长光程空气质量自动监测系统

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空气质量监测技术发展： 70年代，以美国和法国为代表的国家发展了点式干法空气质 量在线监测技术，其采用的是气体化学或物理发光原理进行光强度 监测的技术。根据不同的污染气体利用不同的发光原理：SO2采用紫 外线荧光法、NO2采用化学发光法、O3紫外光度法、CO非分散红外吸 收法。一台仪器只能测量一种污染气体。 90年代，国外开始研究空气中污染气体监测的长光程差分光学 吸收光谱（DOAS)技术，其利用痕量污染气体成份对紫外及可见光 波段的光吸收特征来进行分析监测的技术。一台仪器可以测量多种 污染气体。 在国内，中科院安徽光学精密机械研究所在2001年申请将基于 DOAS技术的“城市空气质量自动检测系统关键技术及集成设备研制” 列入国家“863计划”课题，在消化吸收国外技术基础上、结合自 身科学研究成果，于2002年研制成功第一代DOAS气体监测仪样机。
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DOAS气体监测仪特点： 代表性：线采样，平均污染状况，无须多点取样 非接触：因而可以避克一些干扰源的影响,比如检测对象的化 学变 化、采样器壁的吸附损失等，这特别适合于测量一些性质比较活泼 的气体分子和离子的质量浓度,比如NO3 、BrO 和OH等，在测量时 不会影响被测气体分子的化学特性。 多组分：一台设备可测量SO2、NO2、O3、苯系物、甲醛等。 维护量少：8到10个月更换一只氙灯；6到12个月用酒精将角反射 镜及望远镜前窗镜表面擦洗一次； 运行费用低：运行费用低，一年只需更换1只氙灯 、10卷滤纸， 约1万元左右。。
光纤架
测量光路距离Lm 光阑 校准池长度
校准平台 光纤
分析仪
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可吸入颗粒物（PM10/PM2.5）监测技术
PM10的含义： P— P是英文微粒particulate的第一个字母；M—是物质matter的第一个字母； 10(2.5)—空气动力学直径小于10(2.5)μm颗粒物。
1、β射线法 利用β射线衰减量测试采样期间增加的颗粒物质量。环 境空气由抽气泵吸入采样管，经过滤膜后排除，颗粒物沉积在 采样滤膜上，当β射线通过沉积在颗粒物的滤膜时β射线能量 衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。 2、微量振荡天平法(TEOM) 在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在空心锥形 管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特性和 它的质量。当采样气流流过滤膜，颗粒物沉积在采样滤膜上， 滤膜质量变化导致振荡频率的变化，通过测量振荡频率的变化 计算出滤膜上颗粒物的质量浓度。
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原理：
通过吸收物质(如纸带上的尘)， β射线粒子的衰减量接近指数。 两者之间的联系 ： － x
I I 0e
m
式中：I是测定（每一单位时间的计数） β射线的衰减强度（带尘样的纸带），I0测 定未经衰减的β射线的强度（清洁纸带），μm称为质量吸收系数或质量衰减系数 （cm2/g），x是吸收物质的质量密度（g/cm2）。 上式可变换为：
采用滤纸防潮智能动态加热专利技术，减少了湿度和挥发性颗粒物
对测量精度的影响。
* 选用高质量的质量流量控制器，流量实现闭环自动控制； * 具备膜片自动校准功能。
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纸带传动机构区别：
单通道监测结构 双通道监测结构
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两种纸带传动机构的优缺点：
设备安装较复杂，操作不方便
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两种光谱数据扫描方式：
* DOAS-I旋转式窄缝扫描光谱，探测器采用光甴倍管。 * DOAS-II光谱扫描是采用PDA探测器。
DOAS-I光谱扫描结构图 DOAS-II光谱扫描结构图
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采用狭缝扫描方式的缺点： 在分析不同污染气体时，光栅要来回的运转，一方面导致长时间运转光栅
通过对比 (1) 储存在分析仪內出厂的汞灯光谱 (2) 在现场使用汞灯生成的光谱以检查光柵的位置是否偏移
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标气定期校准
标准气体(钢瓶气)对DOAS系统进行单点精密度标定和多点准确度检 查。而采用在监测光束中揑入检查样品池，用等效的方法进行校准(见 图)。
角反射器
排气口 发射接收器
Lc1
校准池 Lc2
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* 点式紫外荧光法测SO2
该法的原理是基于紫外灯发出 的 紫外光（190～230nm）通过214nm 的滤光片,激发SO2分子使其处于 激 发态,在SO2分子从激发态衰减返 回 基态时产生荧光(240～420nm),荧 光强度由一个带着滤光片的光甴 倍 增管测得。
进气口
反应室
紫外光源 透镜 出气口 滤光片 数据处理器 光电倍增管 放大器
数据采集器
DOAS气体分析仪
可 吸 入 颗 粒 物 PM10/PM2.5监测仪
气象参数监测仪
（可扩展）其它 监测仪器
图1 系统组成方框图
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系统组成结构示意图
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环境光学监测技术 对于环境污染监测，光学和光谱遥感技术提供了许多有效的测量 手段，其中某些技术已应用于环境污染气体监测仪器。 1、差分光学吸收光谱(DOAS)技术：广泛用在UV/VIS波段，监测常见污 染物O3、NOx、SO2 和苯系物等，测量的种类限于对该波段有窄吸收光 谱线的气体成分，对于大气平流层中的易反应气体NO3和HONO的测量十 分有效。 2、TDLAS技术：如果测量一种或二种有毒气体，TDLAS技术有着非常高 的光谱分辨率、高灵敏度和时间响应，用二极管激光器可以降低成本。 可监测特殊污染气体NH3、H2S等。 3、傅立叶光谱技术(FTIR)：特别适用测量和鉴别污染严重的空气成 分，有机物或酸类，对于干净环境中的痕量气体其灵敏度不够。监测 污染物为CO、NH3、VOCs等。
O3
SO2
NO2
角反射器
O3
SO2
NO2
分析仪
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典型的气体吸收截面图
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* 系统组成
典型长光程DOAS空气质量连续自动监测系统由DOAS气体 监测仪、可吸 入颗粒物（2.5PM10/PM2.5）监测仪、气象参数监测仪、数据 采集器和中心 站数据管理子系统组成，系统组成方框图如图1所示。
数据通讯网络 中心站系统
汞灯校准波长方式
汞灯标定的目的是波长精确定位检查，检查光栅的位置，若光栅 位置发生偏离，则影响仪器测量的准确性。 目前汞灯标定采用的方式分为手动和自动两种方式，我公司产品采 用自动校准方式。 实现方式：是通过软件设置校准时间，每天可任意设置汞灯校准次 数，有效的保证了波长的精确定位，提高了测量的准确性。
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DOAS监测技术特点： * 多光谱技术实时监测 采用氙灯作为光源，紫外差分吸收光谱技术分析大气中SO2、NO2、 O3和苯系物等浓度。兊服了传统采样分析方法实时性差的缺点，实现了 完全非接触式自动监测。实时给出一个区域的污染气体分布。 * 高灵敏度和高分辨率 采用目前分析微量元素的最佳方法——光谱法，配合高分辨率紫外 差分吸收光谱技术，获得了测量的高灵敏度和高分辨率，指标可达到 ppb量级。在所选用的工作光谱波段中水分和其他气体几乎没有吸收， 使系统具有良好的选择性，不受其它成分的干扰。 * 同时分析多种污染物，增加新的监测成份无需更换硬件。 应用差分吸收光谱技术，与传统的采样分析相比，通过改变光谱波 长，可以同时分析多种污染物。由于采用了光学差分吸收技术，可消除 颗粒物及光源辐射慢变化对测量结果的影响。如果系统需要增加新的有 机或无机监测成份，系统的硬件不需改变，只需增加相应的标准吸收谱 线、升级软件即可。
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* 点式化学发光法测NO、NO2、NOx
该法的原理是基于NO与O3 的化学发光反应生成激发态的 NO2分子，在返回基态时放出与 NO浓度成正比的光，用红敏光 甴倍增管接收此光即可测得NO 浓度，对于总氮氧化物的测 定，须先将样气中NO2转换成 NO，再与O3反应后进行测定， 即得NOX浓度，两次测定值的差 值即为NO2的浓度。
x
1
m
ln
I0 I
在实际操作中，在特定时间（△t）内，环境空气以恒定流率采入。这些采入的空气 通过纸带的表面区域A。一旦算出吸收物质密度x，即可通过公式（3）算出环境中粒 子物质的浓度值。
mg 10 3 A(cm 2 ) x Mc（ 3 ） liter m Q( ) △T (min) min
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两种监测方法的比较
DOAS监测系统
系统组成 单套DOAS光谱分析系统
点式监测系统
一种污染成份需要一台测量仪器，由多套仪 器构成，另外还需配备零气发生器、标气、 配气系统
系统投资
国外系统约60～70万；国内系统 45万左右，增加新的监测气体， 无需硬件投入，增加分析软件功 能既可。 有机物、无机物多达20多种（CO 除外）
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公司最新研制的PM10/PM2.5监测仪主要优势 * 纸带传动机构创新设计 常规的PM10通过转动β源在一个通道内来完成计数、采样 的转换； 公司PM10通过移动纸带在两个通道内分别完成采样、计数。 * 测量精度提高 盖革管计数器重新选型进口产品； 新结构保证盖革管表面不易污染，提高了监测精度。
5 4 3 2 样品气 7 1 废 气 干燥空气 6
1， 臭氧发生器
2，反应室
3，探测器
4，控制电路
5，显示器
6， 钼转换器
7，洗涤器
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长光程DOAS气体监测技术简介：
1、差分光学吸收光谱（Differential Optical Absorption Spectroscopy , 简称DOAS）气体监测技术是近年来发展的大气环境污染监测的一项高新技 术。它是以空气中的痕量污染气体成份对光程内紫外及可见光波段的特征吸 收光谱特性为基础，通过特征差分吸收光谱鉴别环境空气中污染物气体的类 型和浓度。 2、由于每种气体都具有自己独特的吸收光谱，通过光谱分析仪和计算机可解 析出每种气体的特征吸收光谱，对每种气体的简介
铜陵蓝光甴子科技有限公司 2012年6月28日
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*1、空气质量自动监测系统概述 *2、差分光学吸收光谱（DOAS)气体监测仪简介 *3、可吸入颗粒物PM10/PM2.5监测仪简介 *4、数据采集器简介 *5、空气质量自动监测系统安装要求