基于PID和PTR-MS联用的VOCs集群式监测系统的制作方法

基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统
技术领域
1.本发明涉及挥发性有机物监测，具体涉及基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统。


背景技术：

2.挥发性有机物(vocs)为工业园区的主要特征大气污染物，是臭氧和颗粒物的主要前体物，同时其毒性可直接损害人体健康，是当前我国大气污染重点减排对象。
3.大气挥发性有机物是指参与大气光化学反应的有机化合物，包括非甲烷烃类(烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等)、含氧有机物(醛、酮、醇、醚等)、含氯有机物、含氮有机物、含硫有机物等，是形成臭氧和细颗粒物(pm2.5)污染的重要前体物。近年来，通过国家管控，以及企业环保力度的加强、民众环保意识的提升，臭氧和细颗粒物的前体物包括so2、氮氧化物no
x
、烟粉尘已经得到较好的控制，但vocs排放量仍呈增长趋势，对大气环境的影响日益突出。在京津冀及周边、长三角等重点区域，臭氧甚至已经跃升为首要影响因素，而vocs是臭氧及二次气溶胶的关键前体物，与pm2.5污染也有着密切关联。
4.环境治理，监测先行。挥发性有机物在大气中参与一系列复杂的光化学反应，是臭氧的重要前体物。然而，挥发性有机物来源广泛、组成复杂，现有的vocs挥发性有机物监测技术主要有传感器技术、色谱/质谱技术、选择性离子转移质谱技术以及光谱技术等，根据这些技术研发出了一批具有代表性的仪器：在线vocs监测仪、便携式傅立叶红外仪、固定污染源废弃vocs连续监测系统等。
5.现有的vocs监测系统大多造价昂贵、数据实时性较差、测量宽度低、使用寿命短，因此需要对vocs监测系统进行创新，研发一种综合高效的vocs监测系统。通过整合现有的监测技术，实现现有技术与监测需求的匹配，提高vocs监测质保质控水平和挥发性有机物的在线监测信息化水平，来为我国环境监管及防治措施的制定提供技术支撑。
6.光离子化气体传感器(photo-ionization detector，pid)，原理是待测气体被紫外灯电离成离子，在外电场作用下离子偏移形成微弱电流，电流转化成电压信号输出，电压大小与待测气体浓度成线性关系。挥发性有机物pid法监测在时间分辨率上明显优于在线色谱和在线质谱等技术，且具有体积小、成本低并可大量布点的优点，在大气网格化监测中有较大优势。
7.但是，pid传感器与其它常规气态污染物传感器(如二氧化硫和臭氧等)不同，pid传感器并非对单一物质进行监测，而是需要对某一类或多类污染物质(比如芳香烃及烷烃等)产生响应，实现对工业园区挥发性有机物污染排放的追踪、预警及变化规律的实时监控。多地工业园区安装并使用了pid传感器进行网格化监测，投入巨大，但效果却不理想，主要存在精度低、误差大，受环境影响大、干扰因子较多等问题。
8.挥发性有机物ptr-ms走航监测，指利用车载快速质谱技术，调查一定区域范围内挥发性有机物时空分布及趋势，同步识别潜在排放源。相比固定站点在线监测，走航监测机动性强，能够快速掌握vocs的动态空间分布及其污染特征，是对排放源的环境空气影响进
行跟踪溯源的重要技术手段，也是环境空气固定站自动监测技术和污染源在线监测技术在管理需求数据支持上不足的一种技术手段补充。但是，这种方法存在使用成本高、无法保持长时间在线监测等问题。
9.因此，加强对挥发性有机物监测技术的研发，尤其是pid设备和质谱法联用的研究是当前环境监测领域所迫切需要的。


技术实现要素：

10.(一)解决的技术问题
11.针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统，能够有效克服现有技术所存在的无法实时连续在线监测、时空覆盖率较低的缺陷。
12.(二)技术方案
13.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
14.基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统，包括分布式pid监测设备、ptr-ms监测设备、ptr-ms走航监测平台、pid和ptr-ms联用的集群式监测平台，以及用于搭载pid监测设备、ptr-ms监测设备的走航设备；
15.所述pid监测设备包括控制器、颗粒扬尘传感器、pid传感器、定位模块和数据传输模块，所述颗粒扬尘传感器、pid传感器的检测信号分别通过第一模数转换模块、第二模数转换模块进行模数转换后发送至控制器，所述控制器通过数据传输模块将检测数据发送至pid和ptr-ms联用的集群式监测平台；
16.所述ptr-ms监测设备包括进样系统、离子源、反映流动管和离子探测系统，并内置仪器背景自动获取模块、vocs浓度实时反演模块、污染源自动匹配模块、gps信息获取模块、vocs排放标准对比显示模块和远程地图展示模块，所述ptr-ms监测设备将检测数据发送至ptr-ms走航监测平台、pid和ptr-ms联用的集群式监测平台。
17.优选地，所述走航设备定期靠近各pid监测设备，通过类似蚁群的信息交互，对pid监测设备进行在线校准。
18.优选地，所述pid监测设备设置于固定点，或搭载于出租车、公交车、无人机和走航车上，所述ptr-ms监测设备搭载于走航车上。
19.优选地，所述走航车内部通过减震底座安装连接化学电离质谱仪，所述化学电离质谱仪通过车内采样管与安装于走航车车顶的车外采样头连接，所述化学电离质谱仪与排气管一端连接，所述排气管另一端从走航车后部引出，所述化学电离质谱仪连接控制器，所述控制器连接定位模块和数据传输模块。
20.优选地，所述走航车内部还设有与化学电离质谱仪相连的不间断电源，以及与不间断电源连接的扩展电池组。
21.优选地，所述控制器每隔三秒钟传输一组检测数据，所述检测数据包括时间戳、空间gps坐标信息和vocs浓度数据。
22.优选地，所述ptr-ms走航监测平台包括探测结果展示模块、功能展示模块、vocs浓度趋势图展示模块和物质浓度分布状况展示模块；
23.探测结果展示模块，以彩色柱图的形式在地图上展示ptr-ms监测设备的走航探测
结果，并显示相应地名、街道名；
24.功能展示模块，支持上下左右视角切换、旋转及平移，通过鼠标随意改变观看视角；
25.vocs浓度趋势图展示模块，展示鼠标所在位置处的探测时间和探测浓度，展示鼠标点击处的物质浓度排行榜，并展示选择特定物质的走航探测结果以及浓度趋势图；
26.物质浓度分布状况展示模块，展示各物质浓度分布状况饼图及各物质浓度所占百分比，并显示探测地点、探测时间。
27.优选地，所述pid和ptr-ms联用的集群式监测平台包括数据校准模块、实时显示模块、道路污染云图生成模块、道路污染排名生成模块、地区污染排名生成模块、自动污染报警模块和故障自动识别报警模块；
28.数据校准模块，通过完善的数据校准机制，由远程校准平台进行检测数据校准；
29.实时显示模块，实时显示当前检测数据，包括检测位置、车辆信息列表、设备序列号和vocs浓度数据；
30.道路污染云图生成模块，根据检测数据，按照时间跨度生成道路污染云图；
31.道路污染排名生成模块，根据检测数据，按照时间跨度提供对主城区所有路段污染点的识别及统计结果；
32.地区污染排名生成模块，根据检测数据，按照时间跨度提供街道、区县、乡镇的vocs浓度排名，同时提供街道、区县、乡镇的vocs浓度改善率列表；
33.自动污染报警模块，显示报警事件的详细内容，包括报警事件发生位置、报警时间、事件类型、vocs浓度和事件状态，同时在系统平台醒目位置进行报警提醒；
34.故障自动识别报警模块，对于故障设备及时进行故障记录识别并向系统平台报警，同时对故障设备修正故障数据。
35.优选地，所述道路污染云图上的每个点位均包括vocs浓度数据、车速平均值和检测位置。
36.优选地，所述道路污染排名生成模块可以找出主城区内污染最严重的路段和最清洁的路段，同时列出各路段所属街道、区县，并在地图上显示路段名称、排名、污染数值和位置。
37.(三)有益效果
38.与现有技术相比，本发明所提供的基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统，具有以下有益效果：
39.1)实时连续在线监测，利用光离子化和质谱检测结合互补的原理，实现挥发性有机物浓度信息化监测，打破了传统监测方法的滞后性，以及无法全面反映挥发性有机物浓度变化趋势的缺陷；
40.2)节省监测成本，市场上销售的vocs挥发性有机物监测仪器，特别是进口仪器，价格比较高，pid监测设备可搭载在公共交通车辆上，大大减少了人力物力的投入，本系统综合成本较低、性价比高，能满足大部分监测场所的需求，有效降低监测成本；
41.3)全域覆盖，利用pid监测设备成本低、安装便捷等特点，可将pid监测设备设置于固定点、移动车辆或无人机上，实现对检测区域的vocs全方位监测；
42.4)创新监测方法和监测技术，本系统充分考虑当前挥发性有机物监测的难点痛
点，实现对vcos高效、快速地立体监测，具有深入研究、产业化以及推广应用的价值。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明的系统示意图；
45.图2为本发明中走航车的结构示意图；
46.图3为本发明中pid监测设备的工作原理图；
47.图4为本发明中ptr-ms监测设备的工作原理图。
具体实施方式
48.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统，如图1至图4所示，包括分布式pid监测设备、ptr-ms监测设备、ptr-ms走航监测平台、pid和ptr-ms联用的集群式监测平台，以及用于搭载pid监测设备、ptr-ms监测设备的走航设备。
50.本技术技术方案中，走航设备定期靠近各pid监测设备，通过类似蚁群的信息交互，对pid监测设备进行在线校准。提升了pid监测数据的精准度，确保了pid监测数据可信可用。
51.如图3所示，pid监测设备包括控制器、颗粒扬尘传感器、pid传感器、定位模块和数据传输模块，颗粒扬尘传感器、pid传感器的检测信号分别通过第一模数转换模块、第二模数转换模块进行模数转换后发送至控制器，控制器通过数据传输模块将检测数据发送至pid和ptr-ms联用的集群式监测平台。
52.控制器每隔三秒钟传输一组检测数据，检测数据包括时间戳、空间gps坐标信息和vocs浓度数据。
53.如图4所示，ptr-ms监测设备包括进样系统、离子源、反映流动管和离子探测系统，并内置仪器背景自动获取模块、vocs浓度实时反演模块、污染源自动匹配模块、gps信息获取模块、vocs排放标准对比显示模块和远程地图展示模块，ptr-ms监测设备将检测数据发送至ptr-ms走航监测平台、pid和ptr-ms联用的集群式监测平台。
54.如图1所示，pid监测设备设置于固定点，或搭载于出租车、公交车、无人机(主要用于搭载pid监测设备进行区域建模分析)和走航车1上，ptr-ms监测设备搭载于走航车1上。
55.如图2所示，走航车1内部通过减震底座3安装连接化学电离质谱仪2，化学电离质谱仪2通过车内采样管5与安装于走航车1车顶的车外采样头4连接，化学电离质谱仪2与排气管7一端连接，排气管7另一端从走航车1后部引出，化学电离质谱仪2连接控制器10，控制器10连接定位模块6和数据传输模块。
56.走航车1内部还设有与化学电离质谱仪2相连的不间断电源9，以及与不间断电源9连接的扩展电池组8。
57.ptr-ms走航监测平台包括探测结果展示模块、功能展示模块、vocs浓度趋势图展示模块和物质浓度分布状况展示模块；
58.探测结果展示模块，以彩色柱图的形式在地图上展示ptr-ms监测设备的走航探测结果，并显示相应地名、街道名；
59.功能展示模块，支持上下左右视角切换、旋转及平移，通过鼠标随意改变观看视角；
60.vocs浓度趋势图展示模块，展示鼠标所在位置处的探测时间和探测浓度，展示鼠标点击处的物质浓度排行榜(浓度排行榜显示浓度排名前十位的物质浓度)，并展示选择特定物质的走航探测结果以及浓度趋势图；
61.物质浓度分布状况展示模块，展示各物质浓度分布状况饼图及各物质浓度所占百分比，并显示探测地点、探测时间。
62.pid和ptr-ms联用的集群式监测平台包括数据校准模块、实时显示模块、道路污染云图生成模块、道路污染排名生成模块、地区污染排名生成模块、自动污染报警模块和故障自动识别报警模块；
63.数据校准模块，通过完善的数据校准机制，由远程校准平台进行检测数据校准；
64.实时显示模块，实时显示当前检测数据，包括检测位置、车辆信息列表、设备序列号和vocs浓度数据；
65.道路污染云图生成模块，根据检测数据，按照时间跨度(时、日、周、旬、月等)生成道路污染云图，道路污染云图上的每个点位均包括vocs浓度数据、车速平均值和检测位置；
66.道路污染排名生成模块，根据检测数据，按照时间跨度(时、日、周、旬、月等)提供对主城区所有路段污染点的识别及统计结果；
67.地区污染排名生成模块，根据检测数据，按照时间跨度(时、日、周、旬、月等)提供街道、区县、乡镇的vocs浓度排名(点击排名列表，可以在地图上定位该区域，并可根据浓度值标记所选区域)，同时提供街道、区县、乡镇的vocs浓度改善率列表；
68.自动污染报警模块，显示报警事件的详细内容，包括报警事件发生位置、报警时间、事件类型、vocs浓度和事件状态(点击报警事件时，可以显示详细内容)，同时在系统平台醒目位置进行报警提醒；
69.故障自动识别报警模块，对于故障设备及时进行故障记录识别并向系统平台报警，同时对故障设备修正故障数据。
70.其中，道路污染排名生成模块可以找出主城区内污染最严重的50条路段和最清洁的50条路段，同时列出各路段所属街道、区县，并在地图上显示路段名称、排名、污染数值和位置。点击排名列表，可以快速定位到该路段，并圈出该路段。
71.本技术技术方案，将光离子化气体传感器(pid)和质子转移反应质谱(ptr-ms)相结合，搭建区域网络化vocs实时在线监测和分析平台，实时掌握区域内vocs排放的总体情况，针对高值区域及时开展精准溯源分析与排查，确定排放点位和vocs排放组分，提升vocs的监测效率和监测水平，完善区域大气污染防控体系。
72.本技术技术方案中，系统整体工作流程包括：
73.(1)建设挥发性有机物pid法监测网络，针对有监测需求的区域，选择将pid监测设备布置在固定点、移动车辆或无人机上，实现对检测区域的vocs实时监测；
74.(2)使用ptr-ms监测设备对pid监测设备定期进行在线校准，通过走航车定期靠近各pid监测设备的方式，实现类似于蚁群的信息交互，从而实现在线校准pid监测设备，提升了pid监测数据的精准度，确保了pid监测数据可信可用；
75.(3)pid监测设备在线采集检测数据并发送至监测平台，使用pid监测设备快速读取环境vocs浓度数据，对监测仪器进行远程控制，同时实现数据的远程传输，并呈现在监测平台上；
76.(4)pid和ptr-ms联用的集群式监测平台指导走航车精准溯源，通过多台pid监测设备绘制出高值点位，系统自动生成质谱走航路线，从而实现针对问题最突出点位的精准溯源；
77.(5)pid和ptr-ms联用的集群式监测平台进行大数据分析，根据海量vocs浓度大数据分析建立区域vocs污染模型，摸清区域内vocs排放规律，查找vocs重点污染区域。
78.本技术技术方案，整合挥发性有机物pid法监测和ptr-ms走航监测方法，利用光离子化和质谱检测结合互补的原理，建立一种高效、准确、时空覆盖率更高的vocs集群式监测系统，实现vocs浓度的实时在线监测，全面反映挥发性有机物浓度的变化趋势。
79.基于pid和ptr-ms联用的vocs集群式监测系统采用了vocs实时在线综合监测技术，缩短了采样和预处理时间，提高了vocs监测的时空分辨率，同时可获得连续的海量监测数据，通过系统核心算法和分析平台，能够快速准确地得到监测区域所需的vocs分析结果，以便及时采取相应措施。
80.该系统可广泛应用于城市环境空气及各类工业园区空气vocs的连续在线监测，在预警监测、污染溯源监测以及突发环境事件的应急侦检中，能够克服现有监测系统的局限性，大幅提升监测效率，该系统的推广应用可以直接为大气vocs的精细化管控、精准环境执法提供技术支撑。
81.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。