一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統的製作方法

2023-10-17 09:03:14 3

一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，包括測量模塊和數據採集與控制模塊，其特徵在於：還包括自動進樣模塊和動力裝置，自動進樣模塊的出口連接測量模塊的入口，動力裝置與測量模塊的出口相連接為其採樣提供動力，數據採集與控制模塊的輸出端與自動進樣模塊、測量模塊和動力裝置連接並控制各個模塊協調同步工作。有益效果是：自動進樣模塊和動力裝置連續不斷的抽取空氣到光學衰蕩腔中進行自動連續測量，可調諧雷射器產生特定波長的多個波長的光，可測量多種組分；波長解析度可達0.0001cm-1，抗幹擾力強；採用光腔衰蕩檢測技術，氣體濃度與衰蕩時間成正比，受光源波動、光強衰減因素影響小，穩定性好且測量數值準確。
【專利說明】一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及氣體檢測及自動化控制【技術領域】，尤其是一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統。
【背景技術】
[0002]溫室氣體是指大氣中能產生溫室效應的氣體成分。《京都議定書》規定限排的6種主要溫室氣體為C02、CH4、N20、HFCs、PFCs和SF6，其時空分布及其變化在地氣系統的輻射收支和能量平衡中起著決定性作用。溫室氣體監測是研究溫室氣體濃度變化趨勢以及源和匯的構成、性質和強度等的基礎，也是大氣環境科學的重要課題，對溫室氣體分布評估和應對氣候變化有重要意義。
[0003]穩定同位素是指高度穩定且不衰變的同位素，2H、13C、170、180等是生態系統中常見的穩定同位素。不同的排放源中穩定同位素的含量是不同的，用樣品的同位素比值相對於標準物質同位素比值的千分差S來表示。對與13C,大氣背景、C3植物、C4和植物化石燃料的δ分別為:約-8、約-25到-28、約-12到-15、約-24到-44。通過監測溫室氣體穩定同位素濃度及其變化趨勢，可以識別大氣溫室氣體來源，評估不同汙染源對溫室氣體排放的貢獻，對於全球碳變化與碳平衡研究具有重要意義。
[0004]現有的溫室氣體監測技術主要包括傅立葉變換紅外光譜技術、非分散紅外吸收光譜技術和可調諧半導體雷射吸收光譜技術等，它們無論是在靈敏度、最低檢出限、長期穩定性等方面均不能滿足大氣中痕量溫室氣體監測的需求；同時，目前的同位素監測技術主要採用實驗室用的穩定同位素比值質譜儀，體積龐大，操作程序複雜，不能滿足自動化在線監測的需求，且需要對氣體進行除水、除有機物等多種操作，否則會引起測量結果的較大偏差。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種可以同時測量多種痕量氣體的、結構簡單、測量準確的溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統。
[0006]為了完成上述目的，本發明採用的技術方案是:
[0007]—種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，包括測量模塊和數據採集與控制模塊，還包括自動進樣模塊和動力裝置，所述的自動進樣模塊的出口連接測量模塊的入口，所述的動力裝置與測量模塊的出口相連接為其採樣提供動力，所述的數據採集與控制模塊的輸出端與自動進樣模塊、測量模塊和動力裝置連接並控制各個模塊協調同步工作。
[0008]所述的自動進樣模塊包括粗過濾器、電磁閥組和細過濾器，所述的電磁閥組與數據採集與控制模塊相連接，數據採集與控制模塊控制電磁閥組的打開與關閉，粗過濾器和細過濾器分別裝配在電磁閥組的入口和出口處，細過濾器的出口與測量模塊的入口相連接。
[0009]所述的電磁閥組由多個電磁閥組成，電磁閥的入口與粗過濾器一一對應。[0010]所述粗過濾器的過濾網的目數小於細過濾器的過濾網的目數，所述的粗過濾器對粒徑大於0.3 μ m的顆粒的過濾效率> 95%，所述的細過濾器對粒徑大於0.1 μ m的顆粒的過濾效率> 99.5%。
[0011]所述的測量模塊包括可調諧雷射器、波長監測器、光學衰蕩腔、光電探測器、雷射器控制模塊和溫壓控制模塊，可調諧雷射器的輸出端與波長監測器的輸入端相連接，波長監測器的輸出端與光學衰蕩腔的光學入口和雷射器控制模塊的輸入端相連接，雷射器控制模塊的輸出端與可調節雷射器的輸入端相連接，光學衰蕩腔的光學出口與光電探測器的輸入端相連接，光電探測器的輸出端與數據採集與控制模塊的輸入端相連接，溫壓控制模塊與光學衰蕩腔相連接並控制光學衰蕩腔的溫度和壓力。
[0012]所述的溫壓控制模塊控制光學衰蕩腔內的溫度和壓力，溫度控制精度
<±0.005°C，壓力控制精度< ±0.02kPa。
[0013]所述的光學衰蕩腔包括腔體、入射透鏡、反射鏡、出射透鏡、溫度傳感器和壓力傳感器，入射透鏡、反射鏡和出射透鏡安裝在腔體內部，溫度傳感器和壓力傳感器安裝在腔體外壁上並與腔體內部連通，溫度傳感器和壓力傳感器與溫壓控制模塊相連接。
[0014]所述的入射透鏡和出射透鏡為高反射透鏡，所述的反射鏡為球面反射鏡，所述的入射透鏡、反射鏡和出射透鏡呈等腰三角形布置，入射透鏡和出射透鏡對稱布置在反射鏡的兩側。
[0015]所述的可調諧雷射器產生的雷射的波長範圍為1510-1640nm。
[0016]本發明的有益效果是:由於自動進樣模塊和動力裝置連續不斷的抽取空氣到光學衰蕩腔中進行自動連續測量，可調諧雷射器產生特定波長的多個波長的光，能夠同時測量多種組分；波長解析度可以到達0.0OOlcm—1，抗幹擾能力強；採用光腔衰蕩檢測技術，氣體濃度與衰蕩時間成正比，受光源波動、光強衰減等因素影響小，長期穩定性好且測量數值更加準確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的結構框圖。
[0018]圖2是圖中自動進樣模塊的結構示意框圖。
[0019]圖3是圖1中光學衰蕩腔的結構示意圖。
[0020]圖中，1、自動進樣模塊，2、測量模塊，3、動力裝置，4、數據採集與控制模塊，5、光學衰蕩腔，6、可調諧雷射器，7、波長監測器，8、雷射器控制模塊，9、光電探測器，10、溫壓控制模塊，11、粗過濾器，12、電磁閥，13、細過濾器，14、腔體，15、入射透鏡，16、出射透鏡，17、反射鏡，18、溫度傳感器，19、壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0021]本發明為一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，由於自動進樣模塊和動力裝置連續不斷的抽取空氣到光學衰蕩腔中進行自動連續測量，可調諧雷射器產生特定波長的多個波長的光，能夠同時測量多種組分；波長解析度可以到達0.0OOlcnr1，抗幹擾能力強；採用光腔衰蕩檢測技術，氣體濃度與衰蕩時間成正比，受光源波動、光強衰減等因素影響小，長期穩定性好且測量數值更加準確。[0022]下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0023]具體實施例，如圖1至圖3所示，一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，包括測量模塊2和數據採集與控制模塊4，還包括自動進樣模塊I和動力裝置3，所述的自動進樣模塊I的出口連接測量模塊2的入口，所述的動力裝置3與測量模塊2的出口相連接為其採樣提供動力，所述的數據採集與控制模塊4的輸出端與自動進樣模塊1、測量模塊2和動力裝置3連接並控制各個模塊協調同步工作。
[0024]所述的自動進樣模塊I包括粗過濾器11、電磁閥組和細過濾器13，所述的電磁閥組與數據採集與控制模塊4相連接，數據採集與控制模塊4控制電磁閥組的打開與關閉，粗過濾器11和細過濾器13分別裝配在電磁閥組的入口和出口處，細過濾器13的出口與測量模塊2的入口相連接。電磁閥組由多個電磁閥12組成，通過開關不同的電磁閥12可切換樣氣流路，電磁閥12的入口與粗過濾器11 一一對應。粗過濾器11的過濾網的目數小於細過濾器13的過濾網的目數，粗過濾器11對粒徑大於0.3 μ m的顆粒的過濾效率> 95%，細過濾器13對粒徑大於0.1 μ m的顆粒的過濾效率> 99.5%，保證進入測量模塊2的氣體免受顆粒物汙染。
[0025]所述的測量模塊2包括可調諧雷射器6、波長監測器7、光學衰蕩腔5、光電探測器
9、雷射器控制模塊8和溫壓控制模塊10,可調諧雷射器6的輸出端與波長監測器7的輸入端相連接，可調諧雷射器6產生的雷射的波長範圍為1510-1640nm,波長監測器7的輸出端與光學衰蕩腔5的光學入口和雷射器控制模塊8的輸入端相連接，雷射器控制模塊8的輸出端與可調節雷射器6的輸入端相連接,光學衰蕩腔5的光學出口與光電探測器9的輸入端相連接，光電探測器9的輸出端與數據採集與控制模塊4的輸入端相連接，溫壓控制模塊10與光學衰蕩腔5相連接並控制光學衰蕩腔5的溫度和壓力。
[0026]所述的光學衰蕩腔5包括腔體14、入射透鏡15、反射鏡17、出射透鏡16、溫度傳感器18和壓力傳感器19，入射透鏡15、反射鏡17和出射透鏡16安裝在腔體14內部，溫度傳感器18和壓力傳感器19安裝在腔體14外壁上並與腔體14內部連通，溫度傳感器18和壓力傳感器19與溫壓控制模塊10相連接。
[0027]所述的入射透鏡15和出射透鏡16為高反射透鏡，所述的反射鏡17為球面反射鏡，所述的入射透鏡15、反射鏡17和出射透鏡16呈等腰三角形布置，入射透鏡15和出射透鏡16對稱布置在反射鏡17的兩側。
[0028]本發明的工作過程為:樣氣經過自動進樣模塊I的粗過濾器11和細過濾器13兩級過濾後，乾淨的空氣進入測量模塊2 ;採樣動力由動力裝置3提供，通過電磁閥組可切換樣氣流路，實現不同氣源(如標氣、零氣或空氣)和不同地點氣體的測量。在雷射控制模塊8的控制下，可調諧雷射器6在1510-1640nm的波長範圍內進行掃描，其部分出射光進入波長監測器7監測其波長，另一部分進入光學衰蕩腔5。波長監視器7將檢測結果反饋給雷射器控制模塊8，雷射器控制模塊8根據反饋結果控制可調諧雷射器6的波長掃描，這樣就實現了雷射波長的閉環控制，保證系統雷射波長測量的準確性。進入光學衰蕩腔5的雷射首先透過入射透鏡15，併到達出射透鏡16 ;出射透鏡16為高反射透鏡，從入射透鏡15來的雷射，一小部分透過出射透鏡16，到達光電探測器9，大部分在出射透鏡16表面被反射，反射光又被球面反射鏡反射鏡17反射，併到達入射透鏡15，在入射透鏡15上再次被反射，進入出射透鏡16，如此反射投射，周而復始，直到光全部消失。光電探測器9探測到得信號為隨時間衰減的光信號，光學衰蕩腔5內無吸收氣體的或雷射的波長與氣體的吸收波長不吻合的時候，衰減時間受入射透鏡15、出射透鏡16和反射鏡17的反射、投射係數影響，為固定常數；光學衰蕩腔5內有吸收氣體的或雷射的波長與吸收氣體的吸收波長相等時，衰減時間縮短，並且衰減時間與氣體濃度成正比，通過這種方式就可以測得目標氣體的濃度。光學衰蕩腔5的外壁上裝有溫度傳感器18和壓力傳感器19，並將測量結果反饋給溫壓控制模塊10，溫壓控制模塊10將光學衰蕩腔5內的溫度和壓力控制在一定範圍內，正常運行條件下，為保證測量結果的準確可靠溫度控制精度< ±0.005°C，壓力控制精度< ±0.02kPa，數據採集與控制模塊4控制整套系統的運行、數據採集、濃度計算與結果輸出。由於自動進樣模塊和動力裝置連續不斷的抽取空氣到光學衰蕩腔中進行自動連續測量，可調諧雷射器產生特定波長的多個波長的光，能夠同時測量多種組分；波長解析度可以到達0.0OOlcnT1，抗幹擾能力強；採用光腔衰蕩檢測技術，氣體濃度與衰蕩時間成正比，受光源波動、光強衰減等因素影響小，長期穩定性好且測量數值更加準確。
【權利要求】
1.一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，包括測量模塊(2)和數據採集與控制模塊(4)，其特徵在於:還包括自動進樣模塊(I)和動力裝置(3)，所述的自動進樣模塊(I)的出口連接測量模塊(2)的入口，所述的動力裝置(3)與測量模塊(2)的出口相連接為其採樣提供動力，所述的數據採集與控制模塊(4)的輸出端與自動進樣模塊(I)、測量模塊(2)和動力裝置(3)連接並控制各個模塊協調同步工作。
2.根據權利要求1所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的自動進樣模塊(I)包括粗過濾器(11)、電磁閥組和細過濾器(13)，所述的電磁閥組與數據採集與控制模塊(4)相連接，數據採集與控制模塊(4)控制電磁閥組的打開與關閉，粗過濾器(11)和細過濾器(13)分別裝配在電磁閥組的入口和出口處，細過濾器(13)的出口與測量模塊(2)的入口相連接。
3.根據權利要求2所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的電磁閥組由多個電磁閥(12)組成，電磁閥(12)的入口與粗過濾器(11) 一一對應。
4.根據權利要求2所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述粗過濾器(11)的過濾網的目數小於細過濾器(13)的過濾網的目數，所述的粗過濾器(11)對粒徑大於0.3 μ m的顆粒的過濾效率> 95%，所述的細過濾器(13)對粒徑大於0.1 μ m的顆粒的過濾效率> 99.5%。
5.根據權利要求1所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的測量模塊(2)包括可調諧雷射器(6)、波長監測器(7)、光學衰蕩腔(5)、光電探測器(9)、雷射器控制模塊(8)和溫壓控制模塊(10)，可調諧雷射器(6)的輸出端與波長監測器(7 )的輸入端相連接，波長監測器(7 )的輸出端與光學衰蕩腔(5 )的光學入口和雷射器控制模塊(8)的輸入端相連接,雷射器控制模塊(8)的輸出端與可調節雷射器(6)的輸入端相連接，光學衰蕩腔(5)的光學出口與光電探測器(9)的輸入端相連接，光電探測器(9)的輸出端與數據採集與控制模塊(4)的輸入端相連接，溫壓控制模塊(10)與光學衰蕩腔(5)相連接並控制光學衰蕩腔(5)的溫度和壓力。
6.根據權利要求5所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的溫壓控制模塊(10)控制光學衰蕩腔(5)內的溫度和壓力，溫度控制精度<±0.005°C，壓力控制精度< ±0.02kPa。
7.根據權利要求5所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的光學衰蕩腔(5 )包括腔體(14)、入射透鏡(15 )、反射鏡(17 )、出射透鏡(16 )、溫度傳感器(18)和壓力傳感器(19)，入射透鏡(15)、反射鏡(17)和出射透鏡(16)安裝在腔體(14)內部，溫度傳感器(18)和壓力傳感器(19)安裝在腔體(14)外壁上並與腔體(14)內部連通，溫度傳感器(18 )和壓力傳感器(19 )與溫壓控制模塊(10 )相連接。
8.根據權利要求7所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的入射透鏡(15)和出射透鏡(16)為高反射透鏡，所述的反射鏡(17)為球面反射鏡，所述的入射透鏡(15)、反射鏡(17)和出射透鏡(16)呈等腰三角形布置，入射透鏡(15)和出射透鏡(16)對稱布置在反射鏡(17)的兩側。
9.根據權利要求5所述的一種溫室氣體及其穩定同位素在線監測系統，其特徵在於:所述的可調諧雷射器(6)產生的雷射的波長範圍為1510-1640nm。
【文檔編號】G01N21/39GK103760136SQ201410027323
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2014年1月21日
【發明者】楊建虎, 崔延青, 孫程, 吳光輝, 李錚, 要海東 申請人:河北先河環保科技股份有限公司