一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备的制造方法与工艺

本发明涉及一种环境检测仪器设备，特别是关于一种在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备。

背景技术：
有机碳和元素碳是PM2.5的主要组成成分之一，因其破坏地球辐射平衡、影响全球气候、降低城市能见度、危害人类健康，是大气气溶胶领域的重点研究内容。元素碳可吸收从紫外到红外的光线，越来越多的报道也认为元素碳会对全球变暖有明显作用，会影响全球气候；大气中PM2.5会随人体的呼吸进入肺泡，甚至会进入人体血液循环系统，严重危害人体健康。大气气溶胶特别是细颗粒物PM2.5中，碳质组分的质量浓度约占10～70％，可分为三类，有机碳、元素碳和碳酸盐；通常碳酸盐质量浓度远小于有机碳和元素碳。有机碳和元素碳的分析技术有热学法、光学法和热光法。热学分析法是根据有机碳、元素碳的挥发及消解温度特性的不同，通过控制升温曲线使两者依次逐步挥发或消解，再对消解产物进行检测。热学法设备简单，容易操作，但是热学分析法无法解决有机碳和元素碳的分割问题，给测量带来的不准确性。光学法主要用于元素碳的测定，难以测定有机碳。热光法在热学法的基础上增加光学的校准，利用有机碳和元素碳光学吸收系数的差异，能够对有机碳在加热中炭化成元素碳部分进行有效的校准，从而测定更加科学、客观。目前，用于大气PM2.5中有机碳/元素碳浓度测定的设备主要有两种，美国Sunset实验室的在线有机碳/元素碳监测仪和美国DRI公司的有机碳/元素碳分析仪。DRI公司的分析仪是离线分析仪，采样后把采样石英膜人工放入分析仪中检测有机碳/元素碳，主要应用于科研、实验室，美国Sunset的设备可实现有机碳/元素碳的在线监测。这两种设备都采用热光法技术，DRI公司采用“Y”型光纤可同时测定采样石英滤膜透射光和反射光，能全面反映样品在升温中有机碳的炭化信息，有机碳/元素碳的区分更科学、客观，但无法应用于在线监测设备；Sunset的在线监测设备仅仅实现了采样石英滤膜透射光的检测，无法测定采样石英滤膜的反射光，限制了其应用领域。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种利用热光法在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，一种新颖的正交光路系统首次应用于PM2.5有机碳/元素碳浓度的监测设备，可同时实现入射激光、采样石英滤膜反射光和透射光光强的检测，可以更准确实现有机碳和元素碳的分割。本发明描述的一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，其工作原理是通过PM2.5切割头实现大气颗粒物粒径的筛选，将PM2.5试样采集到石英滤膜上，承载试样的石英滤膜先后在He气环境和He/O2气体环境下依次按照设定温度梯度升温，完成试样的消解。高温下有机碳在He气环境下部分气化，部分碳化称为裂解碳，元素碳及之前生成的裂解碳在He/O2环境下氧化成气体；上述过程生成的气体依次通过氧化炉，在二氧化锰催化氧化下变为二氧化碳，通过非色散红外检测器测定浓度。一种正交光路系统首次应用于PM2.5有机碳/元素碳浓度的监测设备用于实现有机碳/元素碳的分割，该正交光路在前述试样消解过程中，可同时测定激光入射光强，石英滤膜透射光和反射光的光强。在试样消解过程中，随着部分有机碳的碳化，反射光和透射光会逐步变弱，在有氧环境下随着裂解碳的逐步氧化，反射光和透射光逐步恢复到原来光强的时刻，则作为有机碳和元素碳的分割点，即此刻之前石英滤膜上逸出的碳被认为是有机碳，之后的碳被认为是元素碳。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，包括在线采样单元，试样处理和检测单元、正交光路系统，其中采样单元包括真空泵，质量流量控制器，石英滤膜，球阀，可挥发有机物溶蚀器，PM2.5切割头等；试样处理和检测单元包括消解炉，氧化炉，气路控制网络，载气气源，非色散红外检测器；正交光路系统包括激光器、分光片、参比光路光电检测单元，石英滤膜透射光路光电检测单元及反射光路光电检测单元；需要高纯He，5％的O2/He和5％的CH4/He三种气体由气路阀网络控制，通过单片机完成控制。本发明所采用的新颖的正交光路系统中，激光器，参比光路光电检测单元，透射光路光电检测单元和反射光路光电检测单元成十字分布，激光器激光光轴与参比光路光电检测单元轴线重叠，透射光路光电检测单元和反射光路光电检测单元轴线重叠，两个轴线垂直正交，分光片在两个轴线的交点，与两个轴线的平面垂直，与激光器发出的激光成45度夹角。激光器发出的激光入射到分光片后，部分光线透过分光片后角度不变，入射到参比光路光电检测单元，称为参比光；其他光线在分发片表面反射旋转90度后，垂直入射到采样石英滤膜，称为入射光。一部分入射光会透光滤膜，可由透射光路光电检测单元检测其光强度；一部分入射光会被光滤膜反射，反射的光线会部分透过分光片后由反射光路光电检测单元检测其光强度。反射光强和透射光强受采样石英滤膜上裂解碳和元素碳的含量影响，也与入射光强成线性关系，参比光与入射光强成固定比例，通过参比光路的修正，可基本上消除光源波动的影响，从而反射光强和透射光强仅受采样石英滤膜上裂解碳和元素碳含量的影响；反射光主要受滤膜表面浅层裂解碳和元素碳含量的影响，透射光受整层滤膜裂解碳和元素碳含量的影响。该光路可同时实现热光法透射和热光法反射有机碳/元素碳分割技术，在应用中可更全面，准确实现有机碳/元素碳的分割，也为PM2.5有机碳/元素碳检测的基础研究提供了良好的平台。在该正交光路系统中，分光片可实现反射与透射按一定比例分光，反射光/透射光的比例可以为3∶7～7∶3。在正交光路系统中所述的激光器采用点状激光二极管，激光中心波长650nm，功率30mW，并通过方波调制，调制频率1Hz；所述的参比光路光电检测单元，透射光路光电检测单元和反射光路光电检测单元都由窄带干涉滤光片，球面聚光透镜和光电检测器组成，窄带干涉滤光片中心波长650nm，半峰宽15nm。本发明所描述的设备中，其采样单元包括PM2.5切割头，真空泵，质量流量控制器，石英滤膜，球阀，可挥发有机物溶蚀器实现样品的在线采集；真空泵提供负压用于驱动气体，质量流量控制器实现稳定的气体标准状态体积流速，PM2.5切割头完成空气颗粒物的筛选，仅等效粒径小于2.5微米的细颗粒通过切割头，空气中的可挥发有机物由溶蚀器吸附，PM2.5样品被采集到石英滤膜上；通过一定时间的采样，可计算出通过石英滤膜气体在标准状态下的体积。采样石英滤膜安装于消解炉的石英容器中，采样石英滤膜可反复多次使用，并可更换。本发明所述的设备中，其试样处理和检测单元包括消解炉，氧化炉，气路控制网络，载气气源，非色散红外检测器。所述消解炉由石英容器，石英副管，高温加热丝，耐火砖衬层，k型热电偶，外壳，风扇，排气通道组成。石英容器由一个带密封光窗的外径12mm石英管和三个开口的石英管组成，与封口石英管同轴的是外径22mm，壁厚2mm的石英管，石英管非开口端有一环形台阶，用于安装石英滤膜；石英副管外径18mm，壁厚1mm，套在前述石英管的内部，并通过聚四氟乙烯接头把石英副管与石英容器主管固定，把石英滤膜挤压在石英副管和石英容器环形台阶之间，并保证石英容器主管与石英副管之间的气密性。高温加热丝螺旋缠绕在石英容器中部的外壁，K型热电偶传感器安装在石英容器内，距石英滤膜表面约1mm的位置。外壳是壁厚4mm的铝板，内表面衬厚8mm的耐火砖。消解炉底板开孔，外面安装吹风风扇，消解炉顶板也开孔外面安装水平的排风通道。所述氧化炉包括石英催化室，K型热电偶，高温加热丝，外壳组成，石英催化室是一根两端外径6mm，中部吹涨为外径12mm的石英管，中部膨大部分装满60目的二氧化锰催化剂，一端弯曲90度，两端都伸出外壳60mm。高温加热丝螺旋缠绕在石英管中部，热电偶紧贴管外壁安装，外壳是厚度为4mm铝板，内部用陶瓷纤维棉填满。所述高温加热丝，工作电压为220V，功率为600-1200W，其外面套有陶瓷纤维套管。消解炉与氧化炉分开，无热传导干扰，气路部门通过T型接头连接，T型接头剩下的一端接一个二位三通电磁阀，可通入He/O2混合气体。本发明所述的设备需要高纯He，5％的O2/He和5％的CH4/He三种气体，三种高压气体分别通过高压减压阀、次减压阀减压到1.2～3个大气压，三种气体由气路阀网络控制。气体阀网络由一个球阀，三个二通阀，四个三通二位阀，五个质量流量控制器和一个取样环构成，有效实现气体的定时、定流量控制。He气减压后分成两路，都有独立的质量流量控制器控制其流量；5％的O2/He和5％的CH4/He也都有独立的质量流量控制器，从而形成四路流量可控制气路气源。气体取样环进气口和出气口分别接两个三通二位阀的公共端，进气口三通阀另外两路分别接CH4/He内标气体和He载气，出气口三通阀另外两路分别接排气口和消解炉入口。氧化炉出气管通过一个二通阀后接三通二位阀的公共端，三通二位阀的选通端分别接非色散红外检测器和排气口本发明所述的设备中，切割头与消解炉之间的气路管路均采用不锈钢管连接，剩余的气路均采用聚四氟乙烯管进行连接。本发明所述的设备通过单片机完成控制，包括通过RS232控制和读取二氧化碳检测器，通过5路DA设定质量流量控制器的流速，通过5路AD读取实时的气路流速，3路AD读取透射光路，反射光路和参比光路的光电传感器信号强度，通过I/O口输出来控制8个气路电磁阀，激光驱动及调整以及三路光电信号的读取，通过I/O口输出控制固态继电器进而控制真空泵，消解炉加热，氧化炉加热等；单片机还通过RS232上位机通讯。利用VisualBasic语言编写的上位机软件，可实现对数据的实时采集、自动分析、数据存储、显示、以及仪器控制等功能；所述控制程序中有参数设定窗口和状态显示窗口，所述参数设定窗口能够方便用户进行参数的设定和自定义分析方法的实现，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。本发明的优点在于，采用正交光路系统，可同时实现入射激光、采样石英滤膜反射光和透射光光强的检测，从而更准确实现有机碳和元素碳的分割。附图说明图1，本发明的基于的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备的结构示意图图2，本发明的正交光路的结构示意图具体实施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，本发明的一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，包括在线采样单元，试样处理和检测单元、正交光路系统，其中采样单元包括真空泵1，质量流量控制器MFC1，石英滤膜33，球阀15，可挥发有机物溶蚀器14，PM2.5切割头13等；试样处理和检测单元包括消解炉...