一种便携式臭氧浓度在线监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体监测技术领域，特别是一种用于对汽车、燃料、石化等臭氧污染源 进行浓度在线监测的装置。
【背景技术】
[0002] 日常生活中，常常看到空气略带浅棕色，又有一股辛辣刺激的气味，这就是通常所 称的光化学烟雾。臭氧是光化学烟雾的主要成分，是由大气中的氮氧化物和挥发性有机物 经光化学反应形成的，大气中的氮氧化物和挥发性有机物则主要来源于机动车尾气和化工 生产等。臭氧是一把双刃剑，浓度低时有杀菌作用，但浓度只要到〇. 43mg/m3以上，就会对 人体健康产生危害，主要体现在：强烈刺激呼吸道、造成肺功能改变、呼吸机能降低、引起气 道反应、气道炎症增加、哮喘加重等。
[0003] 2013年1月1日起，细颗粒物（PM2. 5)、臭氧（O3)和一氧化碳（CO)三项污染物， 同时被纳入北京市空气质量监测项目。而按照新国标，臭氧8小时平均浓度在160mg/m 3以 下，空气质量为优，160~200mg/m3为良好，超过200mg/m3贝丨」造成污染。因此对臭氧浓度进 行实时在线监测是控制环境质量便显得尤为重要。
[0004] 目前，市面上对于臭氧浓度的监测主要有以下几种方式：一是采用气敏传感器，但 由于臭氧具有强氧化性，长期使用会降低气敏传感器的灵敏度甚至造成氧化性损坏而不能 运行。二是采用紫外光吸收法对臭氧浓度进行监测，紫外光吸收法是以Be er-Lambert定律 为基础，利用臭氧在波长为253. 7nm处具有最大的吸收值来对其浓度进行的监测，其优点 是可以进行非接触式监测，避免因为化学反应而降低监测的准确度，且测量周期短，不会受 到强氧化的影响，因此可适用于在线监测。三是采用差分吸收光谱（DOAS)法，差分吸收光 谱（DOAS)法可以对多组分气体进行监测，排出除臭氧外其他气体、比如二氧化氮的干扰， 并能得到比直接测量法相对准确的臭氧浓度。
[0005] 尽管目前臭氧的监测方法很多，但大多存在测量不准确、测量装置结构复杂，不方 便携带的问题，尤其是不适用于变电站的臭氧浓度在线监测。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术之弊端，提供一种便携式臭氧浓度在线监测装 置，它具有集成度高、操作方便、易于携带的特点，不仅能够适用于变电站环境中臭氧浓度 的监测，而且还能够间接判断带电设备的运行状态。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
[0008] 一种便携式臭氧浓度在线监测装置，包括壳体，所述壳体内设置有用于抽取被监 测气体的抽气系统、用于对被监测气体进行过滤的过滤系统、用于采用被监测气体吸收测 试光的气体吸收池以及用于对测试光进行数据处理的数据处理系统；所述壳体的面板上设 置有用于显示测试结果的数据显示模块以及启动装置的启动按钮；所述过滤系统、抽气系 统和气体吸收池之间通过密闭的PTFE管连通，所述气体吸收池和数据处理系统之间通过 光纤连接。
[0009] 上述便携式臭氧浓度在线监测装置，所述抽气系统包括设置在壳体内的抽气泵和 用于调节和控制气体流速的调速盒，调速盒通过支撑架架设在面板下方，所述调速盒里设 置有用于控制抽气泵工作状态的电源开关、调速开关以及调速旋钮；所述抽气泵的进气端 通过PTFE管与过滤系统连通，抽气泵的出气端通过PTFE管与气体吸收池连通，抽气泵的受 控端连接控制盒。
[0010] 上述便携式臭氧浓度在线监测装置，所述数据处理系统包括光纤光谱仪和控制模 块，光纤光谱仪包括通过控制接口线连接的光纤光谱仪发射端与光纤光谱仪接收端，光纤 光谱仪发射端的输出端经光纤连接气体吸收池的进光口，气体吸收池的出光口经光纤连接 光纤光谱仪接收端；所述光纤光谱仪接收端经USB接口线与控制模块的输入端连接，控制 模块的DVIl端口与数据显示模块连接。
[0011] 上述便携式臭氧浓度在线监测装置，所述数据处理系统还包括移动硬盘，移动硬 盘通过SATA线与控制模块连接。
[0012] 上述便携式臭氧浓度在线监测装置，所述数据显示模块包括液晶平板显示器，液 晶平板显示器通过DVI1端口与控制模块连接。
[0013] 上述便携式臭氧浓度在线监测装置，所述过滤系统包括安装在抽气系统进气端的 过滤网，所述过滤系统两端分别通过PTFE管与抽气泵进气端和被监测气体连通。
[0014] 一种臭氧浓度在线监测方法，监测按以下步骤进行：
[0015] A.通过抽气泵将被监测气体进行过滤后送入气体吸收池；
[0016] B.光纤光谱仪发射端向气体吸收池发射测试光，测试光在气体吸收池被监测气体 中臭氧吸收后通过光纤送入光纤光谱仪接收端；
[0017] C.光纤光谱仪接收端对被吸收后的测试光进行光谱信号测量，并将测量结果送入 控制模块进行分析，获得被监测气体中臭氧的浓度。
[0018] 上述臭氧浓度在线监测方法，步骤C中光纤光谱仪接收端进行光谱信号测量的具 体方法为：被吸收后的测试光进入光纤光谱仪接收端后，经入射狭缝投射到准直物镜上，将 发散光变成准平行光反射到光栅上，色散后经成像反射镜将光谱呈在阵列探测器的接收面 上，形成光谱谱面；光谱谱面中任一个微小谱带照射到相对应探测器的像元上后将光信号 转换成电信号，电信号经模拟数字转换、A/D放大后送入控制模块。
[0019] 上述臭氧浓度在线监测方法，臭氧浓度C按如下公式获得：
[0020]
【主权项】
1. 一种便携式臭氧浓度在线监测装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体内设置有用 于抽取被监测气体的抽气系统、用于对被监测气体进行过滤的过滤系统、用于采用被监测 气体吸收测试光的气体吸收池（3)以及用于对测试光进行数据处理的数据处理系统；所述 壳体的面板上设置有用于显示测试结果的数据显示模块以及启动装置的启动按钮；所述过 滤系统、抽气系统和气体吸收池之间通过密闭的PTFE管连通，所述气体吸收池和数据处理 系统之间通过光纤连接。
2. 根据权利要求1所述的便携式臭氧浓度在线监测装置，其特征在于：所述抽气系统 包括设置在壳体内的抽气泵（2)和用于调节和控制气体流速的调速盒，调速盒通过支撑架 架设在面板下方，所述调速盒里设置有用于控制抽气泵工作状态的电源开关、调速开关以 及调速旋钮；所述抽气泵（2)的进气端通过PTFE管与过滤系统连通，抽气泵（2)的出气端 通过PTFE管与气体吸收池（3)连通，抽气泵（2)的受控端连接控制盒。
3. 根据权利要求1所述的便携式臭氧浓度在线监测装置，其特征在于：所述数据处理 系统包括光纤光谱仪和控制模块（4)，光纤光谱仪包括通过控制接口线连接的光纤光谱仪 发射端（10)与光纤光谱仪接收端（11)，光纤光谱仪发射端（10)的输出端经光纤连接气体 吸收池（3)的进光口，气体吸收池（3)的出光口经光纤连接光纤光谱仪接收端（11);所述 光纤光谱仪接收端（11)经USB接口线与控制模块（4)的输入端连接，控制模块（4)的DVIl 端口与数据显示模块（5)连接。
4. 根据权利要求3所述的便携式臭氧浓度在线监测装置，其特征在于：所述数据处理 系统还包括移动硬盘(6)，移动硬盘（6)通过SATA线与控制模块（4)连接。
5. 根据权利要求1所述的便携式臭氧浓度在线监测装置，其特征在于：所述数据显示 模块（5)包括液晶平板显示器，液晶平板显示器通过DVIl端口与控制模块（4)连接。
6. 根据权利要求1所述的便携式臭氧浓度在线监测装置，其特征在于：所述过滤系统 包括安装在抽气系统进气端的过滤网（1)，所述过滤系统两端分别通过PTFE管与抽气泵进 气端和被监测气体连通。
7. -种臭氧浓度在线监测方法，其特征在于，监测按以下步骤进行： A. 通过抽气泵将被监测气体进行过滤后送入气体吸收池； B. 光纤光谱仪发射端向气体吸收池发射测试光，测试光在气体吸收池被监测气体中臭 氧吸收后通过光纤送入光纤光谱仪接收端； C. 光纤光谱仪接收端对被吸收后的测试光进行光谱信号测量，并将测量结果送入控制 模块进行分析，获得被监测气体中臭氧的浓度。
8. 根据权利要求7所述的一种臭氧浓度在线监测方法，其特征在于，步骤C中光纤光谱 仪接收端进行光谱信号测量的具体方法为：被吸收后的测试光进入光纤光谱仪接收端后， 经入射狭缝投射到准直物镜上，将发散光变成准平行光反射到光栅上，色散后经成像反射 镜将光谱呈在阵列探测器的接收面上，形成光谱谱面；光谱谱面中任一个微小谱带照射到 相对应探测器的像元上后将光信号转换成电信号，电信号经模拟数字转换、A/D放大后送入 控制模块。
9. 根据权利要求7所述的一种臭氧浓度在线监测方法，其特征在于， 臭氧浓度C按如下公式获得： c = RA^)'\Rg{^l\ 式中，C是气体浓度；λ是气体吸收波长；RA' (λ)是滤波后气体某波长下的差分吸 光度，依次进行数值滤波和傅里叶变换所得；R σ '( λ )是滤波后气体的差分吸收截面，依 次经过数值滤波和傅里叶变换所得；L是气体吸收池有效光程。
【专利摘要】一种便携式臭氧浓度在线监测装置及方法，所述装置包括壳体，壳体内设置有抽气系统、过滤系统、气体吸收池以及数据处理系统；壳体的面板上设置有数据显示模块以及启动装置的启动按钮；所述过滤系统、抽气系统和气体吸收池之间通过密闭的PTFE管连通，所述气体吸收池和数据处理系统之间通过光纤连接。本发明具有结构简单、高度集成、操作方便、测量精度高、测量速度快、实时在线监测的特点，不仅能够适用于对变电站环境中臭氧浓度的监测，而且还能够间接判断变电站中带电设备的运行状态。
【IPC分类】G01N21-31
【公开号】CN104833640
【申请号】CN201510238931
【发明人】郑海明, 姚鹏辉, 陈寨辉, 李长朝, 杨婧君
【申请人】华北电力大学（保定）
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月12日