專利名稱：基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用環(huán)境光學(xué)法針對大氣污染NO(NO2)、03、CO、CO2氣體進(jìn)行實(shí) 時(shí)連續(xù)監(jiān)測的光、機(jī)、電一體化監(jiān)測儀。
背景技術(shù)：
經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(jīng)初步建立了適應(yīng)我國國情的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、技術(shù) 和管理體系，基本形成了環(huán)境執(zhí)法監(jiān)察體系框架，環(huán)境保護(hù)政策、法規(guī)、科技、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃、信 息、宣教支撐能力不斷加強(qiáng)，但技術(shù)裝備落后，監(jiān)測能力仍顯不足。目前，我國環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的自動(dòng)化水平較低，中西部地區(qū)監(jiān)測站條件大多比較差， 連續(xù)自動(dòng)采樣和智能化樣品制備手段落后，監(jiān)測范圍有限，監(jiān)測項(xiàng)目和數(shù)據(jù)來源不全，數(shù)據(jù) 和信息傳輸不暢，科技創(chuàng)新能力不足等因素。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種低檢測限、高精度、響應(yīng)時(shí)間較 快，可用于多種監(jiān)測場合的基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀。本實(shí)用新型目的的實(shí)現(xiàn)方式為，接被測氣體的5μπι粒子過濾器分接NO、NO2測量 模塊、O3測量模塊、CO測量模塊和CO2測量模塊，各測量模塊分接活塞式真空泵，各測量模 塊分接電源模塊、信號(hào)采集模塊，信號(hào)采集模塊接數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊通 過外圍接口接至LCD、KEY或Internet，NO、N02測量模塊采用移動(dòng)式雙發(fā)單收反應(yīng)池，反應(yīng)池全部蔽光、密封，信號(hào)采集模塊包括的由0PA128KM組成的信號(hào)調(diào)理器依次接由LT1062CN組成的帶 通濾波器，由0PA2277U組成的電壓放大器后，分多路進(jìn)入多路復(fù)用器，經(jīng)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行 信號(hào)選通的信號(hào)進(jìn)入由TLC2252組成的射極跟隨器，然后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器24Bit的ADS1255 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，數(shù)字信號(hào)處理模塊的Ul的3、5、52、51腳接并行接口 UlO的24,23腳，19,22腳接 非易失性存儲(chǔ)器U6的6、5腳24、37、33、32、34、21腳依次接U3的3、4、5、6與U5的9、10腳， 38、39、41、45、46、47、52、53腳依次接數(shù)字信號(hào)處理器U2的IOPO I0P7腳，U2的Al、A2、 A3、A4 腳依次接 FLASH 存儲(chǔ)器 U13 的 7、8、15、16 腳，4、8、12、15、35、45、44、43 腳并行接口 UlO 的 21、20、19、18、17、16、15、14、13 腳，內(nèi)嵌的 Ethernet 接口、U3 與局域網(wǎng)連接。本實(shí)用新型有以下優(yōu)點(diǎn)1)可對極其微弱的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集與放大，對各測量模塊對大氣污染 NO(NO2)、03、CO、CO2氣體的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測，并實(shí)時(shí)處理。2)采用常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜式，車載式等外形結(jié)構(gòu)，用于點(diǎn)式固定監(jiān)測、移動(dòng)監(jiān)測、路 邊監(jiān)測；設(shè)計(jì)成便攜機(jī)箱式外形采用便攜機(jī)箱式設(shè)計(jì)，可用于應(yīng)急監(jiān)測、環(huán)境評價(jià)，還可代 替手動(dòng)采樣器，全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。3)采用多種實(shí)時(shí)通訊方式，INTERNET、GPRS/CDMA,3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，主叫和被叫方式可選，同時(shí)傳送監(jiān)測濃度值和各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程控制監(jiān)測儀校零、校標(biāo)操作。本實(shí)用新型噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，NO(NO2)、03最低檢測限 達(dá)到0.5ppb級，0)、0)2最低檢測限達(dá)到0.5 111級。生產(chǎn)成本低。本實(shí)用新型可應(yīng)用于應(yīng) 急監(jiān)測、流動(dòng)監(jiān)測、“溫室氣體”排放監(jiān)測、光化學(xué)污染控制監(jiān)測等多種場合。

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實(shí)用新型的N0(N02)測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本實(shí)用新型的O3測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本實(shí)用新型的C0/C02測量模塊示意圖，圖5是本實(shí)用新型的信號(hào)采集模塊框圖，圖6是本實(shí)用新型的數(shù)字信號(hào)處理模塊框圖，圖7a、b是本實(shí)用新型的數(shù)字信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施方式
參照圖1，接被測氣體的5 μ m粒子過濾器1分接NO、NO2測量模塊2、O3測量模塊 3、CO測量模塊4和CO2測量模塊5，各測量模塊分接活塞式真空泵6，各測量模塊分接電源 模塊、信號(hào)采集模塊7，信號(hào)采集模塊7接數(shù)字信號(hào)處理模塊8，數(shù)字信號(hào)處理模塊8通過外 圍接口 9 接至 LCD、KEY 或 Internet。被測氣體經(jīng)5 μ m粒子過濾器1，分4路進(jìn)入NO (NO2)測量模塊2、03測量模塊3、C0 測量模塊4、C02測量模塊5進(jìn)行測量，然后進(jìn)入活塞式真空泵6后排出。各測量模塊的電源 部分由電源模塊供應(yīng)，測量的信號(hào)輸入至信號(hào)采集模塊7進(jìn)行信號(hào)采集、放大、甄別、濾波、 A/D轉(zhuǎn)換后輸出。再進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理模塊8進(jìn)行運(yùn)算、控制、顯示后輸出。最后由外圍接 口 9 主要輸出至 LCD、KEY、Internet。Ν0、Ν02測量模塊采用移動(dòng)式雙發(fā)單收反應(yīng)池。反應(yīng)池材料采用316L不銹鋼，反應(yīng) 池全部蔽光、密封。臭氧發(fā)生裝置采用4000V高壓電暈放電產(chǎn)生臭氧，進(jìn)氣前加裝干燥管和 過濾器，精密過濾氣體中的顆粒物和水分。參照圖2，N0、N02測量模塊的氣體轉(zhuǎn)化裝置20經(jīng)管道與反應(yīng)池12的樣氣口 10連 通，水汽過濾器19接臭氧發(fā)生器18，臭氧發(fā)生器18經(jīng)管道與反應(yīng)池12的樣氣口 10、進(jìn)氣 口 11連通，反應(yīng)池12底部安裝有紅外濾光片13，反應(yīng)池12安裝在可移動(dòng)的底座14上，移 動(dòng)式底座14安裝在傳感器總成16上，傳感器總成16內(nèi)裝有光電倍增管15，頂端裝有冷卻 器17。樣氣NO2經(jīng)過氣體轉(zhuǎn)化裝置20轉(zhuǎn)化與NO分別由樣氣口 10進(jìn)入反應(yīng)池12。空氣 經(jīng)過粒子和水汽過濾器19過濾后進(jìn)入臭氧發(fā)生器18，運(yùn)用4000V高壓電暈無聲放電的方法 產(chǎn)生一定濃度的臭氧氣體，進(jìn)氣前加裝干燥管和過濾器，精密過濾氣體中的顆粒物和水分。 再由進(jìn)氣口 11進(jìn)入反應(yīng)池12，與樣氣發(fā)生反應(yīng)?；瘜W(xué)發(fā)光原理是基于過量臭氧氣體與一氧化氮發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的二氧化 氮，當(dāng)它躍回基態(tài)時(shí)發(fā)射出熒光，其反應(yīng)式為NCHO3 — N02*+02 NO2* — N02+hv[0028]NO2轉(zhuǎn)化裝置采用氣_固催化還原反應(yīng)，反應(yīng)過程如下所示Ν02+Μ — Ν0+Μ0式中M為鉬催化劑，反應(yīng)后生成金屬氧化物。熒光波長在600-3000nm。由反應(yīng)式可以看出一個(gè)NO分子和一個(gè)臭氧分子形成一 個(gè)NO2分子，因此，熒光的光強(qiáng)與樣品池內(nèi)的NO濃度成正比。熒光經(jīng)過帶通濾光片被光電 傳感器接收并輸出。參照圖3，O3測量模塊的檢測管24的一側(cè)有Hg燈22、樣氣進(jìn)氣口 21，另一側(cè)有出 氣口 25，檢測管進(jìn)口端有窄帶濾光片23，出口端有光電管26。樣氣由進(jìn)氣口 21進(jìn)入檢測管24的一側(cè)，檢測管24的另一側(cè)充裝高純氮?dú)庾鳛閰?比單元。氣體從出氣口 25出來，Hg燈22發(fā)出穩(wěn)定的紫外光，經(jīng)過窄帶濾光片23進(jìn)入檢測 管24，被光電管26檢測。本實(shí)用新型采用紫外吸收法，即在同一吸收池的光路兩端，測出紫外254nm波長 的光源經(jīng)過臭氧吸收和未經(jīng)臭氧吸收后而得到的光電流I和Itl，根據(jù)比爾_朗伯定律計(jì)算 出臭氧濃度，單位為ppm、ppb或μ g/m3、mg/m3。參照圖4，C0、C02測量模塊的紅外光源28下方有由同步電機(jī)27帶動(dòng)的相關(guān)輪29， 光池31 —端有樣氣進(jìn)口、窄帶濾光片30，另一端有光敏電阻32和樣氣出口，光池內(nèi)均勻分 布若干反射鏡。CO光池長14 18m，CO2光池長6 8m。穩(wěn)定的紅外光源28發(fā)射出紅外光，經(jīng)過相關(guān)輪29交替經(jīng)過窄帶濾光片30 (CO吸 收峰值在4. 66 μ m附近、CO2吸收峰值在4. 24 μ m附近)進(jìn)入光池31，經(jīng)若干反射鏡多次反 射的紅外光，最后由光敏電阻32檢測。樣氣從光池的一端進(jìn)入，從另一端排出。參照圖5，本實(shí)用新型的信號(hào)采集模塊包括各測量模塊傳感器輸出后進(jìn)入由 0PA128KM及精密電阻電容外圍器件組成的信號(hào)調(diào)理器，再進(jìn)入由LT1062CN及外圍器件組 成的帶通濾波器，再進(jìn)入由0PA2277U及外圍器件組成的電壓放大器，再同時(shí)分多路進(jìn)入多 路復(fù)用器，由嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)選通，依次進(jìn)入由TLC2252組成的射極跟隨器，然后進(jìn)入 模數(shù)轉(zhuǎn)換器24Bit的ADS1255轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。參照圖6，數(shù)字信號(hào)處理模塊的Ul的3、5、52、51腳接并行接口 UlO的24、23腳， 19,22腳接非易失性存儲(chǔ)器U6的6、5腳24、37、33、32、34、21腳依次接U3的3、4、5、6與U5 的9、10腳，38、39、41、45、46、47、52、53腳依次接數(shù)字信號(hào)處理器U2的IOPO I0P7腳，U2 的 Al、A2、A3、A4 腳依次接 FLASH 存儲(chǔ)器 U13 的 7、8、15、16 腳，4、8、12、15、35、45、44、43 腳 并行接口 UlO 的 21、20、19、18、17、16、15、14、13 腳，內(nèi)嵌的 Ethernet 接口、U3 與局域網(wǎng)連 接。數(shù)字信號(hào)處理模塊中的嵌入式CPU選用Philips公司生產(chǎn)的U1(LPC2378)，置入 μ COS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的高速運(yùn)算、信號(hào)的采樣、開關(guān)量的控制、數(shù) 字量的輸出，主頻率可達(dá)60MHz。通過內(nèi)嵌的Ethernet接口、U3(ADuM2483)可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī) 的局域網(wǎng)、串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及控制信號(hào)的獲取。通過并行接口 U10(74LVC4245)電 平轉(zhuǎn)換、中斷接口實(shí)現(xiàn)IXD顯示和按鍵輸入；運(yùn)用TI公司的U2(TMS320F240)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng) FIR數(shù)字信號(hào)處理器對各數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)算處理，非易失性存儲(chǔ)器U6 (24AA256)和 FLASH存儲(chǔ)器U13(M25P64)對運(yùn)行的參數(shù)、用戶設(shè)置以及測量的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速保存。參照圖7，本實(shí)用新型測量模塊的數(shù)字信號(hào)模型分析，圖7a為濃度數(shù)據(jù)與采樣時(shí)
5間的模型關(guān)系，變化量較大的為原始信號(hào)，穩(wěn)定信號(hào)的為經(jīng)過自適應(yīng)FIR數(shù)字濾波器處理 過的信號(hào)，圖7b為經(jīng)過數(shù)字運(yùn)算濃度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
權(quán)利要求基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀，其特征在于接被測氣體的5μm粒子過濾器分接NO、NO2測量模塊、O3測量模塊、CO測量模塊和CO2測量模塊，各測量模塊分接活塞式真空泵，各測量模塊分接電源模塊、信號(hào)采集模塊，信號(hào)采集模塊接數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊通過外圍接口接至LCD、KEY或Internet，NO、NO2測量模塊采用移動(dòng)式雙發(fā)單收反應(yīng)池，反應(yīng)池全部蔽光、密封，信號(hào)采集模塊包括的由OPA128KM組成的信號(hào)調(diào)理器依次接由LT1062CN組成的帶通濾波器，由OPA2277U組成的電壓放大器后，分多路進(jìn)入多路復(fù)用器，經(jīng)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)選通的信號(hào)進(jìn)入由TLC2252組成的射極跟隨器，然后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器24Bit的ADS1255轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，數(shù)字信號(hào)處理模塊的U1的3、5、52、51腳接并行接口U10的24、23腳，19、22腳接非易失性存儲(chǔ)器U6的6、5腳24、37、33、32、34、21腳依次接U3的3、4、5、6與U5的9、10腳，38、39、41、45、46、47、52、53腳依次接數(shù)字信號(hào)處理器U2的IOP0～I(xiàn)OP7腳，U2的A1、A2、A3、A4腳依次接FLASH存儲(chǔ)器U13的7、8、15、16腳，4、8、12、15、35、45、44、43腳并行接口U10的21、20、19、18、17、16、15、14、13腳，內(nèi)嵌的Ethernet接口、U3與局域網(wǎng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀，其特征在于而、而2測 量模塊的氣體轉(zhuǎn)化裝置(20)經(jīng)管道與反應(yīng)池(12)的樣氣口(10)連通，水汽過濾器(19) 接臭氧發(fā)生器(18)，臭氧發(fā)生器經(jīng)管道與反應(yīng)池(12)的樣氣口(10)、進(jìn)氣口(11)連通，反 應(yīng)池底部安裝有紅外濾光片(13)，反應(yīng)池安裝在可移動(dòng)的底座(14)上，移動(dòng)式底座安裝在 傳感器總成(16)上，傳感器總成內(nèi)裝有光電倍增管(15)，頂端裝有冷卻器(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀，其特征在于O3測量模 塊的檢測管(24)的一側(cè)有Hg燈(22)、樣氣進(jìn)氣口(21)，另一側(cè)有出氣口(25)，檢測管進(jìn)口 端有窄帶濾光片(23)，出口端有光電管(26)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀，其特征在于C0、C02測 量模塊的紅外光源(28)下方有由同步電機(jī)(27)帶動(dòng)的相關(guān)輪(29)，光池(31) —端有樣氣 進(jìn)口、窄帶濾光片(30)，另一端有光敏電阻(32)和樣氣出口，光池內(nèi)均勻分布若干反射鏡。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于環(huán)境光學(xué)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀。由NO、NO2測量模塊、O3測量模塊、CO測量模塊、CO2測量模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、以及外圍接口組成。NO、NO2測量模塊包括移動(dòng)式雙發(fā)單收反應(yīng)池、高壓電暈放電臭氧發(fā)生器、氣體轉(zhuǎn)換裝置和冷卻器。O3測量模塊采用雙光路雙檢測器。O3測量模塊采用相關(guān)濾波紅外吸收的原理，可以實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測大氣污染物中的NO(NO2)、O3、CO、CO2氣體。NO(NO2)、O3最低檢測限達(dá)到0.5ppb級，CO、CO2最低檢測限達(dá)到0.5ppm級。本實(shí)用新型采用模塊化設(shè)計(jì)，噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低。本實(shí)用新型可應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測、流動(dòng)監(jiān)測、“溫室氣體”排放監(jiān)測、光化學(xué)污染控制監(jiān)測等多種場合。
文檔編號(hào)G01N21/84GK201673121SQ20102017641
公開日2010年12月15日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者萬勇, 代波華 申請人:武漢怡特環(huán)保科技有限公司