CN213689455U - 一种便携式大气o3电化学监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种便携式大气O3电化学监测装置，包括大气采集模块、气体监测处理模块、数据处理模块、通信模块、LabVIEW监控模块和DC电源模块；气体监测处理模块包括气室、OX电化学传感器、NO2电化学传感器、温湿度传感器、信号调理电路一和信号调理电路二，气室通过管路与大气采集模块连接，使大气采集模块将气体输送至气室内；温湿度传感器设置于气室内腔并用于监测气室中气体的温湿度变化，且温度传感器与数据处理模块电连接；OX电化学传感器和NO2电化学传感器均安装在气室上，OX电化学传感器用于检测大气中O3和NO2的总浓度，NO2电化学传感器用于检测大气中的NO2浓度，可适应更多恶劣的测量环境，测量精度高，可同时对大气中NO3和O3的浓度进行测量。
Description
技术领域
本实用新型属于大气环境监测装置技术领域，具体涉及一种便携式大气O3电化学监测装置。
背景技术
光化学烟雾是由于汽车尾气和工业废气等排放的VOCs和NO2，在强烈阳光紫外线照射下，形成高浓度的臭氧和过氧乙酰基硝酸酯(PAN)等二次污染物从而造成大气污染。目前我国臭氧污染现象比较普遍：2006年至2011年，珠三角区域臭氧浓度上升了21％，成为唯一上升的大气污染物指标；2013年，珠三角地区共计有半年时间主要以臭氧污染为主，5月至9月超标天数以臭氧为首要污染物的比例均达到98％以上；与2014年同期相比，2015年夏季74个城市平均达标天数比例由80.5％下降到73.1％，尤其在广东省和江苏省，臭氧已取代PM2.5，成为全省空气首要污染物；2016年全国338个城市中有59个臭氧日最大8小时平均浓度超标，主要分布在京津冀和长三角等地区。因此，监测大气O3浓度对评估城市大气污染程度，明晰大气O3污染原因及针对性治理控制具有较为重要的指导意义。
传统测量大气O3的方法主要有紫外线吸收法，碘量法，靛蓝二硫酸钠分光光度法(IDS)等。紫外线吸收法仪器成本高且水汽和颗粒物引起消光会干扰臭氧测量结果；碘量法优点为直观，且不需使用价格高的仪器，缺点是易受其他氧化剂干扰；IDS方法操作比较复杂。
定电位电解法原理是通过定电位电解传感器将气体含量与产生的电信号对应起来，探测电信号的强度实现对气体含量检测。具有成本低、便携灵活的优势。由此制成的便携电化学传感器解决了目前大型检测设备不方便携带的问题，且便于大范围布点，采集大范围内的数据进行数据分析以及科学研究。较适用于大气O3浓度野外探测、分布监测及污染源位置确定的研究。
实用新型内容
本实用新型针对上述问题，公开了一种便携式的大气O3电化学监测装置，其具有小型化轻量化优点，便携易操作，并且能够实现远程监控的功能。
具体的技术方案如下：
一种便携式大气O3电化学监测装置，包括大气采集模块、气体监测处理模块、数据处理模块、通信模块、LabVIEW监控模块和DC电源模块；
所述大气采集模块对气体进行采集并输送至气体监测处理模块；
所述气体监测处理模块用于检测气体中的O3浓度、NO2浓度以及温湿度数据并转换为电流信号发送给数据处理模块；
所述数据处理模块用于处理获得的电压信号并储存数据；
所述DC电源模块为数据处理模块提供电源；
所述通信模块用于在数据处理模块和LabVIEW监控模块之间建立通信；
所述LabVIEW监控模块用于实时监控浓度数据、温湿度数据、储存数据和提取数据；
其特征在于，所述气体监测处理模块包括气室、OX电化学传感器、NO2电化学传感器、温湿度传感器、信号调理电路一和信号调理电路二，所述气室为中空的腔体结构，气室两端分别对称设有进气管和出气管，所述进气管通过管路与大气采集模块连接，使大气采集模块将气体输送至气室内；所述温湿度传感器设置于气室内腔并用于监测气室中气体的温湿度变化，且温度传感器与数据处理模块电连接；所述OX电化学传感器和NO2电化学传感器均安装在气室上，且OX电化学传感器与所述信号调理电路一电连接，NO2电化学传感器与所述信号调理电路二电连接，OX电化学传感器用于检测大气中O3和NO2的总浓度，为了准确定量O3，采用NO2电化学传感器用于检测大气中的NO2浓度以进行校正补偿，并转换为和待测气体浓度呈正比的电流信号再分别传递给信号调理电路一和信号调理电路二；所述信号调理电路一和信号调理电路二将获得的电流信号放大为合适的电压信号供数据处理模块处理，且信号调理电路一和信号调理电路二均与数据处理模块电连接。
进一步的，所述气室顶端开设有两个安装口，两个所述安装口的侧壁上均开设有环形结构的安装槽，所述安装槽中设置有紧固套，两个所述紧固套分别套设在OX电化学传感器上和NO2电化学传感器上，所述紧固套包括两个半圆形的箍环，两个所述箍环一端设有铰接端并通过所述铰接端进行铰接，两个箍环的另一端设有卡接端并通过所述卡接端进行卡接固定，且安装槽上端对称开设有多个嵌入口，使得紧固套上的铰接端和卡接端通过所述嵌入口放置在安装槽中，并通过铰接端和卡接端进行限位。
进一步的，所述紧固套的外壁上还对称设有限位块。
进一步的，所述紧固套的内壁上设有多个防滑块，从而防止OX电化学传感器和NO2电化学传感器发生活动。
进一步的，所述卡接端包括分别固定设置在两个箍环上的固定柱，其中一个固定柱底部设有弧形结构的凸起，另一个固定柱顶部设有与所述凸起形状相适配的凹槽，使得两个箍环一端进行对接时，所述凸起嵌入到所述凹槽中进行限位固定。
进一步的，所述信号调理电路一和信号调理电路二分别设置于NO2电化学传感器的上端和OX电化学传感器的上端。
本实用新型的有益效果体现在：
(1)本实用新型结构简单，便携易操作，且在野外能够连续稳定的运行，可适应更多恶劣的测量环境，测量精度高，可同时对大气中NO3和O3的浓度进行测量。
(2)本实用新型中气室的顶部的两个安装口分别通过紧固套对Ox电化学传感器和NO2电化学传感器进行紧固，并通过紧固套穿过嵌入口并放置到安装槽中进行限位，从而有效防止传感器发生脱落现象而影响到测量效果。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型中气室的立体图。
图3为本实用新型中气室的剖视图。
图4为本实用新型中紧固套的结构示意图。
图5为本实用新型的工作原理图。
附图标记说明
大气采集模块1、气泵11、转子流量计12、第一气管13、第二气管14、气体监测处理模块2、OX电化学传感器21、NO2电化学传感器22、温湿度传感器23、气室24、进气管241、出气管242、安装口243、安装槽244、嵌入口2441、紧固套245、箍环2451、铰接端2452、卡接端2453、固定柱2454、凸起2455、凹槽2456、防滑块2457、限位块2458、信号调理电路一25、信号调理电路二26、数据处理模块3、DSP主控芯片31、电路盒32、显示屏33、存储模块4、通信模块5、LabVIEW监控模块6、DC电源模块7。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本实用新型进行进一步描述，任何对本实用新型技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本实用新型保护范围。本实用新型中所提及的固定连接，固定设置均为机械领域中的通用连接方式，焊接、螺栓螺母连接以及螺钉连接均可。
在本实用新型创造的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
如图1-5所示，一种便携式大气O3电化学监测装置，包括大气采集模块1、气体监测处理模块2、数据处理模块3、通信模块5、LabVIEW监控模块6和DC电源模块7；
所述大气采集模块1对气体进行采集并输送至气体监测处理模块2；大气采集模块1包括气泵11、转子流量计12、第一气管13和第二气管14，所述气泵11的出气端通过第一气管13与转子流量计12的进气端进行连接，转子流量计12的出气端通过第二气管14与气体监测模块进行连接；
所述气体监测处理模块2包括气室24、OX电化学传感器21、NO2电化学传感器22、温湿度传感器23、信号调理电路一25和信号调理电路二26，所述气室24为中空的腔体结构，气室24两端分别对称设有进气管241和出气管242，所述进气管241通过管路与第二气管14连接，使大气采集模块1将气体输送至气室24内；所述温湿度传感器23设置于气室24内腔并用于监测气室24中气体的温湿度变化，且温度传感器与数据处理模块3电连接；所述OX电化学传感器21和NO2电化学传感器22均安装在气室24上，且OX电化学传感器21与所述信号调理电路一25电连接，NO2电化学传感器22与所述信号调理电路二26电连接，NO2电化学传感器22用于检测大气中NO2浓度，Ox电化学传感器21用于检测大气中NO2和O3总浓度，并将其转换为和待测气体浓度呈正比的电流信号，Ox电化学传感器21和NO2电化学传感器22分别采用Alphasense公司的OX-B431和NO2-B43F四电极传感器，以高灵敏四电极电化学传感器为O3和NO2浓度传感载体，依托高信噪比调理电路为信号转换载体，利用差分算法补偿痕量浓度下零点电流漂移对测量的干扰，四电极电化学传感器包括气体渗透膜、隔膜、工作电极、参考电极、对电极、辅助电极与电解液，气体渗透膜用来限制气体的扩散，此举保障适量气体到达工作电极反应，从而维持工作电极长期的电化学活性；隔膜因其多孔、疏水性强的特征，起到渗透气体、防止电解液外泄及抵制外界水汽渗入的作用；电解液提供了电极间的离子电流传输环境；目标气体渗入传感器在工作电极上发生还原反应，产生与气体浓度成正比的电流；对电极上产生与工作电极相反的反应，生成平衡电流同时构成电化学回路。四电极传感器多配备一个辅助电极，辅助电极接触不到气体不产生额外电流，仍保持基线水平，因此检测时即使零点相对校准时产生漂移，只需从工作电极信号中减去当前零点漂移即辅助电极信号，便可得补偿零点漂移后的有效电流信号，它完全是由待测气体产生的，此修正也提升了传感器响应时间与抗干扰特性。信号调理电路主要是用于稳压和调理，稳压是保证供给传感器时的电流是稳定的，波形脉动小的，调理是将传感器输出的电流信号调理为放大后的电压信号传送给数据处理模块3。
所述信号调理电路一25和信号调理电路二26分别固定设置于OX电化学传感器21和NO2电化学传感器22的上端。
所述温湿度传感器23主要采用DHT11模块，用于监测气室24气体的温湿度变化。
所述数据处理模块3包括电路盒32和设置在电路盒32中的DSP主控芯片31，DSP主控芯片31分别与信号调理电路一25、信号调理电路二26以及温湿度传感器23电连接，且DSP主控芯片31用于处理获得的电压信号并储存数据，DSP主控芯为DSP32位浮点运算TMS320F28335位主控芯片，采用其内部12位AD采样电压信号，经过反演计算最终得到O3浓度，分辨率低于1ppb，经过数据处理显示在显示屏33上；显示屏33安装在电路盒32上，且显示屏33与DSP主控芯片31电连接，并用于实时数据的显示；
所述储存模块设置于电路盒32中并与DSP主控芯片31电连接，所述储存模块为SD卡或TF卡；
所述DC电源模块7为USB供电电源模块，以为数据处理模块3提供3.3V电源。
所述通信模块5为LoRa无线通信模块5，LoRa无线通信模块5用于下位机与上位机之间的远距离通信，LoRa无线通信模块5通过RS485串口与DSP主控芯片31通信，并通过无线通信与LabVIEW监控模块6连接，用于在监控装置和LabVIEW监控模块6之间建立通信；
所述LabVIEW监控模块6用于实时监控浓度数据、温湿度数据、储存数据和提取数据。经过测试，整个电路测试情况稳定、设计可行、有效，所得浓度结果准确、抗干扰性好、控制方便，具有广泛的应用适用性。
工作原理：
(1)通过气泵将空气泵向转子流量计并由流量计调节流速后将气体输入气室。
(2)O3和NO2在传感器中发生氧化还原反应并且在工作电极上输出和待测气体浓度成正比的两组电流数据。其中NO2-B43F四电极传感器输出和NO2浓度成正比的电流数据，OX-B431四电极传感器输出与NO2和O3总浓度成正比的电流数据。
(3)信号调理电路将传感器输出的电流信号转换为电压信号并且放大，之后将数据传输在DSP中控板上。
(4)处理器将10s内获得的所有数据进行平均，将所算得的各项数据减去所测得的平均数据，然后将所得数据通过差分算法VWEC＝(VWEU-VWET)-nT(VAEU-VAET)求得Vwec，最后根据公式
计算得到NO2浓度C1以及NO2和O3总浓度C2。其中，Vweu是未校正的调理电路工作电极输出电压，Vwet是工作电极零点偏移与调理电路零点偏移之和，nT是温度特性校正系数，由传感器内部结构化学特性决定，取值与环境温度相关，Vaeu是未校正的辅助电极输出电压，Vaet是辅助电极零点偏移与调理电路零点偏移之和，Vwec是校正后工作电极输出电压，S是传感器灵敏度(单位：mv/ppbv)。
(5)计算C2-C1得到O3浓度，通过数据线传输后显示在显示屏上。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种便携式大气O3电化学监测装置，包括大气采集模块(1)、气体监测处理模块(2)、数据处理模块(3)、通信模块(5)、LabVIEW监控模块(6)和DC电源模块(7)；
所述大气采集模块(1)对气体进行采集并输送至气体监测处理模块(2)；
所述气体监测处理模块(2)用于检测气体中的O3浓度、NO2浓度以及温湿度数据并转换为电流信号发送给数据处理模块(3)；
所述数据处理模块(3)用于处理获得的电压信号并储存数据；
所述DC电源模块(7)为数据处理模块(3)提供电源；
所述通信模块(5)用于在数据处理模块(3)和LabVIEW监控模块(6)之间建立通信；
所述LabVIEW监控模块(6)用于实时监控浓度数据、温湿度数据、储存数据和提取数据；
其特征在于，所述气体监测处理模块(2)包括气室(24)、OX电化学传感器(21)、NO2电化学传感器(22)、温湿度传感器(23)、信号调理电路一(25)和信号调理电路二(26)，所述气室(24)为中空的腔体结构，气室(24)两端分别对称设有进气管(241)和出气管(242)，所述进气管(241)通过管路与大气采集模块(1)连接，使大气采集模块(1)将气体输送至气室(24)内；所述温湿度传感器(23)设置于气室(24)内腔并用于监测气室(24)中气体的温湿度变化，且温度传感器与数据处理模块(3)电连接；所述OX电化学传感器(21)和NO2电化学传感器(22)均安装在气室(24)上，且OX电化学传感器(21)与所述信号调理电路一(25)电连接，NO2电化学传感器(22)与所述信号调理电路二(26)电连接，OX电化学传感器(21)用于检测大气中O 3和NO2的总浓度，采用NO2电化学传感器(22)用于检测大气中的NO2浓度，并转换为和待测气体浓度呈正比的电流信号再分别传递给信号调理电路一(25)和信号调理电路二(26)；所述信号调理电路一(25)和信号调理电路二(26)将获得的电流信号放大为电压信号供数据处理模块(3)处理，且信号调理电路一(25)和信号调理电路二(26)均与数据处理模块(3)电连接。
2.如权利要求1所述的一种便携式大气O3电化学监测装置，其特征在于，所述气室(24)顶端开设有两个安装口(243)，两个所述安装口(243)的侧壁上均开设有环形结构的安装槽(244)，所述安装槽(244)中设置有紧固套(245)，两个所述紧固套(245)分别套设在OX电化学传感器(21)上和NO2电化学传感器(22)上，所述紧固套(245)包括两个半圆形的箍环(2451)，两个所述箍环(2451)一端设有铰接端(2452)并通过所述铰接端(2452)进行铰接，两个箍环(2451)的另一端设有卡接端(2453)并通过所述卡接端(2453)进行卡接固定，且安装槽(244)上端对称开设有多个嵌入口(2441)，使得紧固套(245)上的铰接端(2452)和卡接端(2453)通过所述嵌入口(2441)放置在安装槽(244)中，并通过铰接端(2452)和卡接端(2453)进行限位。
3.如权利要求2所述的一种便携式大气O3电化学监测装置，其特征在于，所述紧固套(245)的外壁上还对称设有限位块(2458)。
4.如权利要求2所述的一种便携式大气O3电化学监测装置，其特征在于，所述紧固套(245)的内壁上设有多个防滑块(2457)。
5.如权利要求2所述的一种便携式大气O3电化学监测装置，其特征在于，所述卡接端(2453)包括分别固定设置在两个箍环(2451)上的固定柱(2454)，其中一个固定柱(2454)底部设有弧形结构的凸起(2455)，另一个固定柱(2454)顶部设有与所述凸起(2455)形状相适配的凹槽(2456)。
6.如权利要求1所述的一种便携式大气O3电化学监测装置，其特征在于，所述信号调理电路一(25)和信号调理电路二(26)分别设置于NO2电化学传感器(22)的上端和OX电化学传感器(21)的上端。
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| CN114740158A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-07-12 | 天津光电华典科技有限公司 | 一种大气气态污染物检测模块及检测装置 |
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2020
- 2020-11-19 CN CN202022687253.4U patent/CN213689455U/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114740158A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-07-12 | 天津光电华典科技有限公司 | 一种大气气态污染物检测模块及检测装置 |
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