基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统

摘要

本发明公开了一种基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统，包括灰霾进气与预处理系统、灰霾信息检测系统、数据处理装置和控制系统，灰霾进样与预处理系统向灰霾检测系统提供不同相对湿度下的样品空气与背景空气，采用的是光腔衰荡光谱方法，对灰霾检测系统得到的数据进行采集及数据处理。本发明通过差异化湿度观测的方法，同时测得不同相对湿度条件下气溶胶的消光系数，通过计算得到参数γ值，计算得到在设定相对湿度时大气气溶胶的消光系数，并得到湿度对大气消光的贡献情况，并由参数γ值结合气象信息及成分分析，对气溶胶的类别进行表征。本发明检测线通测量精度高，检测误差小，应用于大气灰霾光学性质及相对湿度对灰霾光学性质影响在线分析检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气光学性质检测系统，特别是涉及一种大气污染物的光学性质检测系统，应用于大气物理化学性质检测装置技术领域。

背景技术

根据美国国家环保署EPA的定义，灰霾是指空气中的灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、有机碳氢化合物等粒子通过消光作用，使大气混浊、视野模糊并导致能见度恶化的天气现象。由于气溶胶的光学特性是由气溶胶的化学成分、粒子大小、形状和混合状态决定的，而这些性质都与大气的相对湿度有关，当相对湿度达到60%以上时，相对湿度本身，或者说气溶胶所吸收的水分就成为主导的控制因素，当相对湿度达到70%~80%时，水分通常对气溶胶总质量的贡献高达50%，甚至更多。因此，准确和可靠的对灰霾光学性质进行测量以及研究湿度对灰霾光学性质的影响，具有极其重要的意义。

目前，国内针对灰霾天气的研究主要集中在对灰霾的判定、气候特征、污染水平、时空分布、气溶胶化学及源解析等方面，但对于相对湿度与灰霾光学性质的关系的研究还不是很全面。测量大气气溶胶光学性质的仪器和方法很多，比如积分浊度仪、黑碳仪、腔衰荡光谱技术等，其中光腔衰荡光谱技术能准确测量气溶胶的消光系数，不确定性小于3%。但是这些测量仪器和方法只能测得灰霾的单一光学性质，无法准确测得湿度对灰霾光学性质的影响。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统，能准确测得不同相对湿度下大气气溶胶的消光系数，得到EPA标准下灰霾的消光系数以及湿度对灰霾消光系数的影响。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统，包括灰霾进气与预处理系统、灰霾信息检测系统、数据处理装置和控制系统，待测的灰霾空气经过灰霾进气与预处理系统后，形成具有不同相对湿度下的样品空气和背景空气，再分别通过不同的供气系统向灰霾信息检测系统输送，灰霾信息检测系统分别对不同相对湿度下的样品空气与背景空气进行检测，灰霾信息检测系统采用光腔衰荡光谱检测方法，对不同相对湿度下的灰霾的消光系数进行检测，得到在对应不同相对湿度时的含有灰霾的样品空气的消光系数，数据处理装置对灰霾信息检测系统得到的数据进行计算处理，最终得到相对湿度对大气气溶胶消光性质的贡献系数和影响因子，控制系统对灰霾进样与预处理系统、灰霾信息检测系统和数据处理装置分别进行供电和控制。

作为本发明优选的技术方案，数据处理装置对灰霾信息检测系统得到的数据进行计算处理得到的相对湿度对大气气溶胶消光性质的贡献系数和影响因子采用无量纲参数γ值，控制系统内置γ值计算模块，γ值具体表示大气气溶胶的消光系数与相对湿度的关系，其关系公式为：

在上述公式中，α_epRH为环境相对湿度下气溶胶的消光系数，α_epRHref为参考相对湿度下气溶胶的消光系数，RH _ref为参考相对湿度，RH为环境相对湿度。气溶胶的种类、来源不同，其γ值也有所不同。一定程度上，可以通过该参数表征气溶胶类别。

作为上述本发明技术方案中优选的技术方案，灰霾进气与预处理系统主要由第一温湿度传感器、电动三通阀、过滤器、气体干燥装置、第二温湿度传感器、第一流量控制装置、第二流量控制装置和抽气泵，过滤器对初始进样空气进行过滤，第一温湿度传感器检测环境相对湿度RH，第二温湿度传感器检测样品空气的设定的相对湿度作为样品空气的参考相对湿度RH _ref，灰霾信息检测系统由第一光腔衰荡光谱仪和第二光腔衰荡光谱仪组成，第一光腔衰荡光谱仪测量在设定湿度条件下的样品空气的灰霾的消光系数作为参考相对湿度下样品空气的灰霾的消光系数，第二光腔衰荡光谱仪在环境相对湿度条件下的背景空气的灰霾的消光系数α_epRH，在灰霾进气与预处理系统的初始进气口和抽气泵的吸气口之间形成背景空气检测管路，在背景空气检测管路上依次设置第一温湿度传感器、电动三通阀、过滤器、第二光腔衰荡光谱仪和第二流量控制装置，第一温湿度传感器设置于灰霾进气与预处理系统的初始进气口和电动三通阀的进气口之间，过滤器设置于电动三通阀的第一出气口和第二光腔衰荡光谱仪的进样口之间，电动三通阀的第二出气口还通过一条连通管直接与第二光腔衰荡光谱仪的进样口连通，第二流量控制装置设置于抽气泵的吸气口管路上，过滤器的出口连接管路、电动三通阀的第二出气口连接管路和第二光腔衰荡光谱仪的进样口连接管路连通相交于进样管路节点，在进样管路节点和抽气泵的吸气口之间还设有样品空气检测管路，在样品空气检测管路上依次设置气体干燥装置、第二温湿度传感器、第一光腔衰荡光谱仪和第一流量控制装置，气体干燥装置的进气端和出气端分别对应连接到进样管路节点和第二温湿度传感器管路上，第一流量控制装置也设置于抽气泵的吸气口管路上，待测气体由初始进气口进入灰霾进气与预处理系统后，由控制系统控制抽气泵提供动力，将样品空气和背景空气分别导入第一光腔衰荡光谱仪和第二光腔衰荡光谱仪，从而保持在第一光腔衰荡光谱仪内的样品空气和第二光腔衰荡光谱仪内的背景空气中的颗粒成分一致，通过控制电动三通阀，使第二光腔衰荡光谱仪内和第一光腔衰荡光谱仪内和分别进样背景空气和在设定环境相对湿度下的样品空气，控制系统分别通过第一流量控制装置和第二流量控制装置分别对第一光腔衰荡光谱仪和第二光腔衰荡光谱仪的进样气流流速进行控制，保持样品空气流速和背景空气流速的一致性和稳定性，控制系统分别与第一温湿度传感器、电动三通阀、第二温湿度传感器、气体干燥装置、第一光腔衰荡光谱仪和第二光腔衰荡光谱仪信号连接并进行供电。

作为本发明上述技术方案中改进的技术方案，灰霾进样与预处理系统和灰霾信息检测系统的外部均包裹有保温隔热材料。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统通过灰霾进样处理气路系统周期性地将不同湿度条件下的背景气体和带有颗粒物的样品气体通入两个光腔衰荡光谱仪，通过差异化湿度观测的方法，同时测得不同相对湿度条件下气溶胶的消光系数，通过计算得到参数γ值，可得到在相对湿度为零时大气气溶胶的消光系数，即EPA标准下灰霾的消光系数，并可得到湿度对大气消光的影响；

2. 本发明基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统通过检测计算参数γ值结合气象信息及成分分析，能对气溶胶的类别进行表征；

3. 本发明基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统能准确测量灰霾消光系数和相对湿度对灰霾光学性质影响，能实现灰霾光学性质及相对湿度对灰霾光学性质影响的在线检测分析，对研究湿度对灰霾的影响，具有极其重要的意义；

4. 本发明基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统基于光腔衰荡光谱技术，测量精度高、检测误差小，可应用于大气灰霾光学性质及相对湿度对灰霾光学性质影响的在线分析检测。

附图说明

图1是本发明基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1，基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统，包括灰霾进气与预处理系统、灰霾信息检测系统、数据处理装置11和控制系统12，灰霾进气与预处理系统主要由第一温湿度传感器1、电动三通阀2、过滤器3、气体干燥装置5、第二温湿度传感器4、第一流量控制装置9、第二流量控制装置10和抽气泵8，过滤器3对初始进样空气进行过滤，第一温湿度传感器1检测环境相对湿度RH，第二温湿度传感器4检测样品空气的干燥后的样品空气的参考相对湿度RH _ref，灰霾信息检测系统由第一光腔衰荡光谱仪6和第二光腔衰荡光谱仪7组成，第一光腔衰荡光谱仪6测量在干燥后的样品空气的灰霾的消光系数作为参考相对湿度下样品空气的灰霾的消光系数，第二光腔衰荡光谱仪7在环境相对湿度条件下的背景空气的灰霾的消光系数α_epRH，在灰霾进气与预处理系统的初始进气口和抽气泵8的吸气口之间形成背景空气检测管路，在背景空气检测管路上依次设置第一温湿度传感器1、电动三通阀2、过滤器3、第二光腔衰荡光谱仪7和第二流量控制装置10，第一温湿度传感器1设置于灰霾进气与预处理系统的初始进气口和电动三通阀2的进气口A之间，过滤器3设置于电动三通阀2的第一出气口C和第二光腔衰荡光谱仪7的进样口之间，电动三通阀2的第二出气口B还通过一条连通管直接与第二光腔衰荡光谱仪7的进样口连通，第二流量控制装置10设置于抽气泵8的吸气口管路上，过滤器3的出口连接管路、电动三通阀2的第二出气口B连接管路和第二光腔衰荡光谱仪7的进样口连接管路连通相交于进样管路节点，在进样管路节点和抽气泵8的吸气口之间还设有样品空气检测管路，在样品空气检测管路上依次设置气体干燥装置5、第二温湿度传感器4、第一光腔衰荡光谱仪6和第一流量控制装置9，气体干燥装置5的进气端和出气端分别对应连接到进样管路节点和第二温湿度传感器4管路上，第一流量控制装置9也设置于抽气泵8的吸气口管路上，待测气体由初始进气口进入灰霾进气与预处理系统后，由控制系统12控制抽气泵8提供动力，将样品空气和背景空气分别导入第一光腔衰荡光谱仪6和第二光腔衰荡光谱仪7，从而保持在第一光腔衰荡光谱仪6内的样品空气和第二光腔衰荡光谱仪7内的背景空气中的颗粒成分一致，通过控制电动三通阀2，使第二光腔衰荡光谱仪7内和第一光腔衰荡光谱仪6内和分别进样背景空气和在干燥后的样品空气，控制系统12分别通过第一流量控制装置9和第二流量控制装置10分别对第一光腔衰荡光谱仪6和第二光腔衰荡光谱仪7的进样气流流速进行控制，保持样品空气流速和背景空气流速的一致性和稳定性，控制系统12分别与第一温湿度传感器1、电动三通阀2、第二温湿度传感器4、气体干燥装置5、第一光腔衰荡光谱仪6和第二光腔衰荡光谱仪7信号连接并进行供电。本实施例通过对不同相对湿度下的灰霾的消光系数进行检测，可得到相对湿度为零时灰霾的消光系数，及湿度对灰霾消光性质的影响。

在本实施例中，参见图1，待测的灰霾空气经过灰霾进气与预处理系统后，形成具有不同相对湿度下的样品空气和背景空气，再分别通过不同的供气系统向灰霾信息检测系统输送，灰霾信息检测系统分别对不同相对湿度下的样品空气与背景空气进行检测，灰霾信息检测系统采用光腔衰荡光谱检测方法，具有灵敏度高、检测限低的特点，对不同相对湿度下的灰霾的消光系数进行检测，得到在对应不同相对湿度时的含有灰霾的样品空气的消光系数，数据处理装置11对灰霾信息检测系统得到的数据进行计算处理，最终得到相对湿度对大气气溶胶消光性质的贡献系数和影响因子，控制系统12对灰霾进样与预处理系统、灰霾信息检测系统和数据处理装置11分别进行供电和控制，灰霾进样与预处理系统和灰霾信息检测系统的外部均包裹有保温隔热棉，以保证测量时待测气体不受周围环境的影响，以免造成挥发性成分丢失或水汽凝结。

在本实施例中，参见图1，数据处理装置11对灰霾信息检测系统得到的数据进行计算处理得到的相对湿度对大气气溶胶消光性质的贡献系数和影响因子采用无量纲参数γ值，控制系统12内置γ值计算模块，γ值具体表示大气气溶胶的消光系数与相对湿度的关系，其关系公式为：

在上述公式中，α_epRH为环境相对湿度下气溶胶的消光系数，α_epRHref为参考相对湿度下气溶胶的消光系数，RH _ref为参考相对湿度，RH为环境相对湿度。

本实施例基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统的工作原理：

待测样品进入灰霾进气与预处理系统后，经过电动三通阀2后分为背景气路和样气气路，再分为两路，一路经过气体干燥装置5后进入第一光腔衰荡光谱仪6，另一路直接进入第二光腔衰荡光谱仪7，两路气体的行程相同，第一双腔衰荡光谱仪6测得干燥后的样品气体和背景气体的衰荡时间，第二光腔衰荡光谱仪7测得环境相对湿度湿度下的样品气体的衰荡时间，由此可计算出两种湿度下待测样品的消光系数，从而计算得到参数γ值，求出相对湿度为零时的干气溶胶消光系数，以及水汽贡献的消光系数，进一步通过两者的比值，得到水汽对气溶胶消光系数的贡献比，即水汽导致的消光系数与干气溶胶消光系数的比值。实际工作中，由抽气泵8同时对两个衰荡腔提供气路动力，驱使待测样品气体不断进入到仪器中，进行测量。过程中，控制系统12对各装置器件进行控制和供电，第一光腔衰荡光谱仪6和第二光腔衰荡光谱仪7检测得到的电信号由数据处理装置11进行采集、数字化后再传输到上位机，进行数据处理。

本实施例中，第一光腔衰荡光谱仪6和第二光腔衰荡光谱仪7形成两个检测区，第一光腔衰荡光谱仪6用于测量干燥后的灰霾的消光系数，第二光腔衰荡光谱仪7用于测量环境相对湿度下的灰霾的消光系数，利用两个光腔衰荡光谱仪，通过差异化湿度观测的方法，同时测得不同相对湿度条件下气溶胶的消光系数，通过计算得到参数γ值，得到在相对湿度为零时大气气溶胶的消光系数，并可得到湿度对大气消光的影响。除此之外，还由参数γ值结合气象信息及成分分析，对气溶胶的类别进行表征。本实施例基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统采用的是光腔衰荡光谱技术和设备，由于不受光源强度的影响，且等效光程长，具有灵敏度高、检测限低的特点，采用双腔的结构，可保证测得的不同相对湿度下的灰霾消光系数的准确性和可靠性。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于光腔衰荡光谱仪的灰霾检测系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。