CN107219180A - 一种便携式多组分气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气环境检测技术及光谱测量技术领域，具体涉及一种便携式多组分气体检测装置，包括便携式箱体以及安装在便携式箱体内的：紫外光源、准直单元、样品池、气泵、汇聚单元、光纤、光谱仪、计算机以及电源模块。本发明的便携式多组分气体检测装置，能够实现多组分气体浓度在线实时检测，特别适用于野外大气环境监测，以及国家和地方环境监测站使用。装置可应用于突发性大气污染事故现场应急监测，也可应用于日常大气环境连续在线监测，本发明为大气环境在线监测提供了一种可靠设备。
Description
技术领域
本发明属于大气环境检测技术及光谱测量技术领域，具体涉及一种便携式多组分气体检测装置。
背景技术
环境变化、环境污染及其对生态的影响已经成为全球关注的重要问题。随着我国经济的快速发展，保护环境资源、加强环保监督、实现可持续发展的任务十分艰巨。我国在大气环境监测与预警方面尚未形成健全和完整的监测技术体系，无法对大气环境的现状和趋势给出全面、清晰的分析与判断，不能满足我国宏观污染控制决策的需要。因此研究环境大气的监测技术，建立基于多种探测手段的大气环境监测平台，实时获得由于人类生活和生产活动所引起的大气污染程度状况，将有助于研究区域性、突发性、灾害性环境污染形成的机理和条件，了解污染传输过程及其对生态环境的危害，从而推动预防预报理论的建立，为大气污染防治政策和法规的制定提供相应的决策依据。
目前应用于大气环境污染和环境安全监测的技术主要有光学技术，质谱技术和色谱技术，其中，基于光学原理的在线监测技术，具有非接触、无需采样、高灵敏、大范围快速监测等特点，是国际上环境监测技术的主要发展方向之一。
差分吸收光谱技术DOAS是以大气中的痕量污染气体对紫外和可见波段的特征吸收为基础，通过特征吸收光谱对大气中污染气体进行定性识别和定量检测。 DOAS技术具有灵敏度高、时间分辨率高、非接触测量等优点，已广泛应用于大气痕量气体成份探测及污染源烟气在线监测。与其它光谱学测量方法相比，DOAS 测量***的探测器件体积较小，更容易做成小便携式仪器，性价比高。
相比于台式机使用方式，便携式监测仪器具有体积小、质量轻、携带方便、机动性强、操作简单等特点，特别适用于野外大气环境监测，以及国家和地方环境监测站使用。便携式监测仪器可应用于突发性大气污染事故现场应急监测，也可应用于日常大气环境连续在线监测。因此，开发具有测量速度快、测量精度高、操作使用简单的便携式多组分气体在线检测仪器，对于提高我国大气环境监测技术，实时掌握环境空气质量的变化情况，为环境污染控制提供数据支撑，改善大气环境具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有大气环境监测技术的不足，提供了一种便携式多组分气体检测装置，可以实现监测人员方便快捷的携带设备进入到具体应用现场，如突发大气事故应急监测、固定污染源烟气排放监测、化工园区大气环境监测等，对被测区域的气体进行快速准确的定性和定量监测，为大气环境监测提供可靠监测设备，为生产环境的大气安全性提供预警，为大气环境的督查和监察提供有效数据支撑。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种便携式多组分气体检测装置，包括便携式箱体以及安装在便携式箱体内的：紫外光源、准直单元、样品池、气泵、汇聚单元、光纤、光谱仪、计算机以及电源模块；所述样品池上接有进气管和排气管，所述气泵串接在排气管上，所述进气管和排气管贯通至便携式箱体外部，并在便携式箱体的外壁上设有进气接口和排气接口，所述进气接口上接有气体采样头；紫外光源发射出的紫外光线经过准直单元准直后入射到样品池，紫外光在样品池内被目标气体选择性吸收之后由出射口发射出去，出射光束经汇聚单元准直和汇聚后通过光纤耦合后进入光谱仪，光谱仪完成紫外光色散和紫外吸收光谱探测，然后通过USB接口方式将探测信号送到计算机，计算机完成光谱数据处理和目标气体浓度反演。
所述便携式箱体由箱槽和箱盖构成，箱槽和箱盖的其中一侧通过铰链铰接，另一侧即铰链所在侧的对侧设有搭扣和把手；所述紫外光源、准直单元、样品池、气泵、汇聚单元、光纤、光谱仪以及电源模块安装在箱槽内，所述计算机安装在箱盖上，且箱盖上开设有一通孔，使计算机的显示模块能够暴露在箱盖的外侧。
气体采样头可拆卸的连接在所述进气接口上，气体采样头内包含粉尘过滤器；所述气泵采用配置无刷电机的微型抽气泵。
所述紫外光源选用氘灯。
准直单元由顺序布置的两块凸透镜和一块凹透镜构成，三块透镜之间的距离被装配为能够将紫外光源发出的散射光汇聚成准直的平行光，透镜材料选用石英玻璃材料。
所述样品池采用多次反射式怀特型结构样品池(怀特池)，利用三块球面镜实现红外光多次折返；样品池的气路进出口安装有卡套接头，光路进出口安装有密封硅橡胶，样品池池体采用整体铝合金加工而成，侧面和底面有减轻槽，池体重量在3kg以内，池体内部进行表面耐腐蚀处理；三块球面镜镀紫外高反膜和保护膜。
汇聚单元由同轴顺序布置的三块凸透镜以及连接底座构成，汇聚单元的三块凸透镜安装在连接底座上开设的通光孔内，连接底座与便携式箱体的底壁固接，汇聚后的紫外光入射到所述光纤。
所述光谱仪选用光栅衍射分光型小型化紫外光谱仪，光谱仪探测器选用薄型背照式二维面阵CCD探测器。
便携式箱体采用铝合金材料加工，底部安装了减震橡胶垫；所述箱槽侧壁上设有用于容置导线的走线槽；所述箱盖内侧设有用于收纳并固定气体采样头的卡槽，箱盖内侧还设有一绕线盘，绕线盘上缠绕有备用软管。
本发明的技术效果在于：本发明的便携式多组分气体检测装置，能够实现多组分气体浓度在线实时检测，特别适用于野外大气环境监测，以及国家和地方环境监测站使用。装置可应用于突发性大气污染事故现场应急监测，也可应用于日常大气环境连续在线监测，本发明为大气环境在线监测提供了一种可靠设备。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的便携式多组分气体检测装置的使用状态的立体图；
图3是本发明的便携式箱体的内部结构示意图；
图4是本发明中准直单元的原理图；
图中标号：1.紫外光源，2.准直单元，3.气体采样头，4.样品池，5.气泵， 6.汇聚单元，7.光纤，8.光谱仪，9.计算机，10.样品池进气口，11.样品池入光孔，12.球面反射镜，13.球面反射镜，14.球面反射镜，15.样品池出光孔， 16.样品池出气口，17.电源模块，22.进气管，23.排气管，24.走线槽，30.便携式箱体，31.箱槽，32.箱盖，33.把手，34.铰链，221.进气接口，231.排气接口，91.显示模块，321.卡槽，322.绕线盘，323备用软管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1至3所示，本发明的便携式多组分气体检测装置包括紫外光源1、准直单元2、气体采样头3、样品池4、气泵5、汇聚单元6、光纤7、光谱仪8、计算机9以及电源模块17。上述各模块除气体采样头3外均集成在一个便携式箱体30中，所述样品池4上接有进气管22和排气管23，所述气泵5串接在排气管23上，所述进气管22和排气管23贯通至便携式箱体30外部，并在便携式箱体30的外壁上设有进气接口221和排气接口231，所述气体采样头3与进气接口221连通；所述便携式箱体30由箱槽31和箱盖32构成，箱槽31和箱盖32的其中一侧通过铰链铰接34，另一侧即铰链34所在侧的对侧设有搭扣和把手33；所述紫外光源1、准直单元2、样品池4、气泵5、汇聚单元6、光纤7、光谱仪8以及电源模块17安装在箱槽31内，所述计算机9安装在箱盖32上，且箱盖32上开设有一通孔，使计算机9的显示模块91能够暴露在箱盖32的外侧。本发明的便携式多组分气体检测装置，能够实现多组分气体浓度在线实时检测，特别适用于野外大气环境监测，以及国家和地方环境监测站使用。装置可应用于突发性大气污染事故现场应急监测，也可应用于日常大气环境连续在线监测，本发明为大气环境在线监测提供了一种可靠设备。
紫外光源1为紫外信号源，为紫外光谱测量提供稳定辐射信号输出，紫外光源1发射出的紫外光线经过准直单元2准直，再经样品池4增加了吸收光程之后由出射口发射出去，出射光束经汇聚单元6准直和汇聚，通过光纤7耦合后进入光谱仪8，光谱仪8完成紫外光色散和紫外吸收光谱探测，然后通过USB 接口方式将探测信号送到计算机9，完成光谱数据处理和目标气体浓度反演。
便携式多组分气体检测装置的紫外光源1选用氘灯，在200～400nm紫外波段范围具有很强的发射光谱，且很多气体成分如苯，甲苯，二甲苯，甲醛，氨，硫化氢、二氧化硫等在该紫外波段有很强的吸收，适合紫外光谱探测。氘灯外部安装散热装置，以加快氘灯工作时热量散发，提高其使用寿命，另外，散热装置还具有降低杂散光，提高光源输出稳定性的作用。
便携式多组分气体检测装置的准直单元2由顺序布置的两块凸透镜201、202 和一块凹透镜203构成，三块透镜之间的距离被装配为能够将紫外光源1发出的散射光汇聚成准直的平行光，透镜材料选用JGS1石英玻璃材料，具有紫外高透过率，提高光束耦合效率，准直后的紫外光进入样品池入光孔11。
便携式多组分气体检测装置的气体采样头3包含了粉尘过滤器，完成采样气体固体颗粒物过滤，防止样品池光学镜片受粉尘污染，与样品池4的进气口 10连接；气泵5采用配置无刷电机的微型抽气泵，具有不干扰周围电子元器件、不污染电源的特性，可以抽取腐蚀性气体，与样品池4的出气口16连接，通过气泵抽气完成目标气体采样。
为实现便携式使用方式，减小部件体积，便携式多组分气体检测装置的样品池4采用多次反射式怀特型结构样品池，利用三块球面镜12、13、14，实现红外光多次折返，具有光路长、体积小、重量轻等特点，样品池基长40cm，多次反射光程可调，最大光程可达13m。气路进出口安装有卡套接头10、16，光路进出口安装有密封硅橡胶，具有很好的密封能力。样品池池体采用整体铝合金加工而成，侧面和底面有减轻槽，池体重量控制在3kg以内，并在内部进行表面耐腐蚀处理，本实施例所提供的表面耐腐蚀处理方式为阳极氧化加聚四氟乙烯涂层。三块球面镜12、13、14镀紫外高反膜和保护膜，在保证反射率的同时可以很好的保护反射镜面，易于清理和维护。为了使空间布局更加紧凑，样品池4的入射窗口和出射窗口位于样品池两侧，而并非设置在样品池4端部，光束进入样品池4后以及从样品池4射出前都需要偏转一定角度，因此样品池4 的两个通光窗口内分别设有一个反射镜11、15。
汇聚单元6由同轴顺序布置的三块凸透镜以及连接底座构成，汇聚单元6 的三块凸透镜安装在连接底座上开设的通光孔内，连接底座与便携式箱体30的底壁固接，汇聚后的紫外光入射到所述光纤7。
便携式多组分气体检测装置的紫外光谱仪8选用光栅衍射分光型小型化紫外光谱仪，为提高信噪比和信号处理速度，光谱仪探测器选用薄型背照式二维面阵CCD探测器。
便携式多组分气体检测装置的计算机9采用8寸加固型一体化工控机，具有重量轻、体积小、环境适应性强的特点，通过USB通讯方式与紫外光谱仪8 连接，完成光谱信号处理、多组分气体浓度定量反演、结果显示及保存。
便携式多组分气体检测装置的箱体30采用铝合金材料加工，底部安装了减震橡胶垫，箱体30正面安装把手33，可进行手提移动式测量。
所述箱槽31侧壁上设有用于容置导线的走线槽24；所述箱盖32内侧设有用于收纳并固定气体采样头的卡槽321，箱盖内侧还设有一绕线盘322，绕线盘上缠绕有备用软管323。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种便携式多组分气体检测装置，其特征在于：包括便携式箱体(30)以及安装在便携式箱体(30)内的：紫外光源(1)、准直单元(2)、样品池(4)、气泵(5)、汇聚单元(6)、光纤(7)、光谱仪(8)、计算机(9)以及电源模块(17)；所述样品池(4)上接有进气管(22)和排气管(23)，所述气泵(5)串接在排气管(23)上，所述进气管(22)和排气管(23)贯通至便携式箱体(30)外部，并在便携式箱体(30)的外壁上设有进气接口(221)和排气接口(231)，所述进气接口(221)上接有气体采样头(3)；紫外光源(1)发射出的紫外光线经过准直单元(2)准直后入射到样品池(4)，紫外光在样品池(4)内被目标气体选择性吸收之后由出射口发射出去，出射光束经汇聚单元(6)准直和汇聚后通过光纤(7)耦合后进入光谱仪(8)，光谱仪(8)完成紫外光色散和紫外吸收光谱探测，然后通过USB接口方式将探测信号送到计算机(9)，计算机(9)完成光谱数据处理和目标气体浓度反演。
2.根据权利要求1所述便携式多组分气体检测装置，其特征在于：所述便携式箱体(30)由箱槽(31)和箱盖(32)构成，箱槽(31)和箱盖(32)的其中一侧通过铰链(34)铰接，另一侧即铰链(34)所在侧的对侧设有搭扣和把手(33)；所述紫外光源(1)、准直单元(2)、样品池(4)、气泵(5)、汇聚单元(6)、光纤(7)、光谱仪(8)以及电源模块(17)安装在箱槽(31)内，所述计算机(9)安装在箱盖(32)上，且箱盖(32)上开设有一通孔，使计算机(9)的显示模块能够暴露在箱盖(32)的外侧。
3.根据权利要求1所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：气体采样头(3)可拆卸的连接在所述进气接口(221)上，气体采样头(3)内包含粉尘过滤器；所述气泵(5)采用配置无刷电机的微型抽气泵(5)。
4.根据权利要求1所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：紫外光源(1)选用氘灯。
5.根据权利要求1所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：准直单元(2)由顺序布置的两块凸透镜(201、202)和一块凹透镜(203)构成，三块透镜之间的距离被装配为能够将紫外光源(1)发出的散射光汇聚成准直的平行光，透镜材料选用石英玻璃材料。
6.根据权利要求1所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：所述样品池(4)采用多次反射式怀特型结构样品池(4)，利用三块球面镜实现红外光多次折返；样品池(4)的气路进出口安装有卡套接头，光路进出口安装有密封硅橡胶，样品池(4)池体采用整体铝合金加工而成，侧面和底面有减轻槽，池体重量在3kg以内，池体内部进行表面耐腐蚀处理；三块球面镜镀紫外高反膜和保护膜。
7.根据权利要求1所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：汇聚单元(6)由同轴顺序布置的三块凸透镜以及连接底座构成，汇聚单元(6)的三块凸透镜安装在连接底座上开设的通光孔内，连接底座与便携式箱体(30)的底壁固接，汇聚后的紫外光入射到所述光纤(7)。
8.根据权利要求1所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：所述光谱仪(8)选用光栅衍射分光型小型化紫外光谱仪(8)，光谱仪(8)探测器选用薄型背照式二维面阵CCD探测器。
9.根据权利要求2所述的便携式多组分气体检测装置，其特征在于：便携式箱体(30)采用铝合金材料加工，底部安装了减震橡胶垫；所述箱槽(31)侧壁上设有用于容置导线的走线槽；所述箱盖(32)内侧设有用于收纳并固定气体采样头(3)的卡槽(321)，箱盖(32)内侧还设有一绕线盘(322)，绕线盘(322)上缠绕有备用软管(323)。
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