长光程空气质量自动监测系统

DOAS长光程空气质量自动监测系统简介铜陵蓝光电子科技2021年6月28日1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23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。4空气质量自动监测系统概述空气质量监测技术开展：70年代，以美国和法国为代表的国家开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〔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方案〞课题，在消化吸收国外技术根底上、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。5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),荧光强度由一个带着滤光片的光电倍增管测得。6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的化学发光反响生成激发态的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反响后进行测定，即得NOX浓度，两次测定值的差值即为NO2的浓度。7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开展的大气环境污染监测的一项高新技术。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根底，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。8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，就像人的指纹一样。O3SO2NO2O3SO2NO2分析仪角反射器发射/接收器9空气质量自动监测系统概述典型的气体吸收截面图

10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11空气质量自动监测系统概述系统组成结构示意图12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响气体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本钱。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。13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正确方法——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，指标可到达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。14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：因而可以防止一些干扰源的影响,比方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,比方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外表擦洗一次；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。。15差分光学吸收光谱〔DOAS)气体监测仪简介DOAS监测系统点式监测系统系统组成

单套DOAS光谱分析系统

一种污染成份需要一台测量仪器，由多套仪器构成，另外还需配备零气发生器、标气、配气系统

系统投资国外系统约60～70万；国内系统45万左右，增加新的监测气体，无需硬件投入，增加分析软件功能既可。国外系统约80～100万；国内系统约50-60万，增加新的监测气体，必需增加相应监测仪器。监测成份

有机物、无机物多达20多种（CO除外）目前只限于无机物

维护周期大于90天

大约30天

运行消耗费用

10000元/年（氙灯两只、PM10滤纸）

约3～5万元/年（灯、PM10滤纸、滤膜、活性炭、干燥剂、标气等）系统操作设备安装简单，操作方便设备安装较复杂，操作不方便两种监测方法的比较16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17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PDA光谱扫描方式。18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，假设光栅位置发生偏离，那么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。通过比照(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19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)。校准平台校准池光纤架发射接收器光纤排气口Lc2Lc1光阑测量光路距离Lm校准池长度角反射器分析仪20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)μm颗粒物。1、β射线法利用β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β射线通过沉积在颗粒物的滤膜时β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(TEOM)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。21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)，β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〕β射线的衰减强度〔带尘样的纸带〕，I0测定未经衰减的β射线的强度〔清洁纸带〕，μm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，环境空气以恒定流率采入。这些采入的空气通过纸带的外表区域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。22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β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；新结构保证盖革管外表不易污染，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。23可吸入颗粒物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24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：25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；各监测仪器的个性化数据传输方式或协议较难满足，不利于系统的扩展集成；系统软件版本太多，也不利于设备技术档案、售后效劳的标准化标准管理。独