移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统

1.本实用新型涉及环境监测与光学遥感领域，特别涉及移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统。


背景技术：

2.人为源或天然源排放的挥发性有机物是大气臭氧污染与二次有机气溶胶的关键前体物。而工业园区又是重要的挥发性有机物人为排放源，主要体现在烷烃、烯烃、芳烃等特征污染物的无组织排放。工业园区的挥发性有机物排放源具有排放点多、面广、分散、无规则等特点，表现为大型面源或体积源，与污染气象相复合形成复杂污染特征，导致痕量有机污染气体排放监测与控制具有较大的困难性，因此准确测量挥发性有机物的浓度与通量在工业环境治理领域具有重要意义。
3.目前挥发性有机物无组织排放监控在量化上将由浓度监测向浓度与排放通量复合监控发展，在空间范围上将由点监测和线监测向面监测和通量监测发展，挥发性有机物的排放通量正成为无组织排放监控及排放清单修订的关键。为实现移动排放通量测量，差分光学吸收光谱技术与红外掩日通量技术已被开发出来；其中，差分光学吸收光谱技术通常适用于紫外—可见波段，已被应用于测量氮氧化物、苯系物的工业排放；红外掩日通量技术通常使用中红外波段，主要被用于测量石化企业烷烃、烯烃等挥发性有机物排放。
4.现有技术中如公开号为cn101694461a的中国专利公开了一种污染源气体排放通量红外多组份监测方法与系统，包括有一个可运动的平台，所述可运动的平台上设置有太阳跟踪器，所述太阳跟踪器的出光口的前方设置有红外光谱仪，所述红外光谱仪的输出端连接有计算机，所述可运动的平台上还设置有gps定位器，所述的gps定位器连接到所述计算机的对应输入端。
5.上述专利虽然可以测量气体柱浓度，但是无法实现气体柱浓度与浓度的复合测量。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的问题，本实用新型公开了移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统。
7.一种移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统，包括移动平台，所述移动平台上设有用于测量挥发性有机物的中红外吸收光谱的红外掩日通量系统，
8.用于测量挥发性有机物的红外吸收光谱、分析挥发性有机物浓度的移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统，
9.用于测量挥发性有机物的紫外吸收光谱、分析苯系物的浓度的开放光路式差分光学吸收光谱系统或移动抽气式差分光学吸收光谱系统，
10.所述监测系统还包括用于分析数据的计算机，所述计算机用于对挥发性有机物的中红外吸收光谱进行反演，得到挥发性有机物的柱浓度；所述计算机利用搭载的拟合程序
拟合红外光谱数据库中的一组校准光谱，实时分析挥发性有机物的红外吸收光谱中的浓度获取挥发性有机物的体积浓度；所述计算机对挥发性有机物的紫外吸收光谱进行分析获得苯系物的通量数据。
11.优选的，所述红外掩日通量系统包括太阳跟踪器、中红外傅里叶变换光谱仪、用于获取准确的风速信息的风速风向仪和获取位置信息的gps；所述太阳跟踪器用于实时跟踪太阳，并将太阳光稳定导入至中红外傅里叶变换光谱仪中；
12.所述计算机利用风速信息和位置信息计算挥发性有机物的通量。
13.优选的，所述太阳跟踪器包括用于补偿移动平台的运动的第二gps和惯性导航系统。
14.具体的，由于具有第二gps和惯性导航系统，当移动平台处于转向、倾斜、冲击和振动等状态时，太阳跟踪器始终能对准太阳。
15.优选的，所述中红外傅里叶变换光谱仪配备用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器。
16.具体的，烯烃和烷烃为均为挥发性有机物中的主要成分，因此设置用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器使合适的；
17.所述液氮冷却夹层检测器为mct检测器和insb检测器，其中insb检测器在2700-3005cm-1
之间的光谱区域对烷烃进行测量；mct检测器在910-1000cm-1
之间的光谱区域对烯烃进行测量。
18.优选的，所述移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统包括红外光源、长光程吸收池，第一进气系统和中红外光谱仪；所述第一进气系统包括第一进样口和第一采样泵，其中第一进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第一进样口与长光程吸收池的气体入口连接，第一采样泵用于将羽流空气抽取至长光程吸收池内；长光程吸收池用于多次反射红外光并送入中红外光谱仪，长光程吸收池总光程大于100m；所述中红外光谱仪分析获得挥发性有机物的红外吸收光谱。
19.具体的，第一采样泵需确保在几秒钟内完全更换长光程吸收池中的气体。
20.优选的，所述移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统还包括干扰源排除模块，所述干扰源排除模块基于实时监测的排放羽流查看废气化合物特征，过滤掉来自本地交通废气或来自测量车辆本身的不需要的信号。
21.具体的，干扰源排除模块依据实时监测排放羽流并判断是否有任何干扰源正在被采样；通过查看废气化合物特征，如一氧化碳浓度，可以过滤掉来自本地交通废气或来自测量车辆本身的不需要的信号。
22.优选的，所述开放光路式差分光学吸收光谱系统包括紫外线灯、依次连接的开放式光学气室，分叉光纤束，差分光学吸收光谱仪；所述紫外线灯用于射出紫外线至开放式光学气室，紫外线于所述开放式光学气室中经多次反射，部分被开放式光学气室内的气体吸收，获得大于200m的总光程，分叉光纤束接收所述开放式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；所述差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱。
23.优选的，所述移动抽气式差分光学吸收光谱系统包括紫外线灯、封闭式光学气室，第二进气系统和差分光学吸收光谱仪；所述第二进气系统包括第二进样口和第二采样泵，
其中第二进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第二进样口与封闭式光学气室的气体入口连接，第二采样泵用于将羽流空气抽取至封闭式光学气室内；封闭式光学气室用于多次反射紫外线并送入差分光学吸收光谱仪，封闭式光学气室总光程大于100m；分叉光纤束接收所述封闭式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；所述差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱。
24.优选的，所述紫外线灯的波长为255-285nm。
25.优选的，所述移动抽气式差分光学吸收光谱系统始终保持恒温状态。
26.具体的，保持恒温状态的移动抽气式差分光学吸收光谱系统能保持最佳的性能，具有良好的稳定性，同时封闭式光学气室单元和系统温度稳定可以提供良好的检测限。
27.与现有技术相比，本实用新型的有益之处在于：
28.本监测系统结合红外掩日通量技术与差分光学吸收光谱技术的优点，利用红外掩日通量技术，在移动平台上基于光学遥感技术测量痕量污染气体的柱浓度和通量；利用移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统测量污染气体的浓度；利用开放光路式差分光学吸收光谱系统或移动抽气式差分光学吸收光谱系统测量苯系物的浓度并计算其通量，即能够实现烷烃、烯烃、苯系物浓度与柱浓度、气体排放通量、污染气体烟羽高度的实时复合监测，同时三个子系统能够分工协作，有效地筛选热点或大面积泄漏，可以在地图上绘制不同来源的地面气体浓度，因此，本监测系统对较大污染源的场地污染气体排放的监测与评估具有重要意义。
附图说明
29.图1为本实用新型提供的移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统实施例1的结构示意图；
30.图2为本实用新型提供的移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统实施例2的结构示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。
32.实施例1
33.如图1所示，移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统，包括移动平台，移动平台上设有用于测量挥发性有机物的中红外吸收光谱的红外掩日通量系统10，
34.用于测量挥发性有机物的红外吸收光谱、分析挥发性有机物浓度的移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20，
35.用于测量挥发性有机物的紫外吸收光谱、分析苯系物的浓度的开放光路式差分光学吸收光谱系统31，
36.监测系统还包括用于分析数据的计算机40，计算机40用于对挥发性有机物的中红外吸收光谱进行反演，得到挥发性有机物的柱浓度；计算机40利用搭载的拟合程序拟合红外光谱数据库中的一组校准光谱，实时分析挥发性有机物的红外吸收光谱中的浓度获取挥发性有机物的体积浓度；计算机40对挥发性有机物的紫外吸收光谱进行分析获得苯系物的通量数据。
37.红外掩日通量系统10包括太阳跟踪器、中红外傅里叶变换光谱仪、用于获取准确的风速信息的风速风向仪和获取位置信息的gps；太阳跟踪器用于实时跟踪太阳，并将太阳光稳定导入至中红外傅里叶变换光谱仪中；
38.计算机40利用风速信息和位置信息计算挥发性有机物的通量。
39.太阳跟踪器包括用于补偿移动平台的运动的第二gps和惯性导航系统。
40.由于具有第二gps和惯性导航系统，当移动平台处于转向、倾斜、冲击和振动等状态时，太阳跟踪器始终能对准太阳。
41.中红外傅里叶变换光谱仪配备用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器。
42.烯烃和烷烃为均为挥发性有机物中的主要成分，因此设置用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器使合适的；
43.液氮冷却夹层检测器为mct检测器和insb检测器，其中insb检测器在2700-3005cm-1
之间的光谱区域对烷烃进行测量；mct检测器在910-1000cm-1
之间的光谱区域对烯烃进行测量。
44.移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20包括红外光源、长光程吸收池，第一进气系统和中红外光谱仪；第一进气系统包括第一进样口和第一采样泵，其中第一进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第一进样口与长光程吸收池的气体入口连接，第一采样泵用于将羽流空气抽取至长光程吸收池内；长光程吸收池用于多次反射红外光并送入中红外光谱仪，长光程吸收池总光程大于100m；中红外光谱仪分析获得挥发性有机物的红外吸收光谱。
45.第一采样泵需确保在几秒钟内完全更换长光程吸收池中的气体。
46.移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20还包括干扰源排除模块，干扰源排除模块基于实时监测的排放羽流查看废气化合物特征，过滤掉来自本地交通废气或来自测量车辆本身的不需要的信号。
47.开放光路式差分光学吸收光谱系统31包括紫外线灯、依次连接的开放式光学气室，分叉光纤束，差分光学吸收光谱仪；紫外线灯用于射出紫外线至开放式光学气室，紫外线于开放式光学气室中经多次反射，部分被开放式光学气室内的气体吸收，获得大于200m的总光程，分叉光纤束接收开放式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱。
48.紫外线灯的波长为255-285nm。
49.实施例2
50.如图2所示，移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统，包括移动平台，移动平台上设有用于测量挥发性有机物的中红外吸收光谱的红外掩日通量系统10，
51.用于测量挥发性有机物的红外吸收光谱、分析挥发性有机物浓度的移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20，
52.用于测量挥发性有机物的紫外吸收光谱、分析苯系物的浓度的移动抽气式差分光学吸收光谱系统32，
53.监测系统还包括用于分析数据的计算机40，计算机40用于对挥发性有机物的中红外吸收光谱进行反演，得到挥发性有机物的柱浓度；计算机40利用搭载的拟合程序拟合红
外光谱数据库中的一组校准光谱，实时分析挥发性有机物的红外吸收光谱中的浓度获取挥发性有机物的体积浓度；计算机40对挥发性有机物的紫外吸收光谱进行分析获得苯系物的通量数据。
54.红外掩日通量系统10包括太阳跟踪器、中红外傅里叶变换光谱仪、用于获取准确的风速信息的风速风向仪和获取位置信息的gps；太阳跟踪器用于实时跟踪太阳，并将太阳光稳定导入至中红外傅里叶变换光谱仪中；
55.计算机40利用风速信息和位置信息计算挥发性有机物的通量。
56.太阳跟踪器包括用于补偿移动平台的运动的第二gps和惯性导航系统。
57.由于具有第二gps和惯性导航系统，当移动平台处于转向、倾斜、冲击和振动等状态时，太阳跟踪器始终能对准太阳。
58.中红外傅里叶变换光谱仪配备用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器。
59.烯烃和烷烃为均为挥发性有机物中的主要成分，因此设置用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器使合适的；
60.液氮冷却夹层检测器为mct检测器和insb检测器，其中insb检测器在2700-3005cm-1
之间的光谱区域对烷烃进行测量；mct检测器在910-1000cm-1
之间的光谱区域对烯烃进行测量。
61.移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20包括红外光源、长光程吸收池，第一进气系统和中红外光谱仪；第一进气系统包括第一进样口和第一采样泵，其中第一进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第一进样口与长光程吸收池的气体入口连接，第一采样泵用于将羽流空气抽取至长光程吸收池内；长光程吸收池用于多次反射红外光并送入中红外光谱仪，长光程吸收池总光程大于100m；中红外光谱仪分析获得挥发性有机物的红外吸收光谱。
62.第一采样泵需确保在几秒钟内完全更换长光程吸收池中的气体。
63.移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20还包括干扰源排除模块，干扰源排除模块基于实时监测的排放羽流查看废气化合物特征，过滤掉来自本地交通废气或来自测量车辆本身的不需要的信号。
64.移动抽气式差分光学吸收光谱系统32包括紫外线灯、封闭式光学气室，第二进气系统和差分光学吸收光谱仪；第二进气系统包括第二进样口和第二采样泵，其中第二进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第二进样口与封闭式光学气室的气体入口连接，第二采样泵用于将羽流空气抽取至封闭式光学气室内；封闭式光学气室用于多次反射紫外线并送入差分光学吸收光谱仪，封闭式光学气室总光程大于100m；分叉光纤束接收封闭式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱。
65.紫外线灯的波长为255-285nm。
66.移动抽气式差分光学吸收光谱系统32始终保持恒温状态。
67.保持恒温状态的移动抽气式差分光学吸收光谱系统32能保持最佳的性能，具有良好的稳定性，同时封闭式光学气室单元和系统温度稳定可以提供良好的检测限。
68.具体使用时，预先确定监测区域，太阳跟踪器实时跟踪太阳，将阳光的红外辐射导入中红外傅里叶变换光谱仪，先后测量背景光谱与从太阳跟踪器出射的透射光谱，计算背
景光谱与透射光谱的差值获挥发性有机物的中红外吸收光谱；计算机40将挥发性有机物的中红外吸收光谱经反演算法反演，得到挥发性气体(烷烃和烯烃)的柱浓度，柱浓度定义为体积浓度在竖直方向上的积分，单位为kg/m2；
69.用移动平台搭载红外掩日通量系统10沿监测区域移动监测一圈，可获得路径上各点的柱浓度信息，还可对排放通量进行同步监测步骤，具体地，从一地点移动至另一地点，同时在移动过程中测量气体柱浓度，同步采集风速风向仪和gps数据，并由gps数据计算出两地点间距离，将测量的气体柱浓度对两地点间的距离进行积分，得到气体通过竖直截面的线浓度，将气体通过竖直截面的线浓度乘以风速，得出单位时间内气体通过竖直截面的通量，即气体排放速率。
70.移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20的进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，采样泵将被测空气抽入长光程吸收池，长光程吸收池用于多次反射红外光，获得长光程长度，中红外光谱仪使用insb探测器和mct探测器同时检测出射光，获得挥发性有机物的红外吸收光谱，再通过拟合程序拟合红外光谱数据库中的一组校准光谱，实时分析光谱中的浓度，检测和量化腔室内的烷烃、烯烃等挥发性有机化合物的体积浓度，体积浓度定义为单位体积内的气体组分质量，单位为kg/m3，移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统20安装在移动平台上，与同步红外掩日通量系统10测量结合使用，可通过将测量柱浓度除以体积浓度来估计羽流高度，得到更详细的羽流挥发性有机物形态。在监测过程中，采样泵需确保在几秒钟内完全更换长光程吸收池中的气体体积，随后以10-15秒的时间记录挥发性有机物的红外吸收光谱，以实时分析光谱数据并获取体积浓度信息。
71.开放光路式差分光学吸收光谱系统31内部紫外线灯射出紫外线通过光纤/传输光学器件将紫外光传输进入开放式光学气室，紫外线于开放式光学气室中经多次反射，获得大于200m的总光径长度，分叉光纤束优化光路使其穿过光谱仪狭缝；差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析，使用255-285nm的紫外波长区域，检测和量化腔室内的苯系物。移动抽气式差分光学吸收光谱系统32的第二进气系统包括第二进样口和第二采样泵，其中第二进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第二进样口与封闭式光学气室的气体入口连接，第二采样泵用于将羽流空气抽取至封闭式光学气室内，封闭式光学气室用于多次反射紫外线并送入差分光学吸收光谱仪；封闭式光学气室总光程大于100m；分叉光纤束接收封闭式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱。
72.测量计算机40处理对光谱进行在线评估，获取苯系物的排放通量数据，提供羽流位置和成分信息，获得的数据与相应的移动抽气式傅里叶变换红外光谱数据合并，以产生羽流特定苯系物/烷烃质量比。然后，苯系物/烷烃的质量比用于计算各个子区域的芳烃通量，由于苯系物组分的分布因来源而异，可多次探测特定面积羽流，得出所有羽流横断面苯系物/烷烃比的总体平均值，然后用苯系物/烷烃的质量比计算各个子区域的芳烃通量，确定特定的苯系物来源，具体计算公式如下：
[0073][0074]
其中，k是气体比测量次数，n
btex
是苯系物的体积浓度，n
ane
是烷烃的体积浓度，q
ane
是红外掩日通量系统10测得的烷烃的平均排放通量，q
btex
是最终得到的苯系物的排放通量，l是穿过羽流的行驶距离。

技术特征：
1.一种移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统，包括移动平台，其特征在于，所述移动平台上设有：用于测量挥发性有机物的中红外吸收光谱的红外掩日通量系统，用于测量挥发性有机物的红外吸收光谱、分析挥发性有机物浓度的移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统，用于测量挥发性有机物的紫外吸收光谱、分析苯系物的浓度的开放光路式差分光学吸收光谱系统或移动抽气式差分光学吸收光谱系统，所述监测系统还包括用于分析数据的计算机，所述计算机用于对挥发性有机物的中红外吸收光谱进行反演，得到挥发性有机物的柱浓度；所述计算机利用搭载的拟合程序拟合红外光谱数据库中的一组校准光谱，实时分析挥发性有机物的红外吸收光谱中的浓度获取挥发性有机物的体积浓度；所述计算机对挥发性有机物的紫外吸收光谱进行分析获得苯系物的通量数据，所述红外掩日通量系统包括太阳跟踪器、中红外傅里叶变换光谱仪、用于获取准确的风速信息的风速风向仪和获取位置信息的第一gps；所述太阳跟踪器用于实时跟踪太阳，并将太阳光稳定导入至中红外傅里叶变换光谱仪中；所述计算机利用风速信息和位置信息计算挥发性有机物的通量，所述移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统包括红外光源、长光程吸收池，第一进气系统和中红外光谱仪；所述第一进气系统包括第一进样口和第一采样泵，其中进第一样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第一进样口与长光程吸收池的气体入口连接，第一采样泵用于将羽流空气抽取至长光程吸收池内；长光程吸收池用于多次反射红外光并送入中红外光谱仪，长光程吸收池总光程大于100m；所述中红外光谱仪分析获得挥发性有机物的红外吸收光谱，所述开放光路式差分光学吸收光谱系统包括紫外线灯、依次连接的开放式光学气室，分叉光纤束，差分光学吸收光谱仪；所述紫外线灯用于射出紫外线至开放式光学气室，紫外线于所述开放式光学气室中经多次反射，部分被开放式光学气室内的气体吸收，获得大于200m的总光程，分叉光纤束接收所述开放式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；所述差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱，所述移动抽气式差分光学吸收光谱系统包括紫外线灯、封闭式光学气室，第二进气系统和差分光学吸收光谱仪；所述第二进气系统包括第二进样口和第二采样泵，其中第二进样口通过特氟隆管从车顶引入羽流空气，第二进样口与封闭式光学气室的气体入口连接，第二采样泵用于将羽流空气抽取至封闭式光学气室内；封闭式光学气室用于多次反射紫外线并送入差分光学吸收光谱仪，封闭式光学气室总光程大于100m；分叉光纤束接收所述封闭式光学气室出射的光线优化光路使其穿过光谱仪狭缝进入差分光学吸收光谱仪；所述差分光学吸收光谱仪对紫外光进行分析获得挥发性有机物的紫外吸收光谱。2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述太阳跟踪器包括用于补偿移动平台的运动的第二gps和惯性导航系统。3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述中红外傅里叶变换光谱仪配备用于烯烃和烷烃的液氮冷却夹层检测器。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统还包括干扰源排除模块，所述干扰源排除模块基于实时监测的排放羽流查看废气化合物特征，过滤掉来自本地交通废气或来自测量车辆本身的不需要的信号。5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述紫外线灯的波长为255-285nm。6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述移动抽气式差分光学吸收光谱系统始终保持恒温状态。

技术总结
本实用新型公开了一种移动测量工业排放挥发性有机物浓度和通量的监测系统，包括移动平台，移动平台上设有用于测量挥发性有机物的中红外吸收光谱的红外掩日通量系统，用于测量挥发性有机物的红外吸收光谱、分析挥发性有机物浓度的移动抽气式傅里叶变换红外光谱系统，用于测量挥发性有机物的紫外吸收光谱、分析苯系物的浓度的开放光路式差分光学吸收光谱系统或移动抽气式差分光学吸收光谱系统，还包括用于分析数据的计算机，计算机分析得到挥发性有机物的柱浓度、挥发性有机物的体积浓度；计算机对挥发性有机物的紫外吸收光谱进行分析获得苯系物的通量数据。获得苯系物的通量数据。获得苯系物的通量数据。


技术研发人员：王志彬 裴祥宇 徐正宁 杨允烨
受保护的技术使用者：浙江大学杭州国际科创中心
技术研发日：2022.11.01
技术公布日：2023/7/23