专利名称：一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环境质量监测仪器，特别是关于一种在线气溶胶碳质组分采集分 析仪。
背景技术：
大气气溶胶中的碳质组分，通常占大气细粒子质量浓度的10 70%，是大气细粒 子的重要组成成分。其可分为3大类有机碳(Organic Carbon, 0C)、元素碳(Elemental Carbon, EC)和碳酸碳(Carbonate Carbon, CC)。OC主要来源于一次燃烧过程的排放和生 物排放，以及大气中挥发性有机物与大气中氧化性物质发生化学反应后进入颗粒态的产物 产生的。EC也被称作炭黑(Black Carbon，BC)，主要来源于含碳燃料的不完全燃烧。CC主 要存在于土壤和煤矿飞尘的粗粒子中，质量浓度远小于EC和OC的，所以大气溶胶中的CC 成分一般忽略。大气气溶胶中的碳质组分能够对全球气候、大气能见度以及人体健康这三个方面 产生影响。长期以来，一直认为气溶胶对于全球气候变化的影响是降温作用，但是目前越来 越多的报告都认为EC对于全球变暖的作用非常明显。EC可以吸收从红外到紫外全波段的 光，从而“加热”地球。此外，EC能加深颗粒物的颜色，使一些原本对辐射没有吸收或者吸 收较小的物质也能对光产生吸收，增加了颗粒物的辐射强迫，降低了大气能见度。气溶胶中 的OC也能对光起散射作用，极大地影响了区域大气的能见度。由于大气气溶胶碳质组分绝 大部分存在于细粒子中(0. 1 1 μ m)，因而能够很容易通过人体的呼吸作用进入人体的肺 部，破坏改变肺的结构和功能，造成慢性呼吸道疾病，甚至能够改变DNA的机构。因此，研究 大气气溶胶的碳质组分成为当今环境监测领域的热点。目前，对大气气溶胶碳质组分(0C/EC)的研究，主要采用两种方法膜采样+离线 分析和在线0C/EC监测。但是，通过传统的膜采样+离线分析方法所获得的数据时间分辨 率低，难以反映较短时间内大气气溶胶特征变化的信息，而且容易引入人为干扰，因此利用 在线的0C/EC分析仪成为应用的趋势。目前只有美国Sunset实验室根据热光学分析法开 发了石英膜采样的原位在线测定0C/EC的商品化仪器。但是Sunset 0C/EC分析仪在实际 应用还存在以下问题1、Sunset的H型的石英加热炉在更换催化剂、炉丝等维护操作过程 中，容易发生断裂，无法继续使用。2、在分析样品的过程中，Sunset对钢瓶气的使用过于浪 费，尤其是大量内标气He/CH4直接排空而没有被利用。3、在加热升温过程中，由于热电偶与 石英膜之间存在一定距离，无法直接接触石英膜，因此采集到的温度数据并非反映石英膜 上的真实信息。4、Sunset 0C/EC分析仪的控制软件无法根据用户的需要及时更改分析方 法参数，数值计算软件缺乏对标准数据的处理，使得用户只能通过其他计算工具获得标准 曲线的参数进行数值校准。5、由于我国的大气环境污染与国外的情况有所不同，大气气溶 胶的成分和性质也不一样，使用国外开发的仪器和方法参数来研究我国大气气溶胶的污染 现状是不合适的，而且Sunset在线0C/EC分析仪的成本较高，难以在国内进行推广应用。因此，为了能够更好地、更方便地获得监测数据，更清楚地了解我国气溶胶的污染现状，为治理大气污染、改善空气质量提供支持，迫切需要一种适合我国气溶胶监测和研究 的在线分析系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种连续在线采集大气气溶胶样品，并且利 用激光透射法校正法来实现大气气溶胶中碳质组分分析的在线气溶胶碳质组分采集分析 仪。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种在线气溶胶碳质组分采集分析 仪，其特征在于它包括载气气路系统和采样-分析气路系统两个部分；所述载气气路系统 包括He气气路、He-purge气气路、He/Ox气气路和He/CH4气气路所述He气气路由依次连 接的第一减压阀、第一两通电磁阀、第一质量流量控制器和第一三通电磁阀组成；所述第一 质量流量控制器的出气口连接所述第一三通电磁阀的常开端；所述He-purge气气路由第 一限流管和第一流量检测器组成；所述He/Ox气气路由依次连接的第二减压阀、第二两通 电磁阀、第二三通电磁阀、第二限流管和第二流量检测器组成；所述第二三通电磁阀的常开 端连接所述第二两通电磁阀，公共端连接第二限流管，常闭端并联连接所述第一质量流量 控制器的进气口、第一两通电磁阀的出气口和第一限流管的进气口 ；所述彻/014气气路由 依次连接的第三减压阀、第三两通电磁阀、第三限流管、第三流量检测器、第三三通电磁阀、 定量环和第四三通电磁阀组成；所述第三三通电磁阀的常开端连接所述第三流量检测器的 出气口，常闭端并联连接所述第二流量检测器的出气口和一压力传感器，公共端通过所述 定量环连接所述第四三通电磁阀的公共端；所述第四三通电磁阀的常开端设置为CH4排空 端，常闭端连接所述第一三通电磁阀的常闭端；所述采样-分析气路系统包括采样气路和 分析气路所述采样气路包括依次连接的切割头、VOC去除装置、球阀和解析-氧化炉，还包 括依次连接的采样泵、第二质量流量控制器和第五三通电磁阀；所述球阀的出气口并联连 接所述第一三通电磁阀的公共端和所述解析_氧化炉的进气口，然后通过所述解析_氧化 炉上的支管连接所述第五三通电磁阀的公共端，所述第五三通电磁阀的常闭端连接所述第 二质量流量控制器的进气口 ；所述分析气路包括与所述解析_氧化炉相连接的第六三通电 磁阀、NDIR检测器和第七三通电磁阀；所述NDIR检测器的进气口连接所述第六三通电磁阀 的常闭端，所述第六三通电磁阀的公共端连接所述解析_氧化炉的出气口，常开端连接所 述第七三通电磁阀的常闭端；所述第七三通电磁阀的常开端连接所述第五三通电磁阀的常 开端，公共端连接所述第一流量检测器的出气口。所述载气气路系统中所有连接管路均可以采用不锈钢管或者硅橡胶管。所述解析_氧化炉的底部设置有一风机。所述解析-氧化炉包括外壳、解析炉和氧化炉，所述外壳内部填充有保温填充物； 所述解析炉设置在所述外壳内，且其中间部分被包裹在一电炉丝中；所述解析炉是由一主 管、一副管、一支管和一套在所述主管内的进样管组成的T型炉，所述进样管通过第一接头 与所述主管固定连接；所述主管和副管的连接处设置有一石英孔板，所述石英孔板的一侧 设置有一石英膜，所述石英膜通过所述进样管固定在所述主管中；所述支管中通过三通接 头固定一测温K型热电偶；所述氧化炉亦设置在所述外壳内，所述氧化炉由一外管和一内 部填充催化剂的内管组成，所述外管外部带有一长度为所述外管一半的小副管，所述小副管内放置有另一测温K型热电偶，所述外管被包裹在另一电炉丝中；所述解析炉的副管的 出气口依次通过第二接头、聚四氟乙烯复合管和第三接头与所述氧化炉的内管的进气口连 接。所述外壳是厚度为10毫米的铝板，内部的保温填充物为陶瓷纤维棉。所述解析炉的主管为外径20毫米的石英管，副管为外径8毫米的石英管，支管为 外径5毫米的石英管，进样管为外径16毫米的石英管，且所述支管与所述主管和副管之间 为75°角相交式连接。所述石英孔板是一均勻分布有6个小圆孔的圆环石英板，所述圆环石英板的内径 为5. 5毫米，外径为16毫米，小圆孔的直径为3毫米，所述石英孔板烧制在所述解析炉的 “T”型连接处的所述主管一侧。所述第一接头为聚四氟乙烯接头；所述三通接头、第二接头和第三接头均为内配 置聚四氟乙烯卡套的铜接头。所述采样_分析气路系统中从所述切割头到所述球阀之间的管路均采用不锈钢 管，剩余的管路均可以采用聚四氟乙烯管进行连接。所述电炉丝的工作电压为220V，功率为800-1000W，其外面套有陶瓷纤维套管，所 述电炉丝的加热控制采用比例微风积分算法+脉冲宽度调制技术。所述氧化炉中填充的催化剂为分析纯级、粒度范围在60-230目之间的二氧化锰。所述解析炉附近设置有一透射激光校正系统，所述透射激光校正系统包括一激光 发射器、一石英片、一滤光片和一激光信号检测器；所述激光发射器位于第二接头的外侧， 所述石英片通过0圈密封固定在所述第二接头内特设的凹槽中，所述滤光片通过0圈密封 固定在第四接头内特设的凹槽中；所述激光信号检测器固定在位于所述滤光片外侧的第四 接头内部，并且其中心与所述激光发射器的中心在同一直线。所述激光发射器采用中心发射波长660nm，功率50mW，发射频率1Hz的点状红外激 光发射器；所述滤光片为中心波长660nm，带宽20nm的滤光片；所述激光信号检测器为集成 芯片 0PT101。通过控制电路、数据采集卡和计算机三者结合，来实现对分采集分析仪的自动化 控制；所述控制电路为分采集分析仪中除所述NDIR检测器以外的所有硬件提供工作电压 和D0、DA控制信号，同时负责采集和放大相应的检测信号，以供所述数据采集卡进行A/D转 换，然后为所述计算机所读取和识别；所述NDIR检测器则直接与所述计算机进行通信。利用Visual Basic语言编写的计算机软件包括控制程序和数据处理程序两部分， 从而实现对采集分析仪的灵活、自动化的控制，以及对数据的实时采集和自动分析功能；所 述控制程序中嵌套有设定窗口和状态显示窗口，所述设定窗口能够方便用户进行参数的设 定和创新分析方法，所述状态显示窗口能够帮助用户了解采集分析仪的实时运行状态。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明采用质量流量控制器 控制采样的流量，能够根据使用的需要调节不同的采样流量，有利于研究不同污染程度下 气溶胶中的有机碳和元素碳。2、本发明采用包括减压阀、电磁阀、限流管、质量流量控制器 和流量检测器组成的气路系统，能够快速而且准确地控制仪器的每个分析状态的载气流 量，保证工作时候仪器内部压力的稳定，确保数据的准确可信。3、本发明由于自行设计了气 路系统，对每一种气体的使用进行合理的安排，不仅能够有效地实现仪器的正常分析工作，而且能够最高效果地起到节约载气的使用量。4、本发明采用自主设计的分离式解析-氧化 炉，不仅能够准确地控制解析炉和氧化炉的温度，互补干扰，而且分离式的结构有利于操作 者进行操作和维护。5、本发明采用二氧化锰作为催化剂，在870°C下对从样品中解析出来 的碳质组分进行催化氧化，能够保证所有含碳物质全部转化成为二氧化碳，从而被NDIR检 测器检测出来。6、本发明将计算机引入控制中，可以对整台仪器的在各种工作状态下进行 数据传输和控制，并且灵活和友好的控制程序可以使得操作者根据需要自主选择和设定参 数(如采样时间、升温程序、激光校正等)，而且得到的所有数据可以由计算机自动进行积 分计算，操作方便，应用灵活。7、本发明实用性强，运行成本低、管理方便，适用于实验室研 究和全国各地环境保护自动监测站的使用，能够获得更加真实和准确的大气气溶胶碳质组 分的数据。
图1是本发明的结构示意2是本发明解析_氧化炉的结构示意3是本发明透射激光校正系统的结构示意4是本发明的工作状态流程5是本发明自动化控制的示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明主要包括载气气路系统1和采样_分析气路系统2两个部分。本发明的载气气路系统1包括He气气路ll、He-purge (He-吹扫)气气路12、He/ Ox气气路13和He/CH4气气路14，其中:He气气路11由依次连接的减压阀110、两通电磁阀111、质量流量控制器112和 三通电磁阀113组成。质量流量控制器112的出气口连接三通电磁阀113的NO端(常开 端)，He气气路11主要用于控制主载气He气。He-purge气气路12由限流管120和流量检测器121组成，主要用于吹扫和作为旁 路气体的进行补充。He/Ox气气路13由依次连接的减压阀130、两通电磁阀131、三通电磁阀132、限流 管133和流量检测器134组成。三通电磁阀132的NO端连接两通电磁阀131，C端(公共 端)连接限流管133，NC端(常闭端)并联连接质量流量控制器112的进气口、两通电磁阀 111的出气口和限流管120的进气口。He/CH4气气路14由依次连接的减压阀140、两通电磁阀141、限流管142、流量检 测器143、三通电磁阀144、定量环145和三通电磁阀146组成。三通电磁阀144的NO端连 接流量检测器143的出气口，NC端并联连接流量检测器134的出气口和一压力传感器15， C端通过定量环145连接三通电磁阀146的C端。三通电磁阀146的N0端设置为CH4排空 端，NC端连接三通电磁阀113的NC端。定量环145为一段体积恒定的管路，用于定量He/ CH4气体，作为内标进行校准分析。上述实施例中，载气气路系统1中使用的He气为99. 99%高纯He气，He/Ox气为02体积浓度为10%的混合气，He/CH4为CH4体积浓度为5%的混合气。上述实施例中，载气气路系统1中所有连接管路均可以采用不锈钢管或者硅橡胶管。本发明的采样-分析气路系统2包括采样气路21、解析-氧化炉22和分析气路 23，解析-氧化炉22的底部设置有一风机24。其中采样气路21包括依次连接的切割头210、V0C(挥发性有机物)去除装置211和 球阀212，还包括依次连接的采样泵213、质量流量控制器214和三通电磁阀215。球阀212 的出气口并联连接三通电磁阀113的C端和解析-氧化炉22的进气口，然后通过解析-氧 化炉22上的支管连接三通电磁阀215的C端，三通电磁阀215的NC端连接质量流量控制 器214的进气口。切割头210可以根据研究需要配备相应切割粒径段的切割头，目前主要 使用PM2. 5切割头(PM2. 5表示空气动力学直径小于或等于2. 5微米的颗粒物)，从而将大 气气溶胶中粒径小于或等于2. 5微米的颗粒物分离出来，这是由于PM2. 5是目前大气气溶 胶中主要的研究对象，所要研究的碳质组分也主要集中在这个粒径段的颗粒物上。V0C去除 装置211的作用是去除V0C对所分析样品的干扰。分析气路23包括与解析-氧化炉22相连接的三通电磁阀231、 NDIR(Non-Dispersive Infra Red非色散红外光谱)检测器230和三通电磁阀232。NDIR 检测器230的进气口连接三通电磁阀231的NC端，三通电磁阀231的C端连接解析-氧化 炉22的出气口，NO端连接三通电磁阀232的NC端。三通电磁阀232的NO端连接三通电 磁阀215的NO端，C端连接流量检测器121的出气口。上述实施例中，采样-分析气路系统2是涉及采样和分析两个过程的气体路径。实 际操作中，大气气溶胶通过球阀212的控制进入解析-氧化炉22内参与采样过程，He、He/ Ox和He/CH4三路气体通过三通电磁阀113进入解析-氧化炉22内参与分析过程。He-purge 气通过三通电磁阀232和三通电磁阀231的控制进入解析-氧化炉22内参与分析过程。如图2所示，本发明的解析-氧化炉22包括外壳220、解析炉221和氧化炉222，外 壳220内部填充有保温填充物。解析炉221设置在外壳220内，且其中间部分被包裹在一 电炉丝223中。解析炉221是由一主管2211、一副管2212、一支管2213和一套在主管2211 内的进样管2214组成的T型炉，进样管2214通过接头224与主管2211固定连接。主管 2211和副管2212的连接处设置有一石英孔板2215，石英孔板2215的一侧设置有一石英膜 2216，石英膜2216通过进样管2214固定在主管2211中。支管2213中通过三通接头225固 定一测温K型热电偶226。氧化炉222亦设置在外壳220内，氧化炉222由一外管2221和 一内部填充催化剂的内管2222组成，外管2221外部带有一长度为外管2221 —半的小副管 2223，小副管2223内放置有一测温K型热电偶226，外管2221亦被包裹在一电炉丝223中。 解析炉221的副管2212的出气口依次通过接头227、聚四氟乙烯复合管228和接头228与 氧化炉222的内管2222的进气口连接。上述实施例中，外壳220是厚度为10毫米的铝板，内部的保温填充物为陶瓷纤维 棉，最高能够耐受1260°C的高温。上述实施例中，解析炉221的主管2211为外径20毫米的石英管，副管2212为外 径8毫米的石英管，支管2213为外径5毫米的石英管，进样管2214为外径16毫米的石英 管。支管2213与主管2211和副管2212之间为75°角相交式连接，使得测温K型热电偶226能够尽可能地更加靠近石英孔板2215，从而能够获得更加真实的紧贴在石英孔板2215 另一侧的石英膜2216的温度信息。上述实施例中，石英孔板2215是一均勻分布有6个小圆孔的圆环石英板，圆环石 英板的内径为5. 5毫米，外径为16毫米，小圆孔的直径为3毫米，石英孔板2215是烧制在 解析炉221的“T”型连接处的主管2211 —侧。石英孔板2215 —方面有利于均勻加热石英 膜2216，另一方面可对石英膜2216起支撑作用，以满足高流量条件下的空气气溶胶样品的 采集。上述实施例中，接头224为聚四氟乙烯接头；三通接头225、接头227和接头229均 为内配置聚四氟乙烯卡套的铜接头。上述实施例中，采样-分析气路系统中从切割头210到球阀212之间的管路均采 用不锈钢管，剩余的管路均可以采用聚四氟乙烯管进行连接。上述实施例中，电炉丝223采用工作电压220V，功率800-1000W的电炉丝，其外面 套有陶瓷纤维套管，能够耐受1400°C的高温，同时还可防止电炉丝缠绕可能带来的短路现 象。电炉丝223的加热控制采用比例微风积分(PID)算法+脉冲宽度调制(PWM)技术，使 得能够保证温度稳定控制在设定温度的士3°C范围内。上述实施例中，氧化炉222中填充的催化剂为分析纯级、粒度范围在60-230目之 间的二氧化锰，能够在870°C下保证较高的催化氧化效率，使得碳质成分完全转化C02，进而 被检测出来。如图3所示，本发明的解析炉221两头设置有一透射激光校正系统25，其采用激光 透射法对热解析得到的0C/EC浓度值进行校正的。该透射激光校正系统25包括一激光发 射器251、一石英片252、一滤光片253和一激光信号检测器254。激光发射器251位于接头 227的外侧，石英片252通过0圈固定在接头227内特设的凹槽内，滤光片253通过0圈固 定在接头255内特设的凹槽内，从而保证整个系统的密封性。激光信号检测器254固定在 位于滤光片253外侧的接头255内部，并且其中心与激光发射器251的中心在同一直线。上述实施例中，激光发射器251采用中心发射波长660nm，功率50mW，发射频率1Hz 的点状红外激光发射器，其发散光强集中，发散角度小。上述实施例中，滤光片253为中心波长660nm，带宽20nm的滤光片。上述实施例中，激光信号检测器254为集成芯片0PT101，能够灵敏地对660nm的激 光强度产生线性响应。上述实施例中，接头255为铝质接头，能够有效防止外界光对检测光产生的背景 干扰。如图5所示，本发明通过控制电路3、数据采集卡4和计算机5三者结合，来实现 对整台仪器的自动化控制。控制电路3为整台仪器中除NDIR检测器230以外的所有硬件 提供工作电压和D0、DA控制信号，同时负责采集和放大相应的检测信号，以供数据采集卡4 进行A/D转换，然后为计算机5所读取和识别。NDIR检测器230则直接与计算机5进行通
fn °数据采集卡4为北京宝创源科技有限公司生产的型号为BC411的数据采集卡，能 够实现对激光值、解析炉温度值、氧化炉温度值、气路系统压力、5种气体(采样空气、He载 气、He-purge载气、He/Ox载气和He/CH4内标气)信号的采集和AD转换，显示在程序界面上，实现DA转换对两个质量流量计的流速进行控制，同时还能进行控制10转化，实现对10 个电磁阀(3个两通电磁阀、7个三通电磁阀)、球阀212、激光发射器251、2个电炉丝223、风 机24和采样泵213的实时控制。本发明整个工作流程的控制程序和数值处理程序由Visual Basic语言编写，通过控制数据采集卡4和触发NDIR检测器230的数据采集，实现整台仪器 的自动采样、分析和数据记录分。控制程序还中嵌套有设定窗口和状态显示窗口，能够方便 用户创建新的分析方法和监控仪器的工作状态。本发明的工作原理是在纯He载气的非氧化环境下逐级加热解析炉221中紧贴在 石英孔板2215上的石英膜2216，石英膜2216上的0C会在高温下逐渐解析出来(还有一 部分被炭化)，被载气带到氧化炉222中在Mn02的催化氧化作用下，转化成为C02进入NDIR 检测器230进行检测。然后，在载气中加入He/02气，同时根据分析方法将解析炉221逐级 升温，此时石英膜2216上EC被氧化分解而逸出。解析出来的EC同样进入氧化炉222，在 Mn02的催化氧化反应转化成为C02，再利用NDIR检测器230进行检测。在整个的过程中，始 终将一束激光透过石英孔板2215的内圆孔打在石英膜2216上，利用其透射光在分析过程 中的恢复到分析开始前的初值的时候来确定0C、EC分割点(Splittime)，即此时刻之前检 出的认为碳是0C，之后检出的碳则是EC。如图4所示，本发明的工作过程包括1、采样过程。仪器根据操作者已设定的采样时间和采样流量，定点自动打开球阀 212，质量流量控制器214和采样泵213，设定三通电磁阀215处于NC状态进行采样，使得空 气中的颗粒物样品被采集到放置在解析炉221中的石英膜2216上。同时，开启两通电磁阀 111，控制三通电磁阀231、232分别处于NC、N0的状态，使得有He-purge气流经解析炉-氧 化炉22再进入采样泵213，以保证在整个工作过程中氧化炉222始终处于干燥环境下，防止 空气中的水汽影响其中的催化剂。采样过程中，氧化炉222的温度保持500°C不变。2、载气(He+He-purge)吹扫过程。仪器根据程序设定，定点自动关闭球阀212，质 量流量控制器214和采样泵213，结束采样过程。开启两通电磁阀111，质量流量计112，控 制三通电磁阀113、215、231、232分别处于N0、N0、N0、N0的状态。He载气经过减压阀110、 两通电磁阀111和质量流量计112的控制，获得一定的流量。同时，控制两通电磁阀131处 于关闭状态、三通电磁阀132处于NC状态，使得He载气被分流进入He/Ox气气路，经限流 管133、流量检测器134与质量流量控制器112控制的一路He载气汇合，通过三通电磁阀 113进入解析炉221。He-purge气经限流管120，流量检测器121、三通电磁阀232、三通电 磁阀215进入解析炉221与He气汇合后经过氧化炉222，通过三通电磁阀231就进入NDIR 检测器230。吹扫的过程持续3min，以保证整个载气气路系统1处于纯He的非氧化环境， 才可以开始分析过程。吹扫过程中，氧化炉222在电炉丝223的加热下开始升温，并稳定在 870 °C左右。3、非氧化环境(He+He-purge)下0C分析过程。吹扫过程结束后，阀与质量流量控 制器的的状态不变，即在总载气流量和气路流向不变的纯He非氧化环境下开始0C的分析 过程。此时，解析炉221根据已有或者操作者自主设定的升温方法，开始逐渐升温，采集到 石英膜2216上的颗粒物种的0C被解析出来，氧化炉222的温度保持在870°C左右，解析出 的0C在氧化炉222中转化成为C02，之后进入NDIR检测器230被检测出来。4、氧化环境下(He+He-purge+He/Ox)EC分析过程。0C分析结束后，通过打开两通电磁阀131，控制三通电磁阀132处于NO状态，将非氧化过程中流经限流管133和流量检 测器134中的气体由He气转化成为He/Ox气，质量流量控制器112与两通电磁阀111的状 态不变。该状态下，He气和He/Ox气在气路中混合后经过三通电磁阀113进入解析炉221， He-purge气路保持不变。此时，解析炉221继续升温，石英膜2216上的EC被解析出来，进 入氧化炉222转化成C02，最后进入NDIR检测器230被检测出来。在EC分析过程的最后30-60s内，程序通过控制两通电磁阀141开启，三通电磁阀 144、146处于NO状态使得内标气He/CH4经过限流管142的限流，注入到定量环145中，并 充满。5、CH4内标分析过程。EC分析过程结束后，关闭两通电磁阀141、控制三通电磁阀 144、146、113均处于NC状态，其他阀状态不变。此时，He和He/Ox混合后经过三通电磁阀 144、146将定量环145中的He/CH4S出，经过三通电磁阀113的NC端口进入解析炉221， He-purge气路不变。此时，启动风机24，解析炉221开始降温，带有内标的气体进入氧化炉 222转化成为C02，再经过三通电磁阀231进入NDIR检测器230被检测出来。6、降温过程。CH4内标分析过程结束后，关闭两通电磁阀131，控制三通电磁阀144、 146、113处于N0状态，三通电磁阀132处于NC状态，载气变为He气，流进解析-氧化炉22， 进入NDIR检测器230。He-purge气路保持不变。此时，风机24仍旧开启，解析炉221继续 降温，直到温度降低到90°C以下，关闭风机24。等待时间，进行下一个采样_分析过程。本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有 所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同 变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于它包括载气气路系统和采样 分析气路系统两个部分；所述载气气路系统包括He气气路、He purge气气路、He/Ox气气路和He/CH4气气路所述He气气路由依次连接的第一减压阀、第一两通电磁阀、第一质量流量控制器和第一三通电磁阀组成；所述第一质量流量控制器的出气口连接所述第一三通电磁阀的常开端；所述He purge气气路由第一限流管和第一流量检测器组成；所述He/Ox气气路由依次连接的第二减压阀、第二两通电磁阀、第二三通电磁阀、第二限流管和第二流量检测器组成；所述第二三通电磁阀的常开端连接所述第二两通电磁阀，公共端连接第二限流管，常闭端并联连接所述第一质量流量控制器的进气口、第一两通电磁阀的出气口和第一限流管的进气口；所述He/CH4气气路由依次连接的第三减压阀、第三两通电磁阀、第三限流管、第三流量检测器、第三三通电磁阀、定量环和第四三通电磁阀组成；所述第三三通电磁阀的常开端连接所述第三流量检测器的出气口，常闭端并联连接所述第二流量检测器的出气口和一压力传感器，公共端通过所述定量环连接所述第四三通电磁阀的公共端；所述第四三通电磁阀的常开端设置为CH4排空端，常闭端连接所述第一三通电磁阀的常闭端；所述采样 分析气路系统包括采样气路和分析气路所述采样气路包括依次连接的切割头、VOC去除装置、球阀和解析 氧化炉，还包括依次连接的采样泵、第二质量流量控制器和第五三通电磁阀；所述球阀的出气口并联连接所述第一三通电磁阀的公共端和所述解析 氧化炉的进气口，然后通过所述解析 氧化炉上的支管连接所述第五三通电磁阀的公共端，所述第五三通电磁阀的常闭端连接所述第二质量流量控制器的进气口；所述分析气路包括与所述解析 氧化炉相连接的第六三通电磁阀、NDIR检测器和第七三通电磁阀；所述NDIR检测器的进气口连接所述第六三通电磁阀的常闭端，所述第六三通电磁阀的公共端连接所述解析 氧化炉的出气口，常开端连接所述第七三通电磁阀的常闭端；所述第七三通电磁阀的常开端连接所述第五三通电磁阀的常开端，公共端连接所述第一流量检测器的出气口。
2.如权利要求1所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于所述载气 气路系统中所有连接管路均可以采用不锈钢管或者硅橡胶管。
3.如如权利要求1所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于所述解 析_氧化炉的底部设置有一风机。
4.如如权利要求2所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于所述解 析_氧化炉的底部设置有一风机。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在 于所述解析-氧化炉包括外壳、解析炉和氧化炉，所述外壳内部填充有保温填充物；所述 解析炉设置在所述外壳内，且其中间部分被包裹在一电炉丝中；所述解析炉是由一主管、一 副管、一支管和一套在所述主管内的进样管组成的T型炉，所述进样管通过第一接头与所 述主管固定连接；所述主管和副管的连接处设置有一石英孔板，所述石英孔板的一侧设置 有一石英膜，所述石英膜通过所述进样管固定在所述主管中；所述支管中通过三通接头固定一测温K型热电偶；所述氧化炉亦设置在所述外壳内，所述氧化炉由一外管和一内部填 充催化剂的内管组成，所述外管外部带有一长度为所述外管一半的小副管，所述小副管内 放置有另一测温K型热电偶，所述外管被包裹在另一电炉丝中；所述解析炉的副管的出气 口依次通过第二接头、聚四氟乙烯复合管和第三接头与所述氧化炉的内管的进气口连接。
6.如权利要求5所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于所述外壳 是厚度为10毫米的铝板，内部的保温填充物为陶瓷纤维棉。
7.如权利要求5或6所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于所述 解析炉的主管为外径20毫米的石英管，副管为外径8毫米的石英管，支管为外径5毫米的 石英管，进样管为外径16毫米的石英管，且所述支管与所述主管和副管之间为75°角相交 式连接。
8.如权利要求5或6或7所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于 所述石英孔板是一均勻分布有6个小圆孔的圆环石英板，所述圆环石英板的内径为5. 5毫 米，外径为16毫米，小圆孔的直径为3毫米，所述石英孔板烧制在所述解析炉的“T”型连接 处的所述主管一侧。
9.如权利要求5或6或7或8所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在 于所述第一接头为聚四氟乙烯接头；所述三通接头、第二接头和第三接头均为内配置聚 四氟乙烯卡套的铜接头。
10.如权利要求5 9任一所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于 所述采样_分析气路系统中从所述切割头到所述球阀之间的管路均采用不锈钢管，剩余的 管路均可以采用聚四氟乙烯管进行连接。
11.如权利要求5 10任一所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于 所述电炉丝的工作电压为220V，功率为800-1000W，其外面套有陶瓷纤维套管，所述电炉丝 的加热控制采用比例微风积分算法+脉冲宽度调制技术。
12.如权利要求5 11任一所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于 所述氧化炉中填充的催化剂为分析纯级、粒度范围在60-230目之间的二氧化锰。
13.如权利要求5 12任一所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在 于所述解析炉附近设置有一透射激光校正系统，所述透射激光校正系统包括一激光发射 器、一石英片、一滤光片和一激光信号检测器；所述激光发射器位于第二接头的外侧，所述 石英片通过0圈密封固定在所述第二接头内特设的凹槽中，所述滤光片通过0圈密封固定 在第四接头内特设的凹槽中；所述激光信号检测器固定在位于所述滤光片外侧的第四接头 内部，并且其中心与所述激光发射器的中心在同一直线。
14.如权利要求13所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于所述激 光发射器采用中心发射波长660nm，功率50mW，发射频率IHz的点状红外激光发射器；所述 滤光片为中心波长660nm，带宽20nm的滤光片；所述激光信号检测器为集成芯片0PT101。
15.如权利要求1 14所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于通 过控制电路、数据采集卡和计算机三者结合，来实现对分采集分析仪的自动化控制；所述控 制电路为分采集分析仪中除所述NDIR检测器以外的所有硬件提供工作电压和DO、DA控制 信号，同时负责采集和放大相应的检测信号，以供所述数据采集卡进行A/D转换，然后为所 述计算机所读取和识别；所述NDIR检测器则直接与所述计算机进行通信。
16.如权利要求15所述的一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于利用 Visual Basic语言编写的计算机软件包括控制程序和数据处理程序两部分，从而实现对采 集分析仪的灵活、自动化的控制，以及对数据的实时采集和自动分析功能；所述控制程序中 嵌套有设定窗口和状态显示窗口，所述设定窗口能够方便用户进行参数的设定和创新分析 方法，所述状态显示窗口能够帮助用户了解采集分析仪的实时运行状态。
全文摘要
本发明涉及一种在线气溶胶碳质组分采集分析仪，其特征在于它包括载气气路系统和采样-分析气路系统两个部分；所述载气气路系统包括He气气路、He-purge气气路、He/Ox气气路和He/CH4气气路所述采样-分析气路系统包括采样气路、解析-氧化炉和分析气路本发明能够连续在线采集大气气溶胶样品，并且根据需要选择或者自主设定升温程序，利用激光透射法校正法来实现大气气溶胶中碳质组分分析。本发明实用性强，运行成本低，管理方便，适用于实验室研究和全国各地环境保护自动监测站的使用，能够获得更加真实和准确的大气气溶胶碳质组分的数据。
文档编号G01N21/35GK101949835SQ20101024918
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者刘巧铃, 曾立民 申请人:北京大学