CN209372744U - 一种多通道智能化污染气体监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多通道智能化污染气体监测装置，包括气体测量传感单元、数据采集与处理单元、气体抽取及预处理单元、超标气体报警与采样单元，其中，气体测量传感单元，设计有多个测量采集通道；气体抽取及预处理单元，包括抽气泵，流量控制器，气体油水分离器，颗粒物过滤器，水分过滤器，气体导管及伴热带。本实用新型可以实现多通道采样及报警后精确采样。

Description

一种多通道智能化污染气体监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种多通道智能化污染气体监测装置。

背景技术

大气环境是人类赖以生存和发展的必要条件，保护和改善大气环境质量对于促进人类社会、经济的发展以及保障人体健康都具有十分重要的意义。随着我国工业化进程加快，各种工业废气的排放造成的环境污染压力日益增大，并且各种污染环境的气体种类多(包括NH3，HF，HCl，酸雾等)，排放情况复杂，对环境气体在线监测仪器提出了更高的要求。大气污染排放特点是在一定区域内往往多个排放源，这也给监测治理，特别是定位具体的污染排放源，对污染排放源进行细分分类管理带来了困难。

针对环境污染气体多样的特点，需要测量装置可是实现多种气体多通道并行测量，减少测量成本。针对环境气体成分复杂的特点，要求测量装置具有一定的气体预处理能力，除去空气中水分，颗粒物等对其目标成分检测的影响，并且在一定程度上延长测量传感器寿命。此外智能化测量要求测量装置能够对污染超标进行报警，并且将测量数据实时存储在本地存储装置，并传送到网络平台进行处理，从而为监管提供依据。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种多通道智能化环境气体测量装置，具有污染气体超标采样及报警功能。本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种多通道智能化污染气体监测装置，包括气体测量传感单元、数据采集与处理单元、气体抽取及预处理单元、超标气体报警与采样单元，其特征在于，

气体测量传感单元，设计有多个测量采集通道，根据实际需要配置不同气体传感器，实现多种气体同时检测，检测信号被送入数据采集与处理单元；

气体抽取及预处理单元，包括抽气泵，流量控制器，气体油水分离器，颗粒物过滤器，水分过滤器，气体导管及伴热带；气体抽取及预处理单元各部分通过带有伴热带的气体导管连接，伴热带用以保持气体温度，防止气体成分变化，并提高检测精度；抽气泵抽取外部环境中气体，通过气体导管依次进入水分过滤器、颗粒物过滤器、气体油水分离器和流量控制器，最后进入气体测量传感单元进行测量。

优选地，超标气体报警与采样单元，包括声光报警器，采样泵，气体导管，单向阀和采样气袋，该单元在接收到单片机处理器的发出的报警信号后，启动声光报警器与采样泵，采样泵抽取气体送入采样气袋，其中气泵与采样气袋之间通过单向阀连接，防止采样气体回流，并保证采样精确度。数据采集与处理单元，将检测信号转换为数字信号并进行处理，得到气体浓度，气体浓度数据通过远程传输方式传送到数据网络平台或者存储在本地存储单元；根据气体浓度，单片机处理器发送报警信号。

本实用新型针对环境气体检测需要，与现有技术相比具有以下优势：

(1)设计多个测量采集通道，可根据实际需要配置不同传感器，从而实现多种气体并行检测。

(2)气体抽取及预处理采用多级过滤处理，并且通过伴热带的气体导管连接，伴热带主要作用是保持气体温度，防止气体成分变化，并提高检测精度。

(3)具有超标气体报警与采样功能，可根据测量到的气体浓度自动启动声光报警器与气泵，气泵抽取气体送入采样气袋，其中气泵与采样气袋之间通过单向阀连接，防止采样气体回流，并保证采样精确度。

附图说明

图1多通道智能化环境气体测量装置组成图

图2网格化监测与测量装置布点图

图3基于污染测量时间序列相关分析的溯源扩散算法流程图

图4溯源/扩散路径图

图5聚类分析结果

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型的多通道智能化污染气体监测装置，整体放置于工业防水机箱中，如图1所示，主要由以下几个部分组成：

(1)气体测量传感单元，包括气室，气体传感器，电流电压转换放大模块，滤波模块组成，其中气体传感器主要形式为电化学传感器，气体流经传感器与膜电极间产生氧化还原反应，从而产生微电流，通过电流电压转换放大电路，将气体浓度转换为电压信号，经过滤波处理后提高信号信噪比。在本实用新型装置中，设计有多个测量采集通道，可根据实际需要配置不同传感器，从而实现多种气体同时检测。

(2)数据采集与处理单元，由A/D转换模块，及单片机处理器组成，通过A/D转换模块将电压值转换为数字信号，然后送入单片机处理器进行算法处理，计算得到气体浓度。数据可通过远程传输方式传送到数据网络平台，或者存储在本地存储单元。根据气体浓度，单片机处理器还可发送报警或者采样信号。

(3)气体抽取及预处理单元，包括，抽气泵，流量控制器，气体油水分离器，颗粒物过滤器，水分过滤器，气体导管及伴热带。气体抽取及预处理单元各部分通过带有伴热带的气体导管连接，伴热带主要作用是保持气体温度，防止气体成分变化，并提高检测精度。抽气泵抽取外部环境中气体，通过气体导管依次进入，水分过滤器，颗粒物过滤器，气体油水分离器，流量控制器，最后进入气体测量传感单元进行测量。

(4)超标气体报警与采样单元，主要组成有声光报警器，采样泵，气体导管，单向阀，采样气袋。该单元在接收到单片机处理器的发出的超标信号后，启动声光报警器与采样泵，采样泵抽取气体送入采样气袋，其中采样泵与采样气袋之间通过单向阀连接，防止采样气体回流，并保证采样精确度。

本实用新型还涉及一种基于网格化数据与多通道检测数据时间序列相关聚类分析的大气污染溯源与检监测方法，是通过以下技术方案实现的：

(1)将待测区域进行为网格化划分，并定义网格地图矩阵坐标，即由北至南为矩阵的行(采用i代表行号)，由西至东为矩阵的列(采用j代表列号)，n种监测污染物在一定时间t内的浓度数据表示为：基于GPS经纬度坐标将污染物监测数据匹配到待测区域的网格矢量地图上，得到所述的污染源网格地图，如图2所示

(2)为了减少随机误差影响，首先对每个节点污染气体气体监测数据进行ARMA(Autoregressive moving average model,回归滑动平均模型)处理，得到每个节点不同污染物浓度时间序列，表示为：

其中[β₀，β₁，…β_p]为回归系数，[α₀，α₁，…α_p]为平均系数，[e₀，e₁，…e_p]为白噪声，假设监测过程中各种噪声分布类似白噪声，那么经过ARMA处理后，得到时间序列将减少噪声影响，更能代表污染物真实浓度随时间变化趋势。

(3)在网格范围搜索污染物浓度最大的节点，将该节点得到污染物浓度时间序列Y(t)与周围相邻污染物时间序列Y’(t)进行相关性分析，相关系数计算公式如下：

从监测结果中污染物浓度最大点出发，依次搜索周围所有临近域点，可以得到有一系列相关系数，取其中最大的相关系数位置，就可以得到污染物扩散一次路径，假设表示为

然后以新的起始点(i，j+1)为中心，与邻近监测点得到数据进行进行搜索，并找到相关系数最大位置。重复以上步骤，直到遍历检测网格中所有监测点，算法流程如图3所示。最后可以得到不同污染物在监测区域内的扩散路径，所得到污染物扩散溯源路径如图4所示。

(4)根据每个网格化监测点测量得到的不同污染物种类，对监测区域内每个监测点的数据进行聚类分析。将每个监测点得到的不同污染物浓度序列作为样本值，采样择近原则对样本进行匹配分类，应用以欧氏贴近度为度量标准的择近原则作为分类识别准则，欧式距离计算公式如下：

如果ρ(Y，Y′)<α则可判定Y与Y’归为同一模糊集合中，也就是可以判定两个监测点所在网格区域具有相同的污染特征。

利用以上方法遍历不同网格中监测得到的数据，计算欧式贴近度集合，从而可以根据择近原则的匹配分类结果得到监测点分类结果，如图5所示。根据分类结果可以更准确提取监测点污染特征，并且针对每个监测点的可以进行更为精细的管理。

仪器工作过程为，气泵通过采样气嘴抽取外界气体，然后分别通过水分过滤器，颗粒物过滤器，气压控制器和气体油水分离器，进行气体预处理，除去气体中的水分与颗粒物等影响测量结果的成分，然后通过流量控制器，控制气体以一定流量进入气体测量单元。

本实用新型的基于网格化数据与多通道检测数据时间序列相关聚类分析的大气污染溯源与检监测方法，具体步骤为：

将待测区域进行为网格化划分，并定义网格地图矩阵坐标，即由北至南为矩阵的行(采用i代表行号)，由西至东为矩阵的列(采用j代表列号)，n种监测污染物在一定时间t内的浓度数据表示为：基于GPS经纬度坐标将污染物监测数据匹配到待测区域的网格矢量地图上，得到所述的污染源网格地图，如图2所示

测量过程为，气体流经测量单元中的传感器，产生氧化还原反应，从而产生微电流，通过电流电压转换放大电路，将气体浓度转换为电压信号，经过滤波处理后提高信号信噪比。在本实用新型装置中，可设置多个测量采集通道，根据实际需要配置不同传感器，气体依次流经各个测量装置，从而实现多种气体同时检测。通过A/D转换模块将电压值转换为数字信号，然后送入单片机处理器进行算法处理，计算得到气体浓度。数据可通过远程传输方式传送到数据网络平台，或者存储在本地存储单元。根据气体浓度，单片机处理器还可发送报警或者采样信号。

数据传输到平台后，首先对每个节点污染气体气体监测数据进行ARMA(Autoregressive moving average model,回归滑动平均模型)处理，得到每个节点不同污染物浓度时间序列，表示为：

在网格范围搜索污染物浓度最大的节点，将该节点得到污染物浓度时间序列Y(t)与周围相邻污染物时间序列Y’(t)进行相关函数计算，从监测结果中污染物浓度最大点出发，依次搜索周围所有临近域点，可以得到有一系列相关系数，取其中最大的相关系数位置，就可以得到污染物扩散一次路径，重复以上步骤，直到遍历检测网格中所有监测点，从而得到不同污染物在监测区域内的扩散路径。

将每个监测点得到的不同污染物浓度序列作为样本值，采样择近原则对样本进行匹配分类，应用以欧氏贴近度为度量标准的择近原则作为分类识别准则。遍历不同网格中监测得到的数据，计算欧式贴近度集合，从而可以根据择近原则的匹配分类结果得到监测点分类结果，根据分类结果可以更准确提取监测点污染特征。

Claims (3)

1.一种多通道智能化污染气体监测装置，包括气体测量传感单元、数据采集与处理单元、气体抽取及预处理单元、超标气体报警与采样单元，其特征在于，

气体测量传感单元，设计有多个测量采集通道，根据实际需要配置不同气体传感器，实现多种气体同时检测，检测信号被送入数据采集与处理单元；

气体抽取及预处理单元，包括抽气泵，流量控制器，气体油水分离器，颗粒物过滤器，水分过滤器，气体导管及伴热带；气体抽取及预处理单元各部分通过带有伴热带的气体导管连接，伴热带用以保持气体温度，防止气体成分变化，并提高检测精度；抽气泵抽取外部环境中气体，通过气体导管依次进入水分过滤器、颗粒物过滤器、气体油水分离器和流量控制器，最后进入气体测量传感单元进行测量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，超标气体报警与采样单元，包括声光报警器，采样泵，气体导管，单向阀和采样气袋，该单元在接收到单片机处理器的发出的报警信号后，启动声光报警器与采样泵，采样泵抽取气体送入采样气袋，其中气泵与采样气袋之间通过单向阀连接，防止采样气体回流，并保证采样精确度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，数据采集与处理单元，将检测信号转换为数字信号并进行处理，得到气体浓度，气体浓度数据通过远程传输方式传送到数据网络平台或者存储在本地存储单元；根据气体浓度，单片机处理器发送报警信号。