长光程空气质量自动监测系统.ppt

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1、DOAS 长光程空气质量自动监测系统简介铜陵蓝光电子科技有限公司2012年6月28日 汇报内容 1 空气质量自动监测系统概述2 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介3 可吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪简介4 数据采集器简介5 空气质量自动监测系统安装要求 空气质量自动监测系统概述 环境空气质量监测分类从监测手段上分为 手动 自动监测 从监测技术上分为 点式监测仪器 开放光程监测仪器环境空气质量手动监测在监测点位用采样装置采集一定时段的空气环境空气样品 在实验室用分析仪器分析 处理的过程 环境空气质量自动监测在监测点位采用连续自动监测仪器对环境空气质量进行连续的样品采集 处理 分析的

2、过程 点式监测仪器在固定点上通过采样系统将环境空气采入并测定空气污染物浓度的监测分析仪器 开放光程DOAS监测仪器采用从发射端发射光束经开放空间环境 反射 到接收端的方法测定该光束光程的平均空气污染物浓度的仪器 空气质量自动监测系统概述 空气质量监测技术发展 70年代 以美国和法国为代表的国家发展了点式干法空气质量在线监测技术 其采用的是气体化学或物理发光原理进行光强度监测的技术 根据不同的污染气体利用不同的发光原理 SO2采用紫外线荧光法 NO2采用化学发光法 O3紫外光度法 CO非分散红外吸收法 一台仪器只能测量一种污染气体 90年代 国外开始研究空气中污染气体监测的长光程差分光学吸收光谱

3、 DOAS 技术 其利用痕量污染气体成份对紫外及可见光波段的光吸收特征来进行分析监测的技术 一台仪器可以测量多种污染气体 在国内 中科院安徽光学精密机械研究所在2001年申请将基于DOAS技术的 城市空气质量自动检测系统关键技术及集成设备研制 列入国家 863计划 课题 在消化吸收国外技术基础上 结合自身科学研究成果 于2002年研制成功第一代DOAS气体监测仪样机 空气质量自动监测系统概述 点式紫外荧光法测SO2该法的原理是基于紫外灯发出的紫外光 190 230nm 通过214nm的滤光片 激发SO2分子使其处于激发态 在SO2分子从激发态衰减返回基态时产生荧光 240 420nm 荧光强度

4、由一个带着滤光片的光电倍增管测得 空气质量自动监测系统概述 点式化学发光法测NO NO2 NOx该法的原理是基于NO与O3的化学发光反应生成激发态的NO2分子 在返回基态时放出与NO浓度成正比的光 用红敏光电倍增管接收此光即可测得NO浓度 对于总氮氧化物的测定 须先将样气中NO2转换成NO 再与O3反应后进行测定 即得NOX浓度 两次测定值的差值即为NO2的浓度 空气质量自动监测系统概述 长光程DOAS气体监测技术简介 1 差分光学吸收光谱 DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy 简称DOAS 气体监测技术是近年来发展的大气环境污染监测的一项高新技术

5、 它是以空气中的痕量污染气体成份对光程内紫外及可见光波段的特征吸收光谱特性为基础 通过特征差分吸收光谱鉴别环境空气中污染物气体的类型和浓度 2 由于每种气体都具有自己独特的吸收光谱 通过光谱分析仪和计算机可解析出每种气体的特征吸收光谱 对每种气体的特征吸收光谱用计算机软件进行数据反演处理分析 可实时得到所监测空气污染物的成分 如NO2 SO2 O3等 和浓度 从而实现了大气环境空气质量的完全非接触在线自动监测 空气质量自动监测系统概述 DOAS气体监测技术 DOAS技术是主要利用空气中的痕量污染气体对紫外及可见光波段的吸收特征来进行定性定量分析的 也就是说每种污染物都有其特定的吸收光谱线 就像

6、人的指纹一样 空气质量自动监测系统概述 典型的气体吸收截面图 空气质量自动监测系统概述 系统组成典型长光程DOAS空气质量连续自动监测系统由DOAS气体监测仪 可吸入颗粒物 2 5PM10 PM2 5 监测仪 气象参数监测仪 数据采集器和中心站数据管理子系统组成 系统组成方框图如图1所示 数据通讯网络 中心站系统 数据采集器 DOAS气体分析仪 可扩展 其它监测仪器 气象参数监测仪 可吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪 图1系统组成方框图 空气质量自动监测系统概述 系统组成结构示意图 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 环境光学监测技术对于环境污染监测 光学和光谱遥感技术提供了许多有

7、效的测量手段 其中某些技术已应用于环境污染气体监测仪器 1 差分光学吸收光谱 DOAS 技术 广泛用在UV VIS波段 监测常见污染物O3 NOx SO2和苯系物等 测量的种类限于对该波段有窄吸收光谱线的气体成分 对于大气平流层中的易反应气体NO3和HONO的测量十分有效 2 TDLAS技术 如果测量一种或二种有毒气体 TDLAS技术有着非常高的光谱分辨率 高灵敏度和时间响应 用二极管激光器可以降低成本 可监测特殊污染气体NH3 H2S等 3 傅立叶光谱技术 FTIR 特别适用测量和鉴别污染严重的空气成分 有机物或酸类 对于干净环境中的痕量气体其灵敏度不够 监测污染物为CO NH3 VOCs等

8、 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 DOAS监测技术特点 多光谱技术实时监测采用氙灯作为光源 紫外差分吸收光谱技术分析大气中SO2 NO2 O3和苯系物等浓度 克服了传统采样分析方法实时性差的缺点 实现了完全非接触式自动监测 实时给出一个区域的污染气体分布 高灵敏度和高分辨率采用目前分析微量元素的最佳方法 光谱法 配合高分辨率紫外差分吸收光谱技术 获得了测量的高灵敏度和高分辨率 指标可达到ppb量级 在所选用的工作光谱波段中水分和其他气体几乎没有吸收 使系统具有良好的选择性 不受其它成分的干扰 同时分析多种污染物 增加新的监测成份无需更换硬件 应用差分吸收光谱技术 与传统的采样分析相

9、比 通过改变光谱波长 可以同时分析多种污染物 由于采用了光学差分吸收技术 可消除颗粒物及光源辐射慢变化对测量结果的影响 如果系统需要增加新的有机或无机监测成份 系统的硬件不需改变 只需增加相应的标准吸收谱线 升级软件即可 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 DOAS气体监测仪特点 代表性 线采样 平均污染状况 无须多点取样非接触 因而可以避免一些干扰源的影响 比如检测对象的化学变化 采样器壁的吸附损失等 这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度 比如NO3 BrO和OH等 在测量时不会影响被测气体分子的化学特性 多组分 一台设备可测量SO2 NO2 O3 苯系物 甲醛

10、等 维护量少 8到10个月更换一只氙灯 6到12个月用酒精将角反射镜及望远镜前窗镜表面擦洗一次 运行费用低 运行费用低 一年只需更换1只氙灯 10卷滤纸 约1万元左右 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 两种监测方法的比较 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 两种光谱数据扫描方式 DOAS I旋转式窄缝扫描光谱 探测器采用光电倍管 DOAS II光谱扫描是采用PDA探测器 DOAS I光谱扫描结构图 DOAS II光谱扫描结构图 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 采用狭缝扫描方式的缺点 在分析不同污染气体时 光栅要来回的运转 一方面导致长时间运转光栅位置会发生偏移 影

11、响仪器测量的准确性 另一方面不能实现各种污染物实时监测 扫描圆盘运转时 不能保证狭缝在同一焦平面内对光谱进行扫描 这种现象导致测量值的波动性较大 在标气时表现尤为突出 狭缝扫描方式 运动部件较多 运动部件多 驱动电路多 系统稳定性差 采用PDA扫描的优点 PDA阵列探测器可一次获取135nm宽的光谱 可同时扫描SO2 NO2 O3等污染气体的吸收光谱区域 光栅不需要频繁运转 也就不存在光栅偏移的现象 测量的准确性提高 同时也做得了真正意义的实时监测 PDA位置调试固定后 也不需运动 测量值的波动性较小 稳定性好 在标气时效果明显 我公司最新研制的TLG 2000型空气质量自动监测系统即采用PD

12、A光谱扫描方式 汞灯校准波长方式汞灯标定的目的是波长精确定位检查 检查光栅的位置 若光栅位置发生偏离 则影响仪器测量的准确性 目前汞灯标定采用的方式分为手动和自动两种方式 我公司产品采用自动校准方式 实现方式 是通过软件设置校准时间 每天可任意设置汞灯校准次数 有效的保证了波长的精确定位 提高了测量的准确性 通过对比 1 储存在分析仪內出厂的汞灯光谱 2 在现场使用汞灯生成的光谱以检查光柵的位置是否偏移 差分光学吸收光谱 DOAS 气体监测仪简介 标气定期校准标准气体 钢瓶气 对DOAS系统进行单点精密度标定和多点准确度检查 而采用在监测光束中插入检查样品池 用等效的方法进行校准 见图 校准平

13、台 校准池 光纤架 发射接收器 光纤 排气口 Lc2 Lc1 光阑 测量光路距离Lm 校准池长度 角反射器 分析仪 可吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪简介 可吸入颗粒物 PM10 PM2 5 监测技术PM10的含义 P P是英文微粒particulate的第一个字母 M 是物质matter的第一个字母 10 2 5 空气动力学直径小于10 2 5 m颗粒物 1 射线法利用 射线衰减量测试采样期间增加的颗粒物质量 环境空气由抽气泵吸入采样管 经过滤膜后排除 颗粒物沉积在采样滤膜上 当 射线通过沉积在颗粒物的滤膜时 射线能量衰减 通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度 2 微量振荡天平法 TEO

14、M 在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管 在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜 振荡频率取决于锥形管特性和它的质量 当采样气流流过滤膜 颗粒物沉积在采样滤膜上 滤膜质量变化导致振荡频率的变化 通过测量振荡频率的变化计算出滤膜上颗粒物的质量浓度 可吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪简介 原理 通过吸收物质 如纸带上的尘 射线粒子的衰减量接近指数 两者之间的联系 式中 I是测定 每一单位时间的计数 射线的衰减强度 带尘样的纸带 I0测定未经衰减的 射线的强度 清洁纸带 m称为质量吸收系数或质量衰减系数 cm2 g x是吸收物质的质量密度 g cm2 上式可变换为 在实际操作中 在特定时间 t 内

15、 环境空气以恒定流率采入 这些采入的空气通过纸带的表面区域A 一旦算出吸收物质密度x 即可通过公式 3 算出环境中粒子物质的浓度值 可吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪简介 公司最新研制的PM10 PM2 5监测仪主要优势纸带传动机构创新设计常规的PM10通过转动 源在一个通道内来完成计数 采样的转换 公司PM10通过移动纸带在两个通道内分别完成采样 计数 测量精度提高盖革管计数器重新选型进口产品 新结构保证盖革管表面不易污染 提高了监测精度 采用滤纸防潮智能动态加热专利技术 减少了湿度和挥发性颗粒物对测量精度的影响 选用高质量的质量流量控制器 流量实现闭环自动控制 具备膜片自动校准功能 可

16、吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪简介 纸带传动机构区别 单通道监测结构 双通道监测结构 可吸入颗粒物PM10 PM2 5监测仪简介 常规PM10传动机构 优点 抽气 计数时纸带与盖革管相对位置保存不变 缺点 1 盖革管在抽气通道内 导致其容易被污染及损坏 2 纸带移动斑点不均匀 公司新PM10传动机构 优点 1 克服了老PM10传到机构的缺点 保护了盖革管 纸带移动斑点均匀 2 独特的纸带传动控制电路和结构设计 有效的解决了回程误差问题 两种纸带传动机构的优缺点 数据采集器简介 数据采集器 通过模拟信号和数字信号接口与现场各种一次监测仪器连接 实时获取各监测仪器设备的监测数据和工作状态 完成数据采集 存储 显示和通讯传输 并能够实现对现场各仪器设备的反控 数据采集器的结构 合成式数据采集器 常规空气质量自动监测系统的数据采集器和DOAS气体分析仪的工控机合二为一 相互兼容 一套软件完成的 而PM10监测仪 气象参数监测仪的数据是先传输到DOAS气体监测仪的工控机中存储 处理 然后再上传 存在问题 DOAS气体监测仪软件和数据采集软件功能相互干扰 稳定性差 功能不全面 各监测仪器的个