与U5的9、10脚，38、39、41、45、46、47、52、53脚依次接数字信号处理器U2的IOP0～IOP7脚，U2的A1、A2、A3、A4脚依次接FLASH存储器U13的7、8、15、16脚，4、8、12、15、35、45、44、43脚并行接口U10的21、20、19、18、17、16、15、14、13脚，内嵌的Ethernet接口、U3与局域网连接。
2.根据权利要求1所述的基于环境光学的空气质量自动监测仪，其特征在于NO、NO2测量模块的气体转化装置(20)经管道与反应池(12)的样气口(10)连通，水汽过滤器(19)接臭氧发生器(18)，臭氧发生器经管道与反应池(12)的样气口(10)、进气口(11)连通，反应池底部安装有红外滤光片(13)，反应池安装在可移动的底座(14)上，移动式底座安装在传感器总成(16)上，传感器总成内装有光电倍增管(15)，顶端装有冷却器(17)。
3.根据权利要求1所述的基于环境光学的空气质量自动监测仪，其特征在于O3测量模块的检测管(24)的一侧有Hg灯(22)、样气进气口(21)，另一侧有出气口(25)，检测管进口端有窄带滤光片(23)，出口端有光电管(26)。
4.根据权利要求1所述的基于环境光学的空气质量自动监测仪，其特征在于CO、CO2测量模块的红外光源(28)下方有由同步电机(27)带动的相关轮(29)，光池(31)一端有样气进口、窄带滤光片(30)，另一端有光敏电阻(32)和样气出口，光池内均匀分布若干反射镜。
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