一种碳浓度光谱监测系统

1.本实用新型属于监测仪器技术领域，涉及一种碳浓度的原子发射光谱监测系统，具体为一种直接进样，可以实时、连续、快速、在线、动态监测大气、烟气、废气和尾气中碳元素浓度的系统。


背景技术：

2.碳元素主要来源于二氧化碳、一氧化碳和甲烷气体等成分，这些含碳气体又主要与大气、烟气、废气和尾气有关，这些气体中如果碳含量过高，就会产生温室效应，严重危害生态环境和人类健康。为了应对全球气候变暖的危机，中国政府已经向全世界庄严承诺，2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。要实现这一艰巨的目标，需要碳浓度监测技术与仪器，以期获得准确的碳数据，进而实现碳核算、碳统计，提高碳排放监管能力，也为碳交易提供准确的科学数据。
3.目前，碳浓度的测量有天基测量仪器和地基测量仪器。天基测量方面，中国于2016年成功发射了碳卫星，填补了中国在天基高光谱温室气体测量的技术空白，实现了中国二氧化碳监测从“看不见”到“看得见”的跨越，初步验证了中国天基温室气体监测技术。碳卫星需要通过反演算法获取宏观尺度的碳浓度数据，反演数据精度目前已经提升到1.5ppm。地基测量碳浓度的仪器系统，有大范围空间测量的激光雷达系统，可以测量几公里范围内的碳浓度。但是，激光雷达测量经常受到大气散射的干扰，影响测量精度。而小范围空间测量方法中，有非分散红外吸收法、气相色谱法、差分激光吸收光谱法和声光吸收光谱法等，另外还有二氧化碳气体传感器检测技术。基于这些方法的仪器技术，如气相色谱法，只能在实验室使用，并且不能连续进行监测。差分激光吸收光谱技术需要几米长的吸收池，有的场合应用受到限制。二氧化碳气体传感器则存在工作寿命短，不适合长期连续测量的问题。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有碳浓度测量仪器技术存在的不足之处，本实用新型基于原子发射光谱分析技术原理和微波耦合等离子体(microwave coupled plasma，以下简称mcp)激发源，提供一种无需复杂的样品预处理过程，可直接进样，实时、连续、快速、在线、动态监测大气、烟气、废气和尾气中碳浓度的光谱测量系统。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种碳浓度光谱监测系统，包括气体采样单元1、样品激发单元2、光谱测量单元3、数据处理单元4和网络通讯单元5；
7.所述气体采样单元1包括导流罩11、采样管12、取样器13和除湿器14；其中，所述导流罩11的入口口径大于出口口径，入口收集被测气态样品，出口连接采样管12，所述导流罩11可以水平放置，也可以入口朝下放置，所述采样管12一端连接导流罩11，另一端连接取样器13，采样管12的长度可以根据测量对象的需求进行调整，实现远距离采样；所述取样器13经采样管12接收气态样品，利用取样气将被测气态样品收集并导入除湿器14；所述除湿器
14采用加热和/或冷凝的方法，对输入的气态样品进行脱水处理，并将脱水后的样品直接输送到样品激发单元2的样品入口21；
8.所述样品激发单元2包括样品入口21、工作气体入口22、微波入口23、微波谐振腔24以及等离子体炬焰25；微波谐振腔24利用微波能量电离输入的工作气体，获得微波耦合等离子体炬焰25，用于激发电离经样品入口21输入的样品，并发出特定波长的光信号；
9.所述光谱测量单元3包括测量室31、排废口32、观测口33、凸透镜34、光纤35和分光模块36；其中，所述测量室31位于样品激发单元2的下端面处，所述测量室31由金属材料加工而成，抑制电磁波向自由空间的扩散，限制微波泄漏；所述排废口32位于测量室31的下部，排废口32上部利用三个螺钉与测量室31紧固，排废口32下部还配有排废管道；所述观测口33位于测量室31 的侧面；所述凸透镜34与观测口33同轴安装；所述光纤35的前端与凸透镜34 同轴，所述光纤35的后端对准分光模块36的光学入口，将光信号导入分光模块 36的内部；所述光纤35长度可以按照测量需求加以调整，实现远距离测量；所述分光模块36将经过凸透镜34和光纤35接收的光信号在其内部按照波长序列进行展开，进行分光，获得碳元素的光谱信号，再将光谱信号转换为电信号，电信号经过放大、转换、处理，获得碳浓度数据；
10.所述数据处理单元4以工业pc机为核心，实现碳浓度数据的存储、核算、统计和显示，构成单点碳浓度监测系统；
11.所述网络通讯单元5采用标准通讯接口技术，如rs485/232接口或以太网接口，利用网络通信技术可以将碳浓度数据上传到碳浓度监测中心，将多个单点监测系统组网，构成多点碳浓度网络监测系统，实现区域内碳浓度监测。
12.有益效果：
13.1、本实用新型采用等离子体炬焰作为碳激发源，无需复杂的样品预处理过程，可以直接进样，实时、连续、快速、在线、动态监测碳浓度，测量速度快，测量精度高。
14.2、该系统可以定点监测碳浓度，获取碳浓度随时间变化的梯度值，也可以车载移动监测碳浓度，获取碳浓度随位置变化的梯度值。还可以组网监测区域内的碳浓度动态变化。
15.3、本实用新型采用取样器进样，通过进样管口径的变化，可以适应不同进样量，以适应不同应用场合的碳浓度检测。
附图说明：
16.图1为本实用新型实的碳浓度光谱监测系统的总体构成框图。
17.图2为本实用新型实施例的气体采样单元结构示意图。
18.图3为本实用新型实施例的样品激发单元组成框图。
19.图4为本实用新型实施例的光谱测量单元组成框图。
具体实施方式
20.实施例1本实用新型的整体结构
21.本实用新型的一种碳浓度光谱监测系统构成框图如图1所示，该系统由气体采样单元1、样品激发单元2、光谱测量单元3、数据处理单元4和网络通讯单元5组成。
22.实施例2本实用新型的气体采样单元
23.本实用新型的气体采样单元1的结构发图2所示，具体包括导流罩11、采样管12、取样器13和除湿器14。其中，所述导流罩11为圆柱形或圆锥形，其材质为耐腐蚀的不锈钢材料，提高导流罩11的使用寿命。为了便于收集被测气态样品，稳定气流，导流罩11的入口直径大于出口直径。所述导流罩11可以水平放置，也可以入口朝下放置。采样管12一端连接导流罩11，另一端连接取样器13。采样管12的长度可以根据测量对象的需求进行调整，实现远距离测量。采样管12采用聚四氟乙烯材料，其化学性质稳定，不会与气态污染物成分产生化学反应，避免管路材料对测量结果造成影响。所述取样器13为聚四氟或玻璃材质，设计有两个入口，一个出口。其中一个入口连接采样管12的出口，用来接收气态样品；另一个入口连接取样气，利用取样气为动力将被测气态样品收集，经喷嘴导入样品除湿器14。取样器13的出口由双管同轴结构的喷嘴构成，内管喷嘴引入被测气态样品，内管与外管之间的环形间隙流过取样气。取样器13内管喷嘴的内径为0.6mm～1.0mm，外径为1.0mm～1.6mm，取样器13喷嘴外管与内管的间隙大约0.4mm～1.0mm。当具有合适压力的高速取样气流经喷嘴内管与外管之间的环形间隙时，便在取样器13的出口处产生负压，于是，被测样品在外部大气压力和取样器13内部负压的作用下，由取样器13的内管喷出，进入除湿器14。所述样品除湿器14采用加热和/或冷凝的方法，对输入的气态样品进行脱水处理，其中，加热温度范围为100℃～140℃，冷凝温度范围为4℃～20 ℃。脱水后的气态样品直接输送到样品激发单元2的样品入口21。
24.实施例3本实用新型的样品激发单元
25.本实用新型的样品激发单元2的结构框图如图3所示，具体包括样品入口 21、工作气体入口22、微波入口23、微波谐振腔24以及等离子体炬焰25。微波谐振腔24利用微波能量电离输入的工作气体，获得微波耦合等离子体炬焰25，用于激发电离经样品入口21输入的样品，并发出特定波长的光信号。
26.实施例4本实用新型的光谱测量单元
27.本实用新型的光谱测量单元3的结构框图如图4所示，具体包括测量室31、排废口32、观测口33、凸透镜34、光纤35和分光模块36，其中，所述测量室31位于样品激发单元2的下端面处。所述测量室31由金属材料加工而成，抑制电磁波向自由空间的扩散，限制微波泄漏。所述排废口32位于测量室31的下部，排废口32上部利用三个螺钉与测量室31紧固，排废口32下部还配有排废管道。利用风机将mcp44炬焰电离之后产生的废气及时排出测量室51外部，消除废气对测量室51内壁造成的污染和腐蚀。所述观测口33位于测量室31的侧面。所述凸透镜34与观测口33同轴安装；所述光纤35的前端与凸透镜34同轴，所述光纤35的后端对准分光模块36的光学入口，将光信号导入分光模块36的内部。所述光纤35长度可以按照测量需求加以调整，实现远距离测量。所述分光模块36将经过凸透镜34和光纤35接收的光信号在其内部按照波长序列进行展开，进行分光，获得碳元素193.091nm或247.856nm处的光谱信号。再将光谱信号转换为电信号，电信号经过放大、转换、处理，获得碳浓度数据。
28.实施例5本实用新型的工作原理
29.结合图1～4，气态样品经气体采样单元1采样并脱水后输送到样品激发单元 2；样品激发单元2中的微波谐振腔24利用微波能量将工作气体入口22输入的工作气体电离，获得微波耦合等离子体炬焰25，微波耦合等离子体炬焰25将样品入口21输入的气体样品激发
电离并发出特定波长的光信号并输出到光谱测量单元3；光谱测量单元3利用分光模块36将经过凸透镜34和光纤35接收的光信号按照波长序列进行展开分光，获得碳元素193.091nm或247.856nm处的光谱信号，再将光谱信号转换为电信号，电信号经过放大、转换、处理，获得碳浓度数据；所述数据处理单元4以工业pc机为核心，将光谱测量单元3获得的碳浓度数据进行存储、核算、统计和显示，构成单点碳浓度的实时、在线和动态监测系统，获得碳浓度随时间变化的或者随位置变化的梯度值；所述网络通讯单元5 采用标准通讯接口技术，如rs485/232接口或以太网接口，利用网络通信技术可以将碳浓度数据上传到碳浓度监测中心，将多个单点监测系统组网，构成多点碳浓度网络监测系统，实现区域内碳浓度的实时、在线和动态监测系统，获得碳浓度的区域梯度值。