环境空气自动监测系统简介ppt课件.pptx
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1、环境空气自动监测系统简介,环保气站服务部聚光科技(杭州)股份有限公司2023年1月15日,主要内容,环境空气监测的背景和意义,空气是指包围在地球周围的气体。空气质量的好坏反映了空气污染程度,它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。为了准确地评估区域空气质量,我们需要实时监测。,空气污染的主要来源,交通,电厂,自然界,工业,其他,大气污染物,什么是悬浮颗粒物,PM10(particulate matter)有些颗粒物因粒径大或颜色黑可以为肉眼所见,比如烟尘。有些则小到使用电子显微镜才可观察到。通常把空气动力学当量直径在10微米以下的颗粒物称为PM10,又称为可吸入颗粒物或飘尘。可吸入颗粒物的浓度
2、以每立方米空气中可吸入颗粒物的毫克数表示。PM2.5和PM1的含义同上。,PM10与PM2.5 的区别,PM2.5也称为可入肺颗粒物。大气成分中含量很少,但它对空气质量和能见度等有重要的影响;由于粒径小,富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM10是可吸入颗粒物,一般名称上讲可吸入颗粒物指的是PM10,能够从上呼吸道,通过声门达到下呼吸道。,细颗粒物(PM10/2.5/1)的来源,自然界:扬尘、海盐、花粉、细菌等。人类活动:生产、生活、交通等。大气化学反应:大气中的气态前体污染物会通过大气化学反应生成二次颗粒物,实现由气体到粒子的
3、相态转换。,自动监测站的技术特点,自动化重复性和可靠性减少劳动量实时监测、快速响应产生大量数据进行分析、总结,AQI指数,AQI-Air Quality Index。2012年3月发布。,IAQI,AQI指数的影响,一般的监测因子及其所使用的仪器,监测因子及其危害,SO2、H2S:刺激呼吸道,与悬浮颗粒物有联合毒性作用。NO、NO2、NOX:刺激呼吸器官,引起急性和慢性中毒。CO:中毒,吸入浓度为0.5%的一氧化碳会造成死亡。O3:地表臭氧对眼睛、呼吸道有侵蚀和损害作用,也对农作物或森林有害。悬浮颗粒物(PM10、PM2.5、PM1):可吸入,有较强的吸附能力,可吸附各种金属粉尘和强致癌物苯并
4、(a)芘、吸附病源微生物等。,特殊污染因子,VOC:Volatile Organic Componds挥发性有机化合物,Ozone 臭氧,O3现状II,VOC包括,空气监测站分析仪器构成,大气监测站采样设施,大气监测站采样设施,大气监测站内部概览,大气监测站机柜摆放,大气监测站内部典型仪器,大气监测站内部典型仪器,大气监测站内部典型仪器,离子色谱,OC/EC,粒径谱仪,激光雷达,能见度仪和太阳光度计,颗粒物分析仪的采样装置,离子色谱的采样装置,NOY分析仪的转化炉,分析系统组成,数据传输示意图,本次培训涉及的仪器仪表,API 100E SO2 分析仪API 200E NOX 分析仪API 30
5、0E CO分析仪API 400E O3 分析仪API 700E 动态校准仪API 701 零气发生器Synspec GC955系列VOC分析仪TE 1405 颗粒物分析仪,API SO2分析仪,API SO2分析仪原理,M100E基础部件为一个紫外(UV)类(A)、校准偏差的凸透镜(B)、样气反应室(C)和参考检测器(D)。紫外灯发出一束光通过反应室,由检测器测量光的强度。,API SO2分析仪原理,在光路上增加一片UV光滤光片,只有214nm的紫外光通过反应室。,API SO2分析仪原理,增加一个泵,让样气通过反应室。,API SO2分析仪原理,样气中如果有SO2气体通过反应室,214nm的
6、紫外光子撞击SO2分子,产生330nm的紫外荧光。,API SO2分析仪原理,增加一个330nm的滤光片(F)、凸透镜(L)和光电倍增管检测器(PMT),可以检测荧光,并通过冷却PMT,以降低信号的背景噪声,因此需增加一个热电冷却器(C)减少PMT温度到7-9oC。,API SO2分析仪原理,为减去分析仪里的其他的测量噪声,增加一个DARK SHUTTER(S)。当SHUTTER打开时候,光就会通过反应室。而当SHUTTER关闭时候,就没有荧光发生,输的只是电路光学信号,对SO2的荧光的不相干的,这个DARK OFFSET会计算时减去。,API SO2分析仪原理,为保证仪器24小时不间断测量,
7、样气首先需要经过一个5um的PTFE(聚四氟乙烯、也称特氟龙)滤膜;为保证气路流量恒定(650ml/min)和数值显示,配制一个限流孔装置和流量传感器;另外也配置了样气温度和压力传感器;和为去除碳氢化合物对测定影响,在气路上串联上去烃器(KICKER)。,API SO2分析仪原理,项目中,通常M100E分析仪选装由CPU控制的PTFE(特氟龙)零/满阀,主要为了便于用户直接将校准气体接入仪器,自动进行零/满检查或校准。,API SO2分析仪原理,M100E仪器测量方法的物理原理是紫外荧光法,当紫外光在波长范围190 nm-230 nm时,激发SO2后,产生荧光。这个反应分两步进行。,API S
8、O2分析仪原理,第一步,当SO2分子被恰当波长(190 nm-230 nm)的紫外光子撞击,保留了一些过剩的能量,引起SO2分子的其中一个电子跃迁到一个更高能量轨道状态。在M100E仪器的情况下,UV光源的一个波段的光可以通过滤光片,受激发的气体限制UV光的波长大约为214 nm。,API SO2分析仪原理,第二步,激发态的SO2分子,会自发跃迁回到基态,并释放出330nm波长的光。测量这个光强,可以计算出SO2的质量,除以反应室体积,就得到SO2的浓度。,API SO2分析仪的信号传递,首先,HVPS给PMT检测器供电,HVPS,Model 100E,PMT输出微弱的电流信号,经过前置放大器
9、板P,转换成电压信号,通过V-to-F转换成频率信号输入到CPU进行计算和存储。,HVPS,P,V-to-F,CPU,Model 100E,PMT温度需要控制在5o-10o C。,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,Model 100E,采样温度、采样压力和机箱温度传感器,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,ST,SP,BT,Model 100E,参比检测器的信号传递也是一样的。同样,反应室的温度(50C)由H和RT监测。,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,ST,SP,BT,REF,RT,H,Model 100E,每30min
10、,SHUTTER关闭一次。,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,ST,SP,BT,REF,RT,H,SHUTTER,Model 100E,最后得到SO2浓度的计算公式。,P/2,P(D/C)/2-(S+O),P,1/2,日常维护,SO2 API Model 100E项目时间频率更换滤膜0.1 hr.每2周更换泵膜0.2 hr.每半年清洗反应室0.5 hr.每年检查气路0.1 hr.每年工厂校准1.0 hr.每年检漏0.5 hr.每年,API NOX分析仪,API NOX分析仪,API NOX 分析仪背部面板,Model 200E,O3和NO混合会产生化学荧光反应,O3,N
11、O,API NOX 分析仪,首先反应会产生激发态的NO2*和氧气,O3+NO NO2*+O2,Model 200E,NO2*不稳定,很快会跃迁回基态,同时释放出1100nm的光,NO2*NO2+h1100 nm,Model 200E,O3Gen通过电弧放电,将空气中的O2转换成O3,并将其输入到反应室。,Rx,O3 GEN,Model 200E,采样泵将样品抽入。,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,Model 200E,通过限流孔将反应室压力控制在5”Hg.,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,CFO,CFO,Model 200E,使用PMT监测由于NO产生的荧光,Rx,O3 GEN,S
12、AMPLE,P,PMT,Model 200E,F是光栅TEC是制冷片,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,PMT,F,TEC,Model 200E,Nox=NO+NO2,.为了监测NO2,我们让样品通过/不通过转化炉(MOLY,315oC),MOLY会将NO2转化成NO进行测量,两者的差值即为NO2的浓度。,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,PMT,F,TEC,NO/NOx,MOLY,Model 200E,AZV用于测量背景,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,PMT,F,TEC,NO/NOx,MOLY,AZV,Model 200E,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,PMT,F,T
13、EC,MOLY,F,DRYER,DRYER和F用于过滤空气,Model 200E,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,PMT,F,TEC,MOLY,F,DRYER,SF用于过滤样品中的灰尘,D用于去除未反应的O3,SF,D,Model 200E,Rx,O3 GEN,SAMPLE,P,PMT,F,TEC,MOLY,F,DRYER,Zero/Span阀用于切换样品和校准气体,SF,SAMPLE,SPAN,ZERO,OPTION,D,Model 200E,电路方面,首先是检测器PMT和高压电源HVPS,HVPS,Model 200E,PMT输出微弱的电流信号,经过前置放大器板P,转换成电压信号,通
14、过V-to-F转换成频率信号输入到CPU进行计算和存储。,HVPS,P,V-to-F,CPU,Model 200E,PMT输出的信号首先经过P转换成电压信号,再通过V-to-F转换成频率信号输入CPU进行计算和存储。,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,Model 200E,T0、ST、SP和BT分别对应PMT的温度传感器、采样温度传感器、采样压力传感器和机箱温度传感器,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,ST,SP,BT,Model 200E,反应室温度需要控制在50o C,H是反应室的加热装置,MFT是O3流量传感器,DP是差分压力传感器,用于测
15、量采样流量。,HVPS,P,V-to-F,CPU,SWITCHER,T,ST,SP,BT,RT,H,MFT,DP,Model 200E NO NO2 NOx,以上是化学荧光法NO/NO2/NOX分析仪的气路电路结构。,API NOX分析仪的日常维护,NO/NO2/NOx-Model 200E项目耗时频率更换滤膜0.1 hr.每两周清晰反应室0.5 hr.每年流量测试0.1 hr.每年测试转化炉效率0.5 hr.每半年检查气路结构0.1 hr.每年工厂校准1.0 hr.每年检漏0.5 hr.每年,API CO分析仪,API CO分析仪背面板接口,分析原理:某种分子固有的吸收光谱波长相等的红外光线
16、单色光,照射具有一定厚度的这种分子层时,入射光的强度与透过光的强度之间的关系与可见光一样,符合朗白比尔定律式中:IO红外线入射光强度I=红外线透过光强度a=分子的吸收系数(CO在4.7um)L=分子层厚度C=分子的浓度,I=Io e-aLc,Model 300E,Model 300E,M300E就是利用朗白-比尔定律来测定浓度,在吸收光径上CO的浓度。但是有许多气体在4.7um波长光均也有吸收,如CO、H2O,而他们相比CO来说更常见而且是大量的。M300E采用了GFC(气体相关过滤)技术来排除这两种气体干扰,而且对其他干扰气同样有效),c=ln(Io/I)(1/aL),Model 300E,
17、GFC设计:最早我们用的是一个特殊金属层设计成GFC轮。,Model 300E,GFC最新技术:现在我们将GFC轮上挖出了两个间隔的空洞。一个充满了氮气。这个叫做测量池。另一个充满了高浓度的一氧化碳气体,这个叫参考池。气轮两边贴面为类似“玻璃”的材料将气体很好封在内,它能通过4.7um光子。而普通玻璃要吸收4.7um光。,N2,CO,Model 300E,看侧剖面图,我们可以看见GFC轮的厚度。当红外光通过测量池,那么根据比尔定律穿过气轮的长度后被吸收。,CO,L,测量,参考,Model 300E,演示:我们在GFC轮一端放置红外灯,腔体在一个轮轴转动,然后红外光交替的在穿过测量池和参考池。我
18、们在另一边放置了滤光片(除4.7um)和由锡化铅(PbSe)制成的特殊检测器,来测量4.7um光束。,CO,L,MEAS测量,REF参考,DET检测器,IR红外光,F,Model 300E,现在我们加入一个气室,没有CO气体在里面。气室有两个窗让红外光透过。我们再装一个光电检测器仪表(A)来测量输出的信号。当光路穿过参考池,被气轮中的CO吸收,因此仪表会显示非常低的值。,CO,L,MEAS,REF,DET,IR,F,A,Model 300E,当气轮转动,光束通过测量池(N2)到达检测器,光束在测量池基本无吸收因而检测器读到很高的值。,CO,L,MEAS,REF,DET,IR,F,A,Model
19、 300E,两个过程就会出现了通过测量池相应高测量峰(M)和通入参考池相应低测量峰(R)。M300E就是测出两个峰的差值(DH)。,CO,L,DET,IR,F,R,R,R,M,M,M,M,R,DH,Model 300E,因此,我们在气室里面增加了CO气体,会让光束通入测量池相应的高测量峰的峰高会下降,然而通入参考池相应峰没有变化。因为气室里的CO吸收了部分4.7um光,因此检测器测出信号会减少。,CO,L,DET,IR,F,R,R,R,M,M,M,M,Model 300E,现在增加一些干扰气,如水蒸汽,和CO气体一起进入气室,测量峰和参考峰会有相同数量值的下降。那么它们之间的差值还是固定的。因
20、此不管在任何时候用GFC,测得的两个峰值差值就是CO的信号峰。,CO,L,DET,IR,F,R,R,R,M,M,M,M,R,Model 300E,CO分析仪的结构解析:最早我们使用很长光路(16m)通过拆射达到象一个白血球(white cell)。这个吸收池由一个气室和两端共焦镜加工而成。,M,M,Model 300E,那我们可能如上图,在气室设两个红外光的入口和出口中,在入口和出口装两个小镜片让光能直接射入和射出。,m,m,IN,OUT,Model 300E,红外光来自光外光发射器。而GFC轮放置在发射器与气室光路之间GFC轮的转动由同步电动机以1850转/分进行。这个GFC轮温度由的小烘箱
21、稳定的控制在65C(虚线表示)。,IR,M,Model 300E,检测器及前置放大器(D/P)在金属壳里(虚线表示)被附在气室光路出口。,Model 300E,检测器本身由一个窄带滤光一个铅盐类晶体、它就是检测器表面(D),另外还有一个两点热电冷却器(T)。红外通过气室聚焦在检测器表面。导致铅盐类晶体产生电流(I),然后由前置放大器放大信号。整个装置的宽度仅有几个毫米。,P,I,IR,F,D,T,Model 300E,电子检测器(D)将信号送到前置放大器(PA),稍后到达同步解调器(sync-DEMOD)电路,信号又送到电压频率转换电路,将模拟信号转换成数字信号存储到微处理器(CPU)存储器中
22、。,D,PA,V-F,SYNC-DEMOD,CPU,Model 300E,因为仪器需要知道现在测量的是GFC轮是参考池或是测量池,那就有一个小红外光发射器/检测器组合(E/D),它有两个用途,其一与铅盐类晶体输出同步(D),另外提供噪声降低的断路器信号。,D,PA,V-F,SYNC-DEMOD,CPU,E/D,Model 300E,CPU数字仪号通过数模转换器成为模拟信号,并且可以将信号平行同步传给记录仪、DATALOGGER、PLC。仪器信号输出接线端子就是在仪器背面板上。可以有两个不同范围的浓度输出及一路可供择的性能参数值。,D-to-A,D-to-A,D-to-A,CPU,CO(High
23、),CO(Low),Test,Model 300E,P,F,CF,F微粒过滤器CF流量控制限流孔P泵,Model 300E,T温度传感器P压力传感器F流量传感器,P,F,T,Model 300E,选装件介绍:SAMPLE/CAL阀:测量和校准三通阀ZERO/SPAN三通阀:零气和跨距气三通阀ZERO校准用的零气,可配置一个加热的贵金属催化剂(C)。SPAN满度气。如果直接接钢瓶气,那就需要关闭阀(S)和限流孔然后接到Z/S三通阀,多余气体从VENT排出(V)。,P,F,T,SAMPLE,SPAN,ZERO,C,S,PO,ZS,V,Model 300E,与M700和M701配备使用,我们就需要以
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