专利名称：一种空气监测与分析系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及环境监测技术领域，特别涉及一种空气监测与分析系统。
背景技术：
传统的应用于环境监测的仪表、装置包括以下几种情况(1)由单台或多台单一气体分析仪组成的环境监测系统。该系统具有监测参数可增减、监测精度高稳定可靠的优点。但是该存在系统体积庞大，耗电量高，不能移动的弊端，同时，该系统成本高同时维护成也居高不下的因素导致该系统只适合在大型城市重点区域监测，不利于推广。(2)由一组监测系统和多个气体采样器或颗粒物采样器组成的区域环境监测方式。该方式具有采样区域由监测采样工作人员确定，将不同地点的气样和颗粒物样品采样后回到实验室进行样品分析。该方式具有采样范围广、分析样品种类多，可节约成本的优点ο但是存在分析的样品不是即时数据、增加工作量的缺点，不满足污染源连续监测的要求。(3)采用电化学原理的气体监测仪表进行环境监测方式。该方式具有体积小、功耗低、可移动、可连续监测的优点。但在目前尚无权威机构对该原理的传感器能分析痕量浓度(1X10-9)的系统测试报告，在已知采用电化学方法进行环境监测的应用中普遍采用恒温、恒湿、恒定流速的方法或进行温湿度补偿方法，该方法只能在传感器自身分辨率以上浓度的范围检测，并保证数据的稳定。所以，该原理传感器存在检测分辨率不能满足空气质量监测要求的弊端，目前用该传感器制造的仪表装置其所显示低浓度端数据是根据中高端数据推算结果，不能代表真实数据。同时，由于电化学传感器自身存在气体间相互干扰的特性在不借助硬件设计和软件合理算法的情况下得到的数据会存在很大的系统误差。
实用新型内容本实用新型的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。为此，本实用新型的实施例提供一种空气监测与分析系统，包括采集�？椋糜诓杉殖∑澹患友鼓？椋糜诙圆杉降乃鱿殖∑褰屑友勾恚渲校┘痈鱿殖∑宓难沽Φ扔诨虻陀谠ど柩沽︺兄担簧履？椋糜诙约友勾砗蟮钠褰猩轮猎ど栉露茹兄担患觳饽？椋糜诙陨麓砗蟮钠褰屑觳庖曰竦蒙麓砗蟮钠逯械亩嘀掷嘈推宓牟问⑸啥杂τ谒龆嘀掷嘈推宓牟问亩嗦芳觳庑藕牛豢刂颇？椋糜诙运龆嗦芳觳庑藕沤蟹治龃恚袢∷鱿殖∑宓钠遄刺�。根据本实用新型实施例的空气监测与分析系统，通过气体采样泵将气样采入，通过前处理单元，进行气体的加压和升温，从而提高气体活度和单位密度，并将气体浓度信号转换成电信号，电信号传送到单板机采集与控制单元后经过信号处理，将结果显示、储存、传输。本实用新型实施例的空气监测与分析系统对同种气体传感器在检测中信号灵敏度提高了 4-10倍，有效地提高了信号稳定性、提高了分辨率，将整个空气监测与分析系统最低检出的阈值降低一个数量级，完全满足空气质量监测的技术要求。并且，在存在交叉干扰的气体检测过程中有效的排除了干扰气体影响的因数。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从
以下结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1为根据本实用新型的一个实施例的空气监测与分析方法的流程图；图2为根据本实用新型的另一个实施例的空气监测与分析方法的流程图；图3为根据本实用新型的一个实施例的空气监测与分析系统的结构图；图4为根据本实用新型的另一个实施例的空气监测与分析系统的结构图；图5为根据本实用新型实施例的控制模块的结构图；和图6为根据本实用新型的再一个实施例的空气监测与分析系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。参照下面的描述和附图，将清楚本实用新型的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本实用新型的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本实用新型的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本实用新型的实施例的范围不受此限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。在环境监测中，通常采用电化学传感器对环境中的气体参数进行监测。电化学传感器产生的信号为电流源，信号灵敏度在nA/ppb的水平。这样弱的信号极容易受到环境的干扰，同时也会随传感器温度的变化而不同。具体地，一个传感器的在整个通气期间的瞬时信号i (A)为整个反应期间内总转移的电荷Q(C)的微分，即
dQ(1) dt在反应期间总的转移电荷Q(C)与参与单位时间内参与反应的分子数量N(mol)和
分子活度AOiiol/mol)有关。在恒定温度和恒定电解质的前提下，气体反应活A度是固定的。
所以，在某固定活度A的一个完整反应周期内产生电荷的总数Q为 ( /100Q=^j0 N{t)dt(2)其中，tlOO为整个反应时间周期，A为气体反应活度，N(t)即时时间参与反应的分子函数。从公式(1)和公式( 可以发现，传感器信号灵敏度与传感器电解质单位时间接触到的气体分子数相关。根据分子运动论可知，分子浓度越高、气压越大、温度越高电解质接触的机会就越大。但是压力、温度的过分增加会导致传感器寿命的损害，如果增加较多甚至会导致传感器永久性失效。基于上述分析，本实用新型提供了一种合理对气体进行加压和升温的空气监测与分析方法，该方法通过对现场气体进行合理的加压和升温，使得气体分子在短时间积聚在传感器扩散口，在不损害传感器前提下大幅度增加传感器灵敏度，并向传感器提供充分的恢复时间，从而达到在有效期内稳定工作的目的。下面参考图1描述根据本实用新型实施例的空气监测与分析方法。如图1所示，本实用新型实施例的空气监测与分析方法，包括如下步骤步骤S101，采集现场气体，并将采集到的所述现场气体进行加压处理。其中，施加给现场气体的压力等于或低于预设压力阈值。在本实用新型的实施例中，预设压力阈值低于或等于传感器组中的每一个传感器的安全压力阈值。传感器的安全压力阈值是指该传感器可以承受的最高压力。根据气体分子理论，增加压力会让气体在单位体积内分子数增加，从而使得气体分子进入检测敏感元件(例如传感器)的数量增加，进而会增加灵敏度的数值。但是传感器对压力有一定限制，过大压力会使得传感器损坏。传感器的压力与灵敏度的函数关系为 A = f (p)，通过计算得到的特定压力下的灵敏度，进而可以计算出在该压力下的气体浓度。 通过采用对气体进行加压的方法可以使得传感器在可承受得压力范围内将灵敏度提高至原来的2-3倍。步骤S102，将加压处理后的气体进行升温处理至预设温度阈值。其中，预设温度阈值低于或等于传感器组中的每一个传感器的安全温度阈值。传感器的安全温度阈值是指传感器允许的最高温度。在本实用新型的一个实施例中，预设温度阈值可以比传感器的安全温度阈值低5度。根据气体热力学理论，增加气体温度会使得气体分子运动增加，同时也会使得气体传感器反应活性增加。在传感器允许工作的温度范围内，将气体输送至温度为预设温度阈值的恒温气室，可以提高气体的温度，从而增加气体传感器的反应活性，让传感器工作在恒温环境中既提高灵敏度，又保证传感器工作稳定性。通过采用对气体进行升温的方法可以使得灵敏度提高至原来的2倍以上。由上可知，通过将对气体进行升温和加压两种方式结合起来，可以将传感器灵敏度提高至原来的4-6倍。步骤S103，利用传感器组对升温处理后的气体进行检测以获得升温处理后的气体中的多种类型气体的参数，并生成对应于多种类型气体的参数的多路检测信号。传感器组包括一个或多个传感器，每个传感器对应于检测不同类型的气体。由于在现场气体中存在多种不同类型的气体，通过利用不同的传感器可以实现对不同类型的气体的监测。传感器组对升温至预设温度阈值的气体监测，获得多种类型气体的参数。其中，多种类型的气体的参数包括多种类型气体的浓度、多种类型气体的活度和可吸入颗粒物的浓度。[0039]具体地，具体地，可吸入颗粒物的浓度可以通过硬件接口配接可吸入颗粒物分析仪器，经过相应的分析处理将可吸入颗粒物的数据在监测系统中显示，并将监测数据传送到环境监测总站，以便用户及时掌握现场环境中的可吸入颗粒物的浓度。多种类型气体的浓度和活度可以通过传感器进行监测。对于每一个传感器，其检测的气体的参数包括该传感器检测的气体的浓度和活度。由此，每一个传感器均生成一路检测信号。在本实用新型的实施例中，采用电化学传感器检测气体参数。利用电化学传感器对加压和升温后的现场气体进行检测，不但适用于常规气体污染物的监测，例如S02、N02、 CO、H2S等，而且也适合于工厂、企业排放的非常规气体污染物排放，例如卤族气体，卤化物气体，TVOC(Total Volatile Organic Compounds，总挥发性有机化合物)等。由于电化学传感器存在广谱性或称为气体交叉干扰特性，具有相似化学特性的气体对传感器均由反应信号。从而，通过检测存在交叉干扰气体的混合气过程中，由于部分传感器在监测几种气体的过程中存在共同反应现象。从而，在不经过合理有效的数据处理的情况下得到的数据是不正确的。由于传感器在自身信号很微弱的情况下，如果受到环境因素的影响，例如温度、湿度的大幅度变化和电磁干扰等影响会导致信号严重失真，补偿难度大甚至难以补偿。因此在本实用新型的实施例中，对由传感器组生成的多路检测信号进行抗气体交叉干扰处理，生成多路抗气体交叉干扰检测信号。下面以两种传感器Sl和S2为例进行说明。其中，传感器Sl和传感器S2检测气体 Gl和七体G2。传感器Sl和S2对气体Gl和G2的灵敏度分别为All、A12、A21和A22。在检测过程中，Sl的总信号量为D1，S2的总信号量为D2。检测结果中，Gl的气体浓度为Cl， G2的气体浓度为C2，则相应的具有以下公式A11*C1+A12*C2 = DlA21*C1+A22*C2 = D2根据行列式解法有， Cl =
DlA12AllDlD2A22-,C2 = -Al 2D2
All A21
Al 2 A22
All Al 2
A21 A22采用行列式计算方法可以避免系统误差。并且，上述算法适合于以下3种情况(1)存在气体污染物S02、NO2, H2、O3的任意2种或以上；(2)存在气体污染物CO、H2S, H2的任意2种或以上；(3)存在气体污染物HF、HCL、H2S, CL2的任意2种或以上。通过对多路检测信号进行抗气体交叉干扰处理可以避免H2S、NO2和之间相互干扰，也可以避免和CO之间相互干扰。在本实用新型的一个实施例中，通过模抑制和电磁屏蔽法可以减少多路抗气体交叉干扰检测信号之间的电磁干扰。步骤S104，对多路检测信号进行分析处理，获取现场气体的气体状况。对步骤S103中生成的多路检测信号中的多种类型气体的参数进行分析处理，从
6而可以获取现场气体的气体状况。根据获取的现场气体的气体状况生成气体统计曲线，并将该气体统计曲线显示给监控人员，以便监控人员及时掌握现场气体的状况。其中，气体统计曲线用于指示在不同时间段内的，现场气体中的多种气体的指标。通过查看气体统计曲线，对现场空气中的多种类型气体中的一种或多种气体指标和对应于该气体的预设指标进行比较。当现场空气中的多种类型气体中的一种或多种的指标超过对应于该气体的预设指标后发出报警信号，从而向监控人员提示，当前的现场空气的质量未达标。监控人员在接收到报警信号后，可以及时做出相应的空气净化处理。在本实用新型的实施例中，在执行步骤SlOl之前，还需要进行一系列准备动作。 具体地，如图2所示，步骤S201，上电启动。步骤S202，启动控制�？椋煽刂颇？槠舳渌δ�。例如启动工作状态监测功能、启动气体加压和升温功能和启动传感器等。步骤S203，监测各个功能单元的工作状态，判断各个功能单元是否工作正常。如果各个功能单元正常，则执行步骤S207，否则执行步骤S204。步骤S204，发出报警。步骤S205，判断是否满足工作条件。如果满足，则执行步骤S207，否则重复执行步骤S205直至满足工作条件。其中，工作条件可以为整机是否预热完成，换言之，各个功能�？榫阕陨淼墓ぷ魈跫�。步骤S206，判断传感器是否稳定。如果是，则执行步骤S207，否则重复执行步骤 S206直至传感器稳定工作。步骤S207，启动监测程序，以及进行数据采集。步骤S208，将采集到的数据进行分析和计算，以及存储、显示上述采集到的数据， 并将上述数据形成曲线和传输上述数据等。当检测到出现不正常的数据时，发出报警信号。可以理解的是，从步骤S206之后开始执行图1中步骤SlOl至步骤S104中的功能， 其中步骤S207和步骤S208是对步骤SlOl至步骤S104中的功能的概述。根据本实用新型实施例的空气监测与分析方法，通过气体采样泵将气样采入，通过前处理单元，进行气体的加压和升温，从而提高气体活度和单位密度，并将气体浓度信号转换成电信号，电信号传送到单板机采集与控制单元后经过信号处理，将结果显示、储存、 传输。本实用新型实施例的空气监测与分析系统对同种气体传感器在检测中信号灵敏度提高了 4-10倍，有效地提高了信号稳定性、提高了分辨率，将整个空气监测与分析系统最低检出的阈值降低一个数量级，完全满足空气质量监测的技术要求。并且，在存在交叉干扰的气体检测过程中有效的排除了干扰气体影响的因数。下面参考图3和图4描述根据本实用新型实施例的空气监测与分析系统。如图3所示，本实用新型实施例的空气监测与分析系统包括采集�？�310、加压�？�320、升温�？�330、检测�？�340和控制�？�350，其中，采集�？�310用于采集现场气体；加压模块320用于对采集到的现场气体进行加压处理，其中施加给现场气体的压力等于或低于预设压力阈值；升温�？榭�330用于对加压处理后的气体进行升温至预设温度阈值；检测�？�340用于对升温处理后的气体进行检测以获得升温处理后的气体中的多种类型的气体的参数，并生成对应于多种类型气体的参数的多路检测信号，其中检测�？�340可以为传感器组；控制�？�350用于对多路检测信号进行分析处理，获取现场气体的气体状态。在本实用新型的一个实施例中，加压�？�320可以为加压气泵。在本实用新型的一个实施例中，升温模块330可以为恒温箱。传感器的安全温度阈值是指传感器允许的最高温度。在本实用新型的一个实施例中，预设温度阈值可以比传感器的安全温度阈值低5度。根据气体热力学理论，增加气体温度会使得气体分子运动增加，同时也会使得气体传感器反应活性增加。在传感器允许工作的温度范围内，将气体输送至温度为预设温度阈值的恒温气室，可以提高气体的温度，从而增加气体传感器的反应活性，让传感器工作在恒温环境中既提高灵敏度，又保证传感器工作稳定性。通过采用对气体进行升温的方法可以使得灵敏度提高至原来的2倍以上。由上可知，通过将对气体进行升温和加压两种方式结合起来，可以将传感器灵敏度提高至原来的4-6倍。在本实用新型的实施例中，检测模块340可以为传感器组。其中，传感器组包括至少一个传感器。每个传感器用于检测一种类型气体的参数，并生成对应于该类型气体的参数的一路检测信号。由于在现场气体中存在多种不同类型的气体，通过利用不同的传感器可以实现对不同类型的气体的监测。其中，气体的参数包括气体的浓度和气体的密度。传感器组对升温至预设温度阈值的气体监测，获得多种类型气体的参数。其中，多种类型的气体的参数包括多种类型气体的浓度和多种类型气体的活度。具体地，对于每一个传感器， 其检测的气体的参数包括该传感器检测的气体的浓度和活度。由此，每一个传感器均生成一路检测信号。在本实用新型的实施例中，预设压力阈值低于或等于传感器组中的每一个传感器的安全压力阈值。传感器的安全压力阈值是指该传感器可以承受的最高压力。根据气体分子理论，增加压力会让气体在单位体积内分子数增加，从而使得气体分子进入检测敏感元件(例如传感器)的数量增加，进而会增加灵敏度的数值。但是传感器对压力有一定限制，过大压力会使得传感器损坏。传感器的压力与灵敏度的函数关系为 A = f (p)，通过计算得到的特定压力下的灵敏度，进而可以计算出在该压力下的气体浓度。 通过采用对气体进行加压的方法可以使得传感器在可承受得压力范围内将灵敏度提高至原来的2-3倍。在本实用新型的实施例中，采用电化学传感器检测气体参数。利用电化学传感器对加压和升温后的现场气体进行检测，不但适用于常规气体污染物的监测，例如S02、N02、 CO、H2S等，而且也适合于工厂、企业排放的非常规气体污染物排放，例如卤族气体，卤化物气体，TVOC(Total Volatile Organic Compounds，总挥发性有机化合物)等。由于电化学传感器存在广谱性或称为气体交叉干扰特性，具有相似化学特性的气体对传感器均由反应信号。从而，通过检测存在交叉干扰气体的混合气过程中，由于部分传感器在监测几种气体的过程中存在共同反应现象。从而，在不经过合理有效的数据处理的情况下得到的数据是不正确的。由于传感器在自身信号很微弱的情况下，如果受到环境因素的影响，例如温度、湿度的大幅度变化和电磁干扰等影响会导致信号严重失真，补偿难度大甚至难以补偿。在本实用新型的实施例中，本实用新型实施例的空气监测与分析系统还包括抗气体交叉干扰处理模块360，分别与升温模块330和检测�？�340相连，用于对升温�？�330升温处理后的气体进行抗气体交叉干扰处理，生成多路抗气体交叉干扰检测信号。[0079]下面以两种传感器Sl和S2为例进行说明。其中，传感器Sl和传感器S2检测气体 Gl和七体G2。传感器Sl和S2对气体Gl和G2的灵敏度分别为All、A12、A21和A22。在检测过程中，Sl的总信号量为D1，S2的总信号量为D2。检测结果中，Gl的气体浓度为Cl， G2的气体浓度为C2，则相应的具有以下公式[0080]A11*C1+A12*C2 = Dl[0081]A21*C1+A22*C2 = D2[0082]根据行列式解法有，[0083]
权利要求1.一种空气监测与分析系统，其特征在于，包括采集�？椋糜诓杉殖∑澹患友鼓？椋糜诙圆杉降乃鱿殖∑褰屑友勾恚渲校┘痈鱿殖∑宓难沽Φ扔诨虻陀谠ど柩沽︺兄担簧履？椋糜诙约友勾砗蟮钠褰猩轮猎ど栉露茹兄担患觳饽？椋糜诙陨麓砗蟮钠褰屑觳庖曰竦蒙麓砗蟮钠逯械亩嘀掷嘈推宓牟问⑸啥杂τ谒龆嘀掷嘈推宓牟问亩嗦芳觳庑藕牛豢刂颇？椋糜诙运龆嗦芳觳庑藕沤蟹治龃恚袢∷鱿殖∑宓钠遄刺�。
2.如权利要求1所述的空气监测与分析系统，其特征在于，所述检测�？槲衅髯椋� 其中，所述传感器组包括至少一个传感器，其中，每个所述传感器用于检测一种类型气体的参数，并生成对应于该类型气体的参数的一路检测信号。
3.如权利要求2所述的空气监测与分析系统，其特征在于，所述气体的参数包括气体的浓度、气体的密度和可吸入颗粒物的浓度。
4.如权利要求2所述的空气监测与分析系统，其特征在于，所述预设压力阈值低于或等于所述传感器组中的每一个传感器的安全压力阈值。
5.如权利要求2所述的空气监测与分析系统，其特征在于，所述预设温度阈值低于或等于所述传感器组中的每一个传感器的安全温度阈值。
6.如权利要求1所述的空气监测与分析系统，其特征在于，所述升温模块为保温箱。
7.如权利要求1所述的空气监测与分析系统，其特征在于，还包括抗气体交叉干扰处理�？椋直鹩胨錾履？楹退黾觳饽？橄嗔糜诙运錾履？樯麓砗蟮钠褰锌蛊褰徊娓扇糯恚啥嗦房蛊褰徊娓扇偶觳庑藕�。
8.如权利要求1所述的空气检测与分析系统，其特征在于，所述控制�？榘ㄇ呱傻ピ糜诟菟鱿殖】掌钠遄纯錾刹⑾允酒逋臣魄撸渲校銎逋臣魄哂糜谥甘舅鱿殖】掌诓煌奔涠文诘亩嘀掷嘈推宓闹副辏环治龅ピ糜诙运銎逋臣魄呓蟹治觯耘卸纤鱿殖】掌械亩嘀掷嘈推逯械囊恢只蚨嘀值闹副晔欠癯杂τ诟闷宓脑ど柚副辏槐ňピ糜诘彼鱿殖】掌械亩嘀掷嘈推逯械囊恢只蚨嘀值闹副瓿杂τ诟闷宓脑ど柚副旰螅⒊霰ň藕拧�
专利摘要本实用新型公开了一种空气监测与分析系统，包括采集�？椋糜诓杉殖∑澹患友鼓？椋糜诙圆杉降乃鱿殖∑褰屑友勾恚渲校┘痈鱿殖∑宓难沽Φ扔诨虻陀谠ど柩沽︺兄担簧履？椋糜诙约友勾砗蟮钠褰猩轮猎ど栉露茹兄担患觳饽？椋糜诙陨麓砗蟮钠褰屑觳庖曰竦蒙麓砗蟮钠逯械亩嘀掷嘈推宓牟问⑸啥杂τ谒龆嘀掷嘈推宓牟问亩嗦芳觳庑藕牛豢刂颇？椋糜诙运龆嗦芳觳庑藕沤蟹治龃恚袢∷鱿殖∑宓钠遄刺１臼涤眯滦陀行У靥岣吡诵藕盼榷ㄐ�、提高了分辨率，将整个空气监测与分析系统最低检出的阈值降低一个数量级，完全满足空气质量监测的技术要求。
文档编号G01N27/26GK202330349SQ20112045531
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者张殿国 申请人:北京明尼特环�？萍加邢薰�
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