三通道黑碳监测装置及监测方法与流程

本公开涉及环境监测和大气科学领域，尤其涉及一种三通道黑碳监测装置及监测方法。

背景技术：

1、黑碳气溶胶是一种重要的大气污染物，由不完全燃烧有机物和化石燃料排放产生。它对气候变化和空气质量产生重要影响。因此，准确测量和监测大气中的黑碳含量对于环境保护和气候研究至关重要。

2、黑碳气溶胶中的大多数碳原子的化学键状态是石墨六元环或近似是石墨六元环，形成大量存在的π键电子，因此在特定情况下，黑碳气溶胶表现出游离碳的特征，能在很宽的波长范围内有效地吸收入射电磁波(光子)。游离碳是已知的具有最宽泛连续吸收光谱的物质之一，在波长550nm处的质量吸收系数kλ约10m2/g，这种吸收与入射电磁波的波长成反比，在短波端吸收增强，在长波端吸收减弱。相对于黑碳气溶胶而言，沙尘气溶胶对可见光的质量吸收系数要小2～3个数量级，因此在一般情况下对可见光的吸收消光作用贡献很小。黑碳仪利用黑碳气溶胶的这一特性，通过测量气溶胶样本的光学衰减量，确定大气中黑碳气溶胶的含量，即光学衰减测量方法，也是最简单的物理测量方法，这种方法假定探测光束不被气溶胶吸收，显然存在先天不足。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本公开提供了一种三通道黑碳监测装置及方法，能够提高黑碳浓度测量的准确性和可靠性。

2、根据本公开一个方面的发明构思，提供了一种三通道黑碳监测装置，包括：外壳，具有一密闭的容置空间，外壳的第一端设置有供待测气体进入的进气口，外壳上与第一端相对的第二端上间隔设置有第一出气口、第二出气口和第三出气口；光源，设置在外壳内；均光板，设置在外壳内，均光板位于光源与第二端之间，以将光源发出的光均匀的射入第一出气口、第二出气口和第三出气口；滤带，贴靠在第一出气口、第二出气口和第三出气口的外侧；检测组件，具有相互独立的第一通道、第二通道和第三通道，第一通道、第二通道和第三通道的一端分别抵靠第一出气口、第二出气口和第三出气口，第一通道和第二通道的另一端适用于连接负压装置；传感器，分别设置在第一通道、第二通道和第三通道内；以及流量控制组件，与第一通道、第二通道连接，以调节第一通道与第二通道内气体流量不同。

3、根据本公开的一些实施例，监测装置还包括进气组件，进气组件包括：进气总管，一端与进气口连接；以及过滤装置，与进气总管的另一端连接，过滤装置适用于将待测气体内杂质滤除。

4、根据本公开的一些实施例，过滤装置包括以下任一或组合：干燥器、滤芯和旋风切割头。

5、根据本公开的一些实施例，进气总管为导电橡胶管。

6、根据本公开的一些实施例，监测装置还包括：第一滚轮，设置在外壳的一侧；第二滚轮，设置在外壳的另一侧；以及驱动装置，与第一滚轮传动连接；其中，滤带的两端分别缠绕在第一滚轮和第二滚轮上，驱动装置驱动第一滚轮转动，以使滤带不同区域对准第一出气口、第二出气口和第三出气口，进而实现连续检测。

7、根据本公开的一些实施例，监测装置还包括断带检测组件，断带检测组件设置在外壳和第二滚轮/第一滚轮之间，断带检测组件包括分别设置在滤带两侧的接收端和发射端。

8、根据本公开的一些实施例，监测装置还包括：真空泵，分别与第一通道和第二通道连接。

9、根据本公开的一些实施例，流量控制组件包括两组分别设置在真空泵与第一通道之间、真空泵与第二通道之间的流量测量单元和流量调节单元，以分别调控第一通道和第二通道内的流量。

10、根据本公开一个方面的发明构思，提供了一种黑碳监测方法，使用上述的三通道黑碳监测装置，包括：将均匀光分别射入第一通道、第二通道和第三通道，其中，第一通道、第二通道和第三通道内分别设置有相同的滤带；将待测气体以第一流速通过第一通道，将待测气体以第二流速通过第二通道；分别获取第一通道、第二通道和第三通道出口端在采样周期内的平均光强i1、i2和i0；利用比尔-朗伯定律计算第一通道和第二通道的光学衰减量atn，包括：

11、

12、其中，atn表示光学衰减量，i0表示采样周期内第三通道的平均光强，i表示采样周期内透过样品滤膜的平均光强；

13、利用黑碳气溶胶的沉积量与光学衰减关系计算第一通道和第二通道内测得的黑碳气溶胶的浓度，包括：

14、

15、其中，bcλ表示被测环境大气中黑碳气溶胶的浓度，σ表示衰减系数，atn表示本测量周期的光学衰减量，atn0表示上一个测量周期的光学衰减量，a表示滤膜上每个采样点的面积，q表示进气管路中环境空气的流量，t表示采样时间段；

16、使用逻辑回归模型进行预测，将第一通道以及第二通道的黑碳气溶胶的浓度输入到模型中，得到校正后的黑碳气溶胶的浓度。

17、根据本公开的一些实施例，采样膜上黑碳气溶胶颗粒的尺度小于2πλ，其中，λ表示均匀光的波长。

18、根据本公开实施例的三通道黑碳监测装置及方法，通过设置滤带、三通道和传感器，一个通道测量实时光强，另外两个通道不同流量通过滤带进行采样，不同流量通过滤带得到的气溶胶沉积不同，光线透过滤带，通过传感器对光信号进行处理，得到不同通道的光照强度后，计算光学衰减量，进而得到待测气体内的黑碳浓度，进一步通过逻辑回归模型校正非线性效应，提高黑碳浓度测量的准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种三通道黑碳监测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，还包括进气组件，所述进气组件包括：

3.根据权利要求2所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，所述过滤装置包括以下任一或组合：干燥器、滤芯和旋风切割头。

4.根据权利要求2或3所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，所述进气总管为导电橡胶管。

5.根据权利要求1所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求5所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，还包括断带检测组件，所述断带检测组件设置在所述外壳和所述第二滚轮/所述第一滚轮之间，所述断带检测组件包括分别设置在所述滤带两侧的接收端和发射端。

7.根据权利要求1所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的三通道黑碳监测装置，其特征在于，所述流量控制组件包括两组分别设置在所述真空泵与所述第一通道之间、所述真空泵与所述第二通道之间的流量测量单元和流量调节单元，以分别调控所述第一通道和所述第二通道内的流量。

9.一种黑碳监测方法，其特征在于，使用如权利要求1至8中任一项所述的三通道黑碳监测装置，包括：

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，采样膜上黑碳气溶胶颗粒的尺度小于2πλ，其中，λ表示所述均匀光的波长。

技术总结
本公开提供了一种三通道黑碳监测装置及监测方法，包括：外壳，具有一密闭的容置空间，外壳的第一端设置有供待测气体进入的进气口，外壳上第二端上间隔设置有第一出气口、第二出气口和第三出气口；光源，设置在外壳内；均光板，设置在外壳内，均光板位于光源与第二端之间，以将光源发出的光均匀的射入第一出气口、第二出气口和第三出气口；滤带，贴靠在第一出气口、第二出气口和第三出气口的外侧；检测组件，具有相互独立的第一通道、第二通道和第三通道，第一通道、第二通道和第三通道的一端分别抵靠第一出气口、第二出气口和第三出气口；传感器，分别设置在第一通道、第二通道和第三通道内；流量控制组件，与第一通道、第二通道连接。

技术研发人员：景宽,刘保献,王琴,曹阳,王陈婧,富佳明,罗霄旭,鲍利斌,沈秀娥
受保护的技术使用者：北京市生态环境监测中心
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19