一种移动源排放污染气体快速检测系统及检测方法与流程

本发明涉及排气污染气体检测技术领域，具体涉及一种移动源排放污染气体快速检测系统及检测方法。

背景技术

近年来，我国移动源污染问题较为突出，其中由柴油发动机提供动力的机动车和非道路工程机械排放的氮氧化物占城市移动源排放总量的70％以上，柴油货车排放超标现象普遍，现有的柴油车尾气检测设备主要以不透光烟度检测为主，针对柴油发动机排气污染物检测的设备很少，并且是以电化学方法进行检测，缺点是使用寿命短，反应速度慢，检测污染气体品种较少。

技术实现要素：

本发明的目的即在于克服现有技术不足，提供一种移动源排放污染气体快速检测系统及检测方法，解决现有的柴油车尾气检测设备主要以不透光烟度检测为主，针对柴油发动机排气污染物检测的设备很少，并且是以电化学方法进行检测，缺点是使用寿命短，反应速度慢，检测污染气体品种较少的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种移动源排放污染气体快速检测系统，包括前置过滤器、精密过滤器、恒温气体吸收池、多波长光源、光谱仪、真空泵、气压传感器和主控单元，所述前置过滤器一端连接仪器进气口作为待测样气的输入口，所述前置过滤器的另外一端通过气管连接到精密过滤器的进气口，所述精密过滤器的出气口通过气管连接到恒温气体吸收池的进气口，所述恒温气体吸收池的出气口通过气管连接到一个三通上，所述三通的另外两个通道分别通过气管连接到真空泵的进气口和气压传感器的感应端，所述主控单元分别与光谱仪、真空泵和气压传感器连接实现控制及数据采集，所述多波长光源设置在恒温气体吸收池一侧用来发出测量用光束，所述光谱仪设置在恒温气体吸收池另一侧用来采集测量多波长光源对恒温气体吸收池内排气的光谱数据。

气压传感器用来监测测量通道的压力，并将压力值发送给主控单元。主控单元用来实现控制和数据采集，由嵌入式主板和控制电路板构成，嵌入式主板连接触摸屏、光谱仪、微型打印机和控制电路板，控制电路板连接恒温气体吸收池、真空泵和气压传感器。触摸屏既作为仪器的控制输入，又作为仪器工作状态及测量结果的显示输出。微型打印机用来打印测量结果。

进一步的，所述真空泵上设有排气口，通过排气口将被检测过的气体排出。

进一步的，还包括有触摸屏，所述触摸屏与主控单元控制连接，触摸屏既作为仪器的控制输入，又作为仪器工作状态及测量结果的显示输出。

进一步的，还包括有微型打印机，微型打印机与主控单元控制连接将测量结果打印出来。

进一步的，所述主控单元由嵌入式主板和控制电路板构成，其中嵌入式主板连接触摸屏、光谱仪、微型打印机和控制电路板，所述控制电路板连接恒温气体吸收池、真空泵和气压传感器。

进一步的，所述恒温气体吸收池包括吸收池腔体，准直透镜，聚焦透镜，自控温加热器，保温层和温度传感器，所述自控温加热器采用的是24v/110℃恒温的ptc加热器，自控温加热器紧贴吸收池腔体上，温度传感器紧贴吸收池腔体上安装，所述吸收池腔体、温度传感器和自控温加热器外层包裹保温层减少热量的散发，准直透镜将多波长光源发射的测量光束准直成平行光穿过吸收池腔体内部的测量通道，然后经聚焦透镜会聚后，射入光谱仪。

进一步的，所述多波长光源的出射口、恒温气体吸收池的准直透镜和聚焦透镜、光谱仪4的入射口需安装调试到中心同轴。

进一步的，所述多波长光源用来发出测量用光束，其波长范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，多波长光源可是单一发光器，多波长光源也可由多个发光器组合而成。

本发明通过下述另一技术方案实现：

一种移动源排放污染气体快速检测方法，包括步骤：

开机后开始预热，主控单元从温度传感器获取恒温气体吸收池的温度值，当温度值达到100℃以上时进入就绪状态，等待测量；

仪器进入就绪状态后，当准备对样气进行测量时，在触摸屏上进行相应操作，主控单元收到命令后启动测量，控制真空泵通电工作，样气被持续抽入气路中，样气通过前置过滤器后滤除了大颗粒物，再通过精密过滤器后滤除了小颗粒物，防止进入恒温气体吸收池的待测气体污染吸收池腔体、准直透镜和聚焦透镜，多波长光源发出的测量光束穿过恒温气体吸收池测量通道中的待测气体后，射入光谱仪中，光谱仪将采集到的光谱数据信息发送给主控单元，主控单元分别对光谱中波长位置的数据进行分析计算，反演出排气的浓度值，测量结果被自动记录在存储器中，同时触摸屏上会实时显示各个部件的工作状态及测量结果信息；

若需打印则启动微型打印机将测量结果打印出来。

进一步的，主控单元通过采集气压传感器的数据，实时判断气路堵塞程度，当测量通道压力下降在限值范围内时，主控单元将根据压力值的变化情况对污染气体浓度的测量结果进行相应补偿，仪器仍然正常工作。当测量通道压力下降超过限值时，主控单元将自动关闭真空泵，停止抽气，并在触摸屏上显示提示信息，此时需检查前置过滤器和精密过滤器，确定更换其中1个或2个同时更换。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种移动源排放污染气体快速检测系统及检测方法，采用光谱吸收原理实现柴油发动机排气污染物的检测，具有使用寿命长，测量速度快，可同时测量多种气体的特点。

恒温气体吸收池由吸收池腔体，透镜，自控温加热器，温度传感器，保温层组成。其整体温度保持在100℃以上，可防止因水汽凝结而对测量造成影响。

光谱仪用来采集测量光谱数据，其光谱探测范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，并且这些波长也在多波长光源的发光光谱范围以内。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种移动源排放污染气体快速检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的恒温气体吸收池结构示意图；

图3为本发明实施例所述的多波长光源结构示意图；

图4为本发明实施例所述的主控单元结构示意图；

图5为本发明控制电路板的电路原理示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-前置过滤器，2-精密过滤器，3-恒温气体吸收池，31-吸收池腔体，32-准直透镜，33-聚焦透镜，34-自控温加热器，35-保温层，36-温度传感器，4-多波长光源，5-光谱仪，6-真空泵，7-气压传感器，8-主控单元，81-嵌入式主板，82-控制电路板，9-触摸屏，10-微型打印机，11-仪器进气口，12-三通，13-排气口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1-4所示，本发明一种移动源排放污染气体快速检测系统，包括前置过滤器1、精密过滤器2、恒温气体吸收池3、多波长光源5、光谱仪4、真空泵6、气压传感器7和主控单元8，所述前置过滤器1一端连接仪器进气口11作为待测样气的输入口，所述前置过滤器1的另外一端通过气管连接到精密过滤器2的进气口，前置过滤器用于将样气中较大颗粒物滤除。所述精密过滤器2的出气口通过气管连接到恒温气体吸收池3的进气口，精密过滤器用于将样气中微小颗粒物滤除，过滤空隙不大于5微米。所述恒温气体吸收池3的出气口通过气管连接到一个三通12上，恒温气体吸收池由吸收池腔体，透镜，自控温加热器，温度传感器，保温层组成。其整体温度保持在100℃以上，可防止因水汽凝结而对测量造成影响。所述三通12的另外两个通道分别通过气管连接到真空泵6的进气口和气压传感器7的感应端，真空泵用来将样气吸入测量通道。所述主控单元8分别与光谱仪4、真空泵6和气压传感器7连接实现控制及数据采集，所述多波长光源5设置在恒温气体吸收池3一侧用来发出测量用光束，多波长光源用来发出测量用光束，其波长范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，此光源可以是单一发光器，也可以由多个发光器组合而成。所述光谱仪4设置在恒温气体吸收池3另一侧用来采集测量多波长光源5对恒温气体吸收池3内排气的光谱数据。光谱仪用来采集测量光谱数据，其光谱探测范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，并且这些波长也在多波长光源的发光光谱范围以内。

气压传感器用来监测测量通道的压力，并将压力值发送给主控单元。主控单元用来实现控制和数据采集，由嵌入式主板和控制电路板构成，嵌入式主板连接触摸屏、光谱仪、微型打印机和控制电路板，控制电路板连接恒温气体吸收池、真空泵和气压传感器。触摸屏既作为仪器的控制输入，又作为仪器工作状态及测量结果的显示输出。微型打印机用来打印测量结果。

真空泵6上设有排气口13，通过排气口13将被检测过的气体排出。还包括有触摸屏9，所述触摸屏9与主控单元8控制连接，触摸屏9既作为仪器的控制输入，又作为仪器工作状态及测量结果的显示输出。还包括有微型打印机10，微型打印机10与主控单元8控制连接将测量结果打印出来。

述主控单元8由嵌入式主板81和控制电路板82构成，其中嵌入式主板81连接触摸屏9、光谱仪4、微型打印机10和控制电路板82，所述控制电路板82连接恒温气体吸收池3、真空泵6和气压传感器7。其中：嵌入式主板81的型号为mio-5350，主要包含2个usb接口、2个rs232串行接口、平板显示器接口等。其中，平板显示器接口和其中一个usb接口用于和触摸屏9连接；另外一个usb接口用于和光谱仪4连接；其中一个rs232串行接口用于和微型打印机10连接；另外一个rs232接口用于和控制电路板82连接。

控制电路板82的电路原理示意图5如下：其中，通信单元与嵌入式主板81连接；气泵控制单元与真空泵6连接；气压采集单元与气压传感器7连接；温度控制单元与恒温气体吸收池3连接。

所述恒温气体吸收池3包括吸收池腔体31，准直透镜32，聚焦透镜33，自控温加热器34，保温层35和温度传感器36，所述自控温加热器34采用的是24v/110℃恒温的ptc加热器，自控温加热器34紧贴吸收池腔体31上，温度传感器36紧贴吸收池腔体31上安装，所述吸收池腔体31、温度传感器36和自控温加热器34外层包裹保温层35减少热量的散发，准直透镜32将多波长光源5发射的测量光束准直成平行光穿过吸收池腔体31内部的测量通道，然后经聚焦透镜33会聚后，射入光谱仪4。吸收池腔体采用不锈钢材料制成。

所述多波长光源5的出射口、恒温气体吸收池3的准直透镜32和聚焦透镜33、光谱仪4的入射口需安装调试到中心同轴。

所述多波长光源5用来发出测量用光束，其波长范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，多波长光源5可是单一发光器，多波长光源5也可由多个发光器组合而成。

如图2所示，恒温气体吸收池3由吸收池腔体31，准直透镜32，聚焦透镜33，自控温加热器34，温度传感器36，保温层35组成。自控温加热器34采用的是24v/110℃恒温的ptc加热器，紧贴吸收池腔体31上，可根据需要在不同位置安装多个，温度传感器36紧贴吸收池腔体31上安装，吸收池腔体31、温度传感器36和自控温加热器34外层包裹保温层35，能够减少热量的散发，这样处理之后的吸收池，其内部温度可保持在100℃以上，可有效防止水汽凝结。准直透镜32将多波长光源5发射的测量光束准直成平行光穿过吸收池腔体31内部的测量通道，然后经聚焦透镜33会聚后，射入光谱仪4。

多波长光源5用来发出测量用光束，其波长范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，本实施例测量目标污染气体有no，no2，nh3和so2，no测量对应的特征吸收波长为226nm，nh3测量对应的特征吸收波长为204.5nm，so2测量对应的特征吸收波长为217nm，no2测量对应的特征吸收波长为439nm。多波长光源5可以是单一发光器，如氙灯，其发光波长范围从190nm到1100nm，满足测量需要；多波长光源5也可以由多个发光器组合而成，如图3所示，氘灯51和紫色发光二极管52发出的光，分别经镜片53透射和反射后组合成一束光，氘灯51发光波长范围从160nm到400nm，紫色发光二极管52发光波长范围从420nm到460nm，组合后的光源满足测量需要。另外，本实施例只是用到了这些目标污染气体的一个特征吸收波长，若用其他特征吸收波长也同样可以实现测量，不一一进行描述，同样在可用的波长范围内也能够进行其他气体的探测，本实施例只是测量了其中4种气体而已。

光谱仪4用来采集测量光谱数据，其光谱探测范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，并且这些波长也在多波长光源的发光光谱范围以内，本实施例所用的特征吸收波长为204.5nm、217nm、226nm和439nm，选择的光谱仪具体为海洋光学公司的sts-uv型，其探测波长范围190nm到650nm，完全覆盖了上述4个波长，当然也可以选择其他厂家其他型号的光谱仪来完成设计。

主控单元8采集光谱仪4发来的测量光谱数据，通过分析计算出样气中所含目标污染气体浓度；采集气压传感器7发来的测量通道压力数据，对气体浓度的计算结果进行补偿校正，同时当压力值低于某个限值时，可以产生堵塞报警或其他异常响应；将仪器工作状态及测量结果输出到触摸屏9显示，需要时可以通过微型打印机10打印测量结果。

本发明一种移动源排放污染气体快速检测系统，仪器的具体工作过程描述如下：

开机后开始预热，主控单元8从温度传感器36获取恒温气体吸收池3的温度值，当温度值达到100℃以上时进入就绪状态，等待测量；

仪器进入就绪状态后，当准备对样气进行测量时，在触摸屏9上进行相应操作，主控单元8收到命令后启动测量，控制真空泵6通电工作，样气被持续抽入气路中，样气通过前置过滤器1后滤除了大颗粒物，再通过精密过滤器2后滤除了小颗粒物，防止进入恒温气体吸收池3的待测气体污染吸收池腔体31、准直透镜32和聚焦透镜33，多波长光源5发出的测量光束穿过恒温气体吸收池3测量通道中的待测气体后，射入光谱仪4中，光谱仪4将采集到的光谱数据信息发送给主控单元8，主控单元8分别对光谱中波长位置的数据进行分析计算，反演出排气的浓度值，测量结果被自动记录在存储器中，同时触摸屏9上会实时显示各个部件的工作状态及测量结果信息；

若需打印则启动微型打印机10将测量结果打印出来。

主控单元8通过采集气压传感器7的数据，实时判断气路堵塞程度，当测量通道压力下降在限值范围内时，主控单元8将根据压力值的变化情况对污染气体浓度的测量结果进行相应补偿，仪器仍然正常工作。当测量通道压力下降超过限值时，主控单元8将自动关闭真空泵6，停止抽气，并在触摸屏9上显示提示信息，此时需检查前置过滤器1和精密过滤器2，确定更换其中1个或2个同时更换。

实施例2

如图1-4所示，本发明一种移动源排放污染气体快速检测方法，包括步骤：

仪器开机后开始预热，主控单元8从温度传感器36获取恒温气体吸收池3的温度值，当温度值达到100℃以上时进入就绪状态，等待测量。若长时间预热后，恒温气体吸收池3的温度一直低于100℃，则会在触摸屏9上显示提示信息。

仪器进入就绪状态后，当准备对样气进行测量时，在触摸屏9上进行相应操作，主控单元8收到命令后启动测量，控制真空泵6通电工作，样气被持续抽入气路中，样气通过前置过滤器1后滤除了较大颗粒物，再通过精密过滤器2后滤除了微小颗粒物，这样进入恒温气体吸收池3的待测气体才不会污染吸收池腔体31、准直透镜32和聚焦透镜33，多波长光源5发出的测量光束穿过恒温气体吸收池3测量通道中的待测气体后，射入光谱仪4中，光谱仪4将采集到的光谱数据信息发送给主控单元8，主控单元8分别对光谱中204.5nm、217nm、226nm和439nm波长位置的数据进行分析计算，反演出nh3，so2，no和no2的浓度值，测量结果被自动记录在存储器中，同时触摸屏9上会实时显示各个部件的工作状态、测量结果等信息。若需打印则启动微型打印机10将测量结果打印出来。

主控单元8通过采集气压传感器7的数据，实时判断气路堵塞程度，当测量通道压力下降在限值范围内时，主控单元8将根据压力值的变化情况对污染气体浓度的测量结果进行相应补偿，仪器仍然正常工作。当测量通道压力下降超过限值时，主控单元8将自动关闭真空泵6，停止抽气，并在触摸屏9上显示提示信息，此时需检查前置过滤器1和精密过滤器2，确定更换其中1个或2个同时更换。

前置过滤器用于将样气中较大颗粒物滤除。精密过滤器用于将样气中微小颗粒物滤除，过滤空隙不大于5微米。恒温气体吸收池由吸收池腔体，透镜，自控温加热器，温度传感器，保温层组成。其整体温度保持在100℃以上，可防止因水汽凝结而对测量造成影响。多波长光源用来发出测量用光束，其波长范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，此光源可以是单一发光器，也可以由多个发光器组合而成。光谱仪用来采集测量光谱数据，其光谱探测范围应覆盖所有目标污染气体对应的至少一个特征吸收波长，并且这些波长也在多波长光源的发光光谱范围以内。真空泵用来将样气吸入测量通道。气压传感器用来监测测量通道的压力，并将压力值发送给主控单元。主控单元用来实现控制和数据采集，由嵌入式主板和控制电路板构成，嵌入式主板连接触摸屏、光谱仪、微型打印机和控制电路板，控制电路板连接恒温气体吸收池、真空泵和气压传感器。触摸屏既作为仪器的控制输入，又作为仪器工作状态及测量结果的显示输出。微型打印机用来打印测量结果。

本发明一种移动源排放污染气体快速检测方法，采用光谱吸收原理实现柴油发动机排气污染物的检测，具有使用寿命长，测量速度快，可同时测量多种气体的特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。