一种用于气态污染物的双通道测量方法及装置

1.本发明属于气体检测领域，尤其涉及一种用于气态污染物的双通道测量方法及装置。


背景技术：

2.随着我国经济和城市化快速发展，人为污染源排放导致的空气污染成为危害人体健康和造成环境问题的重要因素。而污染源排放的气态污染物精准测量是污染成因分析和精准管控的重要技术支撑，可以提供有效的基础数据。在大气污染成因分析研究工作的推进下，甲醛、亚硝酸、氨气等非常规污染物对二次污染形成的重要作用逐渐突显并受到关注，因此这些气态污染物的准确测量技术得到快速发展。
3.分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处光的吸收度从而定量分析该物质的方法，具有灵敏度高、操作简便、快速等优点，已经广泛应用于食品安全和水质的实验室检测中。近年来，分光光度法逐渐应用于甲醛、亚硝酸、氨气等空气污染物的测量中，并已经实现了在线连续监测。然而，甲醛、亚硝酸、氨气等气态污染物在环境空气和污染源排放中的浓度水平差异大，环境中仅为1～20ppb、0.1～5ppb、1～30ppb，在污染源排放中(如机动车和工程机械尾气排放)污染物浓度变化范围可从1ppb跨越至100ppm，不仅波动范围大，而且变化十分快速。
4.现有技术中，中国专利(授权号为cn111982610b)公开了一种利用化学分光光度法的气体中氨在线连续检测装置，适用于烟气和空气中氨的检测，但需要提前自我判定氨气浓度高低而选择加热富液浓缩或加水富液稀释，并且导致一定时间的消耗。此外，目前分光光度法在甲醛、亚硝酸、氨气等污染物测量的应用主要为环境空气监测，测量范围比较窄，对超出检测上、下限的样本不能直接测量，并且标定、校正和计算等人工程序步骤多，在污染源排放测试的应用中容易导致超量程、无效数据、高浓度测量不准确等结果。


技术实现要素：

5.本发明的技术目的是提供一种用于气态污染物的双通道测量方法及装置，以解决背景技术所提及的技术问题。
6.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
7.一种用于气态污染物的双通道测量方法，包括如下步骤
8.s1：捕集外部输入的待检测气体中的污染气体，将污染气体由气态转化为液态，得到捕集液；
9.s2：对捕集液进行染色反应，得到染色反应液；
10.s3：将染色反应液存于短光程液芯光纤流通池或长光程液芯光纤流通池，向短光程液芯光纤流通池或长光程液芯光纤流通池通入与染色反应液相对应波长的单色光，接收经染色反应液透射后的单色光的光信号强度并转换为测量电压信号；
11.s4：根据lambert-beer定律、预设的零点电压信号和测量电压信号计算可得到污
染物浓度c，公式如下
[0012][0013]
其中，a为吸光度，v0为零点电压信号，v为测量电压信号，k为预设的系数，l为短光程液芯光纤流通池或长光程液芯光纤流通池的长度，c为污染物浓度。
[0014]
进一步优选地，在步骤s1之前还需要得到预设的零点电压信号，包括如下步骤
[0015]
a1：捕集外部输入零气，零气为高纯氮气或压缩空气，得到零气捕集液；
[0016]
a2：对零气捕集液进行染色反应，得到零气染色反应液；
[0017]
a3：将零气染色反应液存于短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池，向短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池通入与零气染色反应液相对应波长的单色光，接收经零气染色反应液透射后的单色光的光信号强度并转换为零点电压信号。
[0018]
进一步优选地，在步骤s1之前还需要得到系数k，包括如下步骤
[0019]
b1：通入已知浓度的标准液，进行染色反应，得到标准染色反应液；
[0020]
b2：将标准染色反应液存于短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池，向短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池通入与标准染色反应液相对应波长的单色光，接收经标准染色反应液透射后的单色光的光信号强度并转换为标准电压信号；
[0021]
b3：重复步骤b1至b2，直至记录至少3组不同浓度的标准液对应的标准电压信号，根据lambert-beer定律计算吸光度、标定拟合公式的斜率和截距，从而得到系数k。
[0022]
一种用于气态污染物的双通道测量装置，应用上述用于气态污染物的双通道测量方法包括：气体捕集模块、反应模块和检测模块；
[0023]
气体捕集模块与反应模块管路连接，用于从外部按照预设速率吸入待检测气体，并对待检测气体中的污染气体进行捕集，得到捕集液；
[0024]
反应模块分别与气体捕集模块和检测模块管路连接，反应模块用于接收捕集液进行反应染色，得到染色反应液；
[0025]
检测模块采用双通道检测，用于接收染色反应液，并根据所需测量精度以及量程选择相对应的通道进行检测，向染色反应液通入特定波长的单色光，并接收透射染色反应液后的单色光，基于透射色反应液的单色光后得到检测信号从而计算出待检测气体中污染气体含量。
[0026]
具体地，气体捕集模块包括气体三通电磁阀、第一溶液泵、捕集阱和气体采样泵；
[0027]
捕集阱设有进口、气体出口和液体出口，捕集阱用于对待检测气体中的污染气体进行捕集；
[0028]
捕集阱的进口分别与气体三通电磁阀的一端和第一溶液泵的一端管路连接，气体三通电磁阀另外两端分别用于吸入待检测气体和零气，零气为高纯氮气或压缩空气；第一溶液泵的另一端用于通入吸收液，以在捕集阱中吸收待检测气体中的污染气体；
[0029]
捕集阱的气体出口与气体采样泵管路连接，气体采样泵用于抽气形成负压，使得待检测气体经捕集阱捕集后从气体出口输出，并经气体采样泵排出；
[0030]
捕集阱的液体出口与反应模块管路连接，用于输出捕集液。
[0031]
进一步优选地，还包括气液分离器、废液泵和质量流量计；
[0032]
气液分离器包括进口、气体出口和液体出口，气液分离器的进口与捕集阱的气体
出口管路连接，用于对捕集后的待检测气体进行气液分离，液体出口用于排出分离后的液体，气体出口用于排出分离后的气体；气体出口与质量流量计的一端管路连接，质量流量计的另一端与气体采样泵管路连接，质量流量计用于对流经的气体流量进行检测，以对气体采样泵的抽气速率大小控制提供依据。
[0033]
具体地，反应模块包括液体三通电磁阀、第二溶液泵、第三溶液泵、反应器和液体流量计；
[0034]
反应器包括进口和出口，用于接收捕集液和反应液以进行反应染色；反应器的进口分别与第二溶液泵的一端和第三溶液泵的一端管路连接，第二溶液泵的另一端与液体三通电磁阀的一端管路连接，第三溶液泵的另一端用于通入反应液；液体三通电磁阀的另外两端分别为第一进口和第二进口，第二进口用于通入标准液至反应器以进行标定；第一进口与液体流量计的一端管路连接，液体流量计的另一端与气体捕集模块管路连接，用于检测流经的捕集液的流量大小。
[0035]
具体地，检测模块包括第四溶液泵、第五溶液泵、发光组件、检测组件、短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池；
[0036]
第四溶液泵的一端与反应模块管路连接，另一端与短光程液芯光纤流通池管路连接，用于向短光程液芯光纤流通池通入染色反应液以进行测量；
[0037]
第五溶液泵的一端与反应模块管路连接，另一端与长光程液芯光纤流通池管路连接，用于向长光程液芯光纤流通池通入染色反应液以进行测量；
[0038]
其中，短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池所对应的检测量程和精度不同；
[0039]
发光组件分别向短光程液芯光纤流通池和长光程液芯光纤流通池发射特定波长的单色光，检测组件用于分别根据透射染色反应液的单色光得到检测信号从而计算出待检测气体中污染气体的含量。
[0040]
进一步优选地，还包括除气泡器和颗粒物过滤器；
[0041]
除气泡器的第一端与反应模块管路连接，除气泡器的第二端分别与第四溶液泵和第五溶液泵管路连接，以传输无气泡的染色反应液至第四溶液泵和第五溶液泵，除气泡器的第三端用于排出带气泡的染色反应液；
[0042]
设置有两台颗粒物过滤器，分别设置于第四溶液泵与短光程液芯光纤流通池之间、第五溶液泵与长光程液芯光纤流通池之间；用于对去除染色反应液中的颗粒。
[0043]
进一步优选地，反应模块以及检测模块内还设有相对应的温控模块；温控模块用于分别反应模块的反应环境温度和检测模块的检测环境温度。
[0044]
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
[0045]
1)广泛适用于可以采用分光光度法测量的气态污染物；
[0046]
2)应用双通道检测实现了超宽量程测量，满足污染源排放浓度变化范围宽、波动大的量程需求；
[0047]
3)集成一体化的双输出单光源和双输入单检测器设计，同时保证准确性和便携性；
[0048]
4)完整的装置集成方案、自定义模式和数据自动处理分析功能，省去繁琐的人工
计算步骤；
[0049]
5)测量速度快、准确性高、成本低。
附图说明
[0050]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
[0051]
图1为本发明的一种用于气态污染物的双通道测量方法的流程图；
[0052]
图2为本发明的一种用于气态污染物的双通道测量装置的结构示意图；
[0053]
图3为本发明的发光组件、检测组件的结构示意图。
[0054]
附图标记说明
[0055]
1-捕集阱，2-反应器，3-短光程液芯光纤流通池，4-长光程液芯光纤流通池，5-发光组件，6-检测组件，7-气液分离器，8-质量流量计，9-气体采样泵，10
①‑
第一溶液泵，10
②‑
第二溶液泵，10
③‑
第三溶液泵，10
④‑
第四溶液泵，10
⑤‑
第五溶液泵，11-液体流量计，12-气体三通电磁阀，13-液体三通电磁阀，14-除气泡器，15-温控模块，16-三通连接器，17-颗粒物过滤器，18-废液泵，19-发光第一输出通道，20-发光第二输出通道，21-发光电路控制接入口，22-检测第一输入通道，23-检测第二输入通道，24-检测电路控制接入口，25-温控接入口，26-恒温盒。
具体实施方式
[0056]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0057]
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
[0058]
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于16rcpc主板的管理调试设备作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
[0059]
实施例1
[0060]
参看图1，本实施例提供一种用于气态污染物的双通道测量方法，在实施本实施例之前需要获得相关测量所需的参数，具体如下，
[0061]
首先，需要获得一个零点电压信号的值，包括如下步骤。
[0062]
在步骤a1中，以高纯氮气或压缩空气作为零气，在气体采样泵9的作用下与特定的吸收液同步、连续地进入捕集阱1中，得到零气捕集液。然后将零气捕集液与特定染色液同时输送至反应器2进行染色反应，得到零气染色反应液。最后，在步骤a3中，经过气泡去除和颗粒物过滤后，将零气染色反应液和特定波长激光同时输入短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4的两个通道中，分别同步测定两个通道的光强信号并自动转换为零
点电压信号，通过数据自动处理保存零点电压信号的值v0。
[0063]
此外，还需要得到标定系数k，包括如下步骤
[0064]
在步骤b1中，向反应器2同时通入已知浓度的标准液与特定溶液，进行染色反应，得到标准染色反应液，然后经过气泡去除和颗粒物过滤后进入下一步。接着，在步骤b2中，将标准染色反应液与特定波长激光同时输入存于短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4，接收经标准染色反应液透射后的单色光的光信号强度并转换为标准电压信号的值v。然后步骤b3中，重复步骤b1至b2，直至记录至少3组不同浓度的标准液对应的标准电压信号，根据lambert-beer定律，零点电压信号的值v0、标准电压信号的值v与浓度c的关系为：
[0065][0066]
将上式转换成v与c的关系式：
[0067]
c＝k
×
lgv b
[0068]
式中,斜率截距根据至少3组不同浓度的标准电压信号得出至少3组吸光度，利用已知标准浓度c和对应的标准电压信号的值v进行直线拟合得出标定拟合公式的斜率k和截距b，建立电压与浓度的标定拟合公式。
[0069]
在本实施例中，具体实施包括如下步骤。
[0070]
首先在步骤s1中，通入外部输入的待检测气体中的污染气体，污染气体为待测组分，使得待测组分由气态转化为液态，得到捕集液。
[0071]
随后在步骤s2中，将捕集液与特定染色液同时输入反应器2进行染色反应，得到染色反应液。
[0072]
在步骤s3中，对染色反应液经过气泡去除和颗粒物过滤后，将染色反应液通入短光程液芯光纤流通池3或长光程液芯光纤流通池4内。优选地，为满足污染源气态污染物浓度测量需求，短光程光池选取10cm，提供超高测量上限，适用于高浓度测量；长光程光池选取100cm，提供更低的检出限，适用于低浓度测量，两个光池可同时进行测量，也可以单独进行测量。并向短光程液芯光纤流通池3或长光程液芯光纤流通池4通入与染色反应液相对应波长的单色光，可选的，采用激光电源发射相对应波长的单色光，可有效避免发热量较大使得频谱波动，保证更稳定的测量以及更加集成化和小型化。优选地，针对不同的不同污染气体得到的染色反应液的特征吸收峰不同，依此选择不同波长的单色光，甲醛可选取410nm波长，亚硝酸可选取545nm波长，氨可选取697nm波长。基于分光光度法原理，根据待测样品的浓度高低和光池长度被不同程度的吸收，通过光电探测器同步测定两个通道的光信号强度，并转化为电压信号并转换为测量电压信号。
[0073]
然后，在步骤s4中，根据lambert-beer定律、预先得到的零点电压信号和步骤s3中测量电压信号通过数据处理程序自动计算可得到污染物浓度c，其标定拟合公式如下
[0074]
c＝k
×
lgv b
[0075]
其中，v为测量电压信号，k为预设的系数，b为预设的截距，c为污染物浓度。
[0076]
另外，本实施例实施过程中可实现模式自定义，根据待测污染物类型自定义采样泵流速、溶液输送流速、捕集温度、反应温度和检测温度，再根据需求对测量、标零、标定模
式自行设定采样泵和溶液输送的启停以及模式的选取和自动切换。
[0077]
以源排放气态亚硝酸在线测量为例，具体实施如下：
[0078]
配置溶液，选取ph＝2并含有浓度为0.06m磺胺的溶液作为吸收液，用于捕集气态亚硝酸，将亚硝酸吸收到溶液中，转换成亚硝酸根离子；选取0.8m盐酸萘乙二胺染色液作为反应液，将亚硝酸根离子发生染色反应，生成在540～550nm处具有特征吸收峰的偶氮化合物。选用545nm的特定波长光源，在交互显示屏中设定测量模式，开启气体采样泵9、溶液泵10
①
～
⑤
、废液泵18，调节质量流量计8使气体流速为0.5l/min，调节第一溶液泵10
①
流速为0.5ml/min，温度控制装置15设置加热恒温65℃。在交互显示屏中选取测量模式，启动气体三通电磁阀12切换至样气，样气在气体采样泵9的作用下和质量流量计8的控制下与由溶液泵10
①
控制的吸收液同步不间断地进入捕集阱1，气态亚硝酸转化成液态待测样品。在第二溶液泵10
②
作用下经由液体流量计11，与第三溶液泵
③
输送的反应液同步不间断进入反应器2中，发生快速的染色反应，待测样品经除气泡器14后分别在第四溶液泵
④
和第五溶液泵
⑤
的作用下，分别持续进入短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4，在光源组件5的照射下与流通池内进行光的吸收，检测组件6同时接收转化短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4的光强信号，经由数据采集交由单片机处理实时将结果显示于交互显示屏。
[0079]
实施例2
[0080]
参看图2和图3，本实施例提供一种用于气态污染物的双通道测量装置，应用如实施例1的一种用于气态污染物的双通道测量方法，其可具体细分为气体捕集模块、反应模块和检测模块。
[0081]
气体捕集模块与反应模块管路连接，用于从外部按照预设速率吸入待检测气体，并对待检测气体中的污染气体进行捕集，得到捕集液。反应模块分别与气体捕集模块和检测模块管路连接，反应模块用于接收捕集液进行反应染色，得到染色反应液。检测模块采用双通道检测，用于接收染色反应液，并根据所需测量精度以及量程选择相对应的通道进行检测，向染色反应液通入特定波长的单色光，并接收透射染色反应液后的单色光，基于透射色反应液的单色光后得到检测信号从而计算出待检测气体中污染气体含量。
[0082]
沿本实施例内部流动过程进行拆分介绍。具体地，气体捕集模块包括气体三通电磁阀12、第一溶液泵10
①
、捕集阱、气体采样泵9、气液分离器7、废液泵18和质量流量计8。气体三通电磁阀12共有3个口，其存在两个进气口和一个出气口，两个进气口分别通入待检测气体和进行零点电压信号测算的零气，其出气口与捕集阱的进口管路连通，已将待检测气体或零气通入其中。此外，该捕集阱1的进口还与第一溶液泵10
①
相连接，第一溶液泵10
①
将实现吸收液与待检测气体或零气同时通入捕集阱1中。
[0083]
在捕集阱、气体出口和液体出口，捕集阱用于对待检测气体中的污染气体及污染组分进行捕集，得到捕集液。捕集阱还设有气体出口和液体出口，被吸收后的待检测气体会从气体出口排出，捕集液会从液体出口排出进入下一模块。参看图2，捕集阱的气体出口气液分离器7管路连接，将气体中的水分去除，去除的水分会在废液泵18作用下排出，气体采样泵9由于抽气形成负压，使得余下的气体在气体采样泵9的作用下被抽过去然后排出。当然由于管路间的连通性，待检测气体和零气都可以在该气体采样泵9作用下进入捕集阱1。质量流量计8设置于气液分离器7和气体采样泵9之间，质量流量计8用于对流经的气体流量
进行检测，以对气体采样泵9的抽气速率大小控制提供依据。
[0084]
参看图2，具体地，反应模块包括液体三通电磁阀13、第二溶液泵10
②
、第三溶液泵10
③
、反应器2和液体流量计11。捕集液从捕集阱1出发会先经过液体流量计11，液体流量计11用于检测流经的捕集液的流量大小。然后捕集液会进入液体三通电磁阀13的其中一个进口，液体三通电磁阀13的另一个进口用于输入标准液以进行标定，液体三通电磁阀13的出口输出捕集液或标准液。而后，液体会在第二溶液泵10
②
作用下移动至三通连接器16，反应液则会在第三溶液泵10
③
的作用下同样移动至该三通连接器16，在该三通连接器16中捕集液或标准液与反应液混合，被同时通入反应器2中。还配套设有温控模块15，使得反应器2中能在恒温65℃下进行反应，可将通入的捕集液或标准液进行染色，得到染色反应液。
[0085]
参看图2和图3，具体地，检测模块包括第四溶液泵10
④
、第五溶液泵10
⑤
、发光组件5、检测组件6、短光程液芯光纤流通池3、长光程液芯光纤流通池4、除气泡器14和颗粒物过滤器17。
[0086]
反应结束后得到染色反应液会先进入除气泡器14，对带气泡的溶液进行分离而后排出，除去气泡后的染色反应液会经三通连接器16分为两路，分别在第四溶液泵10
④
和第五溶液泵10
⑤
的作用下，进入短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4。短光程液芯光纤流通池3采用10cm光池长度，长光程液芯光纤流通池4采用100cm光池长度。颗粒物过滤器17，分别设置于第四溶液泵10
④
与短光程液芯光纤流通池3之间、第五溶液泵10
⑤
与长光程液芯光纤流通池4之间，用于对去除染色反应液的杂质颗粒，以防止对后续检测的干扰。短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4中光池长度不同，所对应的检测量程和精度不同。
[0087]
参看图2和图3，发光组件5包括独立的发光第一输出通道19和发光第二输出通道20，分别向短光程液芯光纤流通池3和长光程液芯光纤流通池4发射特定波长的单色光的激光。发光组件5由发光电路控制接入口21接收控制信息以对其进行控制。检测组件6包括独立的检测第一输入通道22和检测第二输入通道23，分别接收透射染色反应液的单色光，并基于此得到检测光信号输出至外部计算程序，从而计算出待检测气体中污染气体的含量。检测组件6由检测电路控制接入口24接收控制信息以对其进行控制。此外，该发光组件5和检测组件6均设置于恒温盒26内，恒温盒26属于温控模块15，恒温盒26使得发光组件5、检测组件6恒温在30℃，同样设有温控接入口25接收控制信息以对恒温盒26进行控制。
[0088]
此外，还设有单片机(图中未示出)发送上述控制信息对本实施例的元器件进行统一控制，包括气体采样泵9、溶液泵的流速控制和温控模块15等，对流量、启停、温度数据进行采集和下发指令控制。同时单片机连接数据采集处理单元，数据采集处理单元可以采集控制电路、光源与检测器的信号，同时设置usb接口支持usb内存卡的数据存储，rs232协议接口支持与上位机、电脑等控制软件进行数据的传输交换。另外，数据采集处理单元连接了7寸工控显示屏进行人机交互，对采集上来的全部数据进行可视化展示，同时下发指令控制测量系统切换不同的工作模式，通过单片机配置的程序实现整个测量单元对各控制器的协调工作。
[0089]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。