便攜式惡臭氣體監(jiān)測儀的設(shè)計

郭振鐸，楊秀芹，李瑞紅，楊吉強(qiáng)

（1.青島博睿光電科技有限公司，青島 266000；2.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

惡臭是一種另人厭惡、損人健康、室內(nèi)外空氣中最常見的污染物。在我國，一方面為滿足人們生活水平提高的要求而大力發(fā)展生產(chǎn)，“三廢”排放量逐步增加，其中惡臭問題變得日益嚴(yán)重；另一方面，隨著人民生活水平的提高，人們對環(huán)境，特別是對惡臭帶來的污染也更加敏感。近幾年來，人們對各種異常氣味的不滿情緒和控告事件不斷增加[1]，因此關(guān)于惡臭的研究和治理已經(jīng)引起了我國政府的高度重視，控制消除惡臭污染勢在必行[2-3]。

產(chǎn)生惡臭的污染源極為廣泛，有工業(yè)污染源、生活污染源（如衛(wèi)生間，堆放垃圾物，下水道等）和體泌污染物。特別是在加工處理污染物（垃圾、動植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物以及污水）的過程中，都不斷產(chǎn)生醇類、醛類和脂類等不完全氧化的惡臭物質(zhì)及大量難聞的臭氣，其致臭原因主要是由于含有特征發(fā)臭基因[4]。惡臭物質(zhì)的相對分子質(zhì)量在350以下，沸點低，化學(xué)物質(zhì)顯現(xiàn)出高揮發(fā)性和親水親脂性兩大特性，因此惡臭污染就呈現(xiàn)出測定困難、評價困難、治理困難等特征[5]。

1 惡臭氣體的常用監(jiān)測方法

1.1 三點比較式臭袋法

三點比較式臭袋法的原理是將3只無臭袋中的2只分別充入無臭空氣和采樣來的被測惡臭氣體樣品，供嗅辨員嗅辨，當(dāng)嗅辨員正確識別有臭氣袋后，再逐級進(jìn)行稀釋、嗅辨，直至稀釋樣品的臭氣濃度低于嗅辨員的嗅覺閾值時停止實驗[6]。每個樣品由若干名嗅辨員同時測定，最后根據(jù)嗅辨員的個人閾值和嗅辨小組成員的平時閾值，求得臭氣濃度[7]。它主要是通過人的鼻子（標(biāo)準(zhǔn)鼻子用標(biāo)準(zhǔn)臭袋檢查）嗅臭，按照臭氣濃度分為五級：0級（無臭味）；1級（勉強(qiáng)感到氣味）；2級（感到較弱的氣味）；3級（感到明顯氣味）；4級（較強(qiáng)烈的氣味）；5級（強(qiáng)烈的氣味）。

1.2 氣相色譜法

氣相色譜法是利用惡臭氣體在不同相中的滲透性不同的原理實現(xiàn)監(jiān)測，氣體首先現(xiàn)場采樣，經(jīng)載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜柱、檢測系統(tǒng)后即可檢測出惡臭氣體的濃度，整個過程要嚴(yán)格控制溫度[8]。對苯乙烯、硫化氫等特征氣態(tài)污染物也可采用化學(xué)分析方法分析，如苯乙烯、三甲胺用帶有固相或液相吸收劑的采樣管采樣后再用氣相色譜法（FID）檢測分析，硫化物用GC/FPD法，氨、硫化氫和二硫化碳也可用帶有液相吸收劑的采樣管采樣吸收顯色，用分光光度法完成測定[9]。

1.3 紫外差分吸收光譜法

從穩(wěn)定光源發(fā)出的光 I0（λ，L），經(jīng)反射鏡準(zhǔn)直通過大氣吸收后，由透鏡收集光會聚進(jìn)入光譜儀。由于沿光程的氣體分子的吸收、分子散射，導(dǎo)致了接收光強(qiáng)減弱[10-11]。在光通過距離L的光程后，接收光 I（λ，L）可以由 Lambert-Beer定律來表示：

式中：I0（λ，L）為發(fā)射光強(qiáng)；I（λ，L）為接收光強(qiáng)；σ′i（λ）為第i種氣體分子吸收截面中寬帶光譜特征；σi（λ）為窄帶光譜特征；εR（λ）和 εM（λ）分別為瑞利散射系數(shù)和米氏散射系數(shù)；Ni為第i種氣體分子在光程上的平均濃度；L為光程；B（λ）為與光源有關(guān)的各種噪聲之和。

紫外差分吸收法測量惡臭氣體的原理就是基于上述Lambert-Beer定律，利用氨氣、硫化氫、二硫化碳等惡臭氣體分子在紫外波段185～360 nm的特征差分吸收光譜，用紫外光源照射被測氣體，根據(jù)該波長范圍內(nèi)光強(qiáng)的衰減，經(jīng)過差分光譜技術(shù)消除干擾氣體中水汽和煙塵顆粒散射的影響，根據(jù)每種氣體各自的特征差分吸收光譜分別計算其濃度[12-13]。這是目前最為先進(jìn)的惡臭氣體監(jiān)測方法。

2 惡臭氣體監(jiān)測儀設(shè)計

本惡臭氣體監(jiān)測儀采用紫外差分吸收光譜法，基于惡臭氣體在185～360 nm紫外區(qū)域的強(qiáng)吸收光譜特性，選用進(jìn)口的高分辨率微型光譜儀，結(jié)合嵌入式單板機(jī)控制技術(shù)，研制開發(fā)了一款高分辨率低探測限的惡臭氣體監(jiān)測儀，可以連續(xù)監(jiān)測工礦企業(yè)無組織排放源排放的惡臭氣體的實時濃度。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本氣體監(jiān)測儀由主機(jī)、角錐組、主機(jī)三腳架、主機(jī)云臺、角錐組三腳架、角錐組云臺組成。儀器組成實物如圖1所示。

圖1 監(jiān)測儀組成示意Fig.1 Frame sketch map of monitor

主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，外部由顯示屏、USB插口及光纖接口、電源插座及按鈕開關(guān)、主機(jī)與云臺連接體、散熱孔及伸縮把手等幾部分組成。主機(jī)內(nèi)部包含紫外光源及控制發(fā)射單元、準(zhǔn)直收發(fā)單元、光路及微調(diào)單元、光譜儀、數(shù)據(jù)處理單元、氣象五參數(shù)監(jiān)測單元、激光測距單元和GPS測量及數(shù)據(jù)傳輸單元等部分，完成光源的收發(fā)、計算以及氣體濃度的處理計算顯示傳輸?shù)取?/p>

圖2 主機(jī)組成示意Fig.2 Frame sketch map of mainframe

角錐組由角錐、角錐云臺快裝板和角錐棱鏡組成，如圖3所示。反射單元設(shè)置有全反鏡或三棱錐，完成光源的反射，有長光程多級反射式氣體吸收池，包括紫外光入射口、紫外光出射口、氣體入口及出口、多塊凹面鍍紫外增強(qiáng)膜反射鏡和入射光調(diào)整裝置，凹面鍍紫外增強(qiáng)膜反射鏡，能夠有效增大反射光強(qiáng)，并減少光譜儀獲得有效光譜積分的時間，進(jìn)一步確保光譜吸收有效區(qū)間，從而提高檢測靈敏度。主機(jī)云臺為六維手動調(diào)整云臺，在3個軸向上提供精確的齒輪運(yùn)動，2個可折疊式手柄分別控制俯仰和水平旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，另一手柄控制左右調(diào)節(jié)。能夠方便主機(jī)進(jìn)行不同高度及不同方位的路徑上的惡臭氣體快速監(jiān)測。快裝板用于連接主機(jī)與云臺，出廠時已安裝于主機(jī)底部，如圖4所示。角錐組云臺用于安裝時調(diào)節(jié)角錐角度，一般不需要調(diào)節(jié)。主機(jī)三腳架和角錐組三腳架分別用于固定支撐主機(jī)和角錐。

圖3 角錐組示意Fig.3 Sketch map of pyramid group

圖4 主機(jī)云臺示意Fig.4 Sketch map of mainframe cloud platform

2.2 工作原理

2.2.1 數(shù)據(jù)處理部分工作原理

本惡臭氣體監(jiān)測儀可自動檢測出惡臭氣體的實時濃度并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打印或傳輸。主機(jī)內(nèi)的紫外光源及控制發(fā)射單元位于準(zhǔn)直發(fā)射單元的前方，光路及微調(diào)單元位于準(zhǔn)直收發(fā)單元的后方，光纖一端與光路及微調(diào)單元連接，另一端與光譜儀連接，數(shù)據(jù)處理單元分別與氣象五參數(shù)監(jiān)測單元、激光測距單元和GPS測量及數(shù)據(jù)傳輸單元相連接。紫外光源及控制發(fā)射單元控制并發(fā)出紫外光，經(jīng)準(zhǔn)直收發(fā)單元接收，并將紫外光反射準(zhǔn)直發(fā)出；然后經(jīng)放置在一定距離外的角錐即反射單元接收并反射，反射單元反射后形成回返光，回返光經(jīng)主機(jī)內(nèi)的準(zhǔn)直收發(fā)單元接收后再經(jīng)所述光路及微調(diào)單元傳播微調(diào)，通過光纖傳導(dǎo)至光譜儀。光譜儀為紫外差分吸收光譜，光譜儀的吸收光譜有效區(qū)為180～400 nm。光路反射過程中，惡臭氣體就會被光源所發(fā)出的光吸收，從而使光強(qiáng)變?nèi)?，由光譜儀監(jiān)測出光的強(qiáng)度變化，利用偏最小二乘法，即可計算出惡臭氣體濃度。主機(jī)中的五參數(shù)監(jiān)測單元和GPS測量及數(shù)據(jù)傳輸單元，監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓和經(jīng)緯度，以便修正所測惡臭氣體濃度。數(shù)據(jù)傳輸原理如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸原理Fig.5 Frame diagram of date transmitted theory

2.2.2 光路部分工作原理

該監(jiān)測儀的光路系統(tǒng)示意如圖6所示，在一定角度范圍內(nèi)（約20°）將光源放在反射鏡焦點位置，利用球面反射鏡近軸成像原理，將光源發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)過遠(yuǎn)處角錐陣列反射，原路返回進(jìn)入光譜儀進(jìn)行信號的處理與轉(zhuǎn)換。一般理想點光源在球面反射鏡球心發(fā)出的光經(jīng)過反射鏡后光束在一定距離內(nèi)會匯聚，而拋物面鏡理想點光源在焦點發(fā)出光會被準(zhǔn)直為平行光，在一定角度之內(nèi)，球面反射鏡對于球心處點光源的準(zhǔn)直特性與拋物面反射鏡類似，因此在該系統(tǒng)中先利用透鏡對光源發(fā)射角度進(jìn)行壓縮，再經(jīng)過球面反射鏡進(jìn)行準(zhǔn)直。

圖6 光路示意Fig.6 Sketch map of light path

在一定的距離內(nèi)，球面反射鏡反射能量和拋物面反射鏡一樣，但是超過一定距離，由球面反射鏡反射的光束在匯聚后會發(fā)散，因此距離越大，到達(dá)反射角錐的能量損失就越大。表1為該監(jiān)測儀在不同工作距離，反射角錐陣列探測的光能量模擬數(shù)據(jù)表，由表中數(shù)據(jù)可知，一般在測量距離超過25 m之外，系統(tǒng)會因為光束發(fā)散能量損失劇增，在能滿足系統(tǒng)能量要求條件下，該系統(tǒng)采用成本較低的球面反射鏡就可以滿足系統(tǒng)能量的要求。此處以10 m光程，監(jiān)測儀分別采用拋物面發(fā)射鏡與球面反射鏡，用ZEMAX進(jìn)行光能量模擬說明，具體探測能量模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。

表1 不同工作距離角錐陣列光能量探測模擬數(shù)據(jù)表Tab.1 Simulate datasheet of pyramid array with different distance

圖7 球面反射鏡系統(tǒng)能量圖Fig.7 Energy diagram of spherical reflector system

圖8 拋物面反射鏡系統(tǒng)能量圖Fig.8 Energy diagram of parabolic reflector system

由圖7、圖8中可知10 m處，系統(tǒng)采用球面反射鏡和拋物面反射鏡，角錐陣列探測的能量一致，均為34.5%。經(jīng)過模擬與分析，在短距離工作時（一般20 m之內(nèi)），采用球面反射鏡可以滿足光譜儀的能量要求。但工作距離超過30 m后，拋物面反射鏡的準(zhǔn)直特性優(yōu)于球面反射鏡。

3 結(jié)語

本惡臭氣體監(jiān)測儀能夠快速監(jiān)測并獲得惡臭氣體的實時濃度，操作人員能夠遠(yuǎn)距離操作主機(jī)監(jiān)測惡臭氣體，方便快捷，并且操作人員工作量小，監(jiān)測全面靈敏度高，測量濃度準(zhǔn)確，能夠快速完成石化、化工、制藥、醫(yī)藥、食品、畜牧養(yǎng)殖、垃圾填埋、污水處理等行業(yè)無組織排放的惡臭氣體的快速檢測，既避免了臭袋法的檢測不準(zhǔn)確、操作麻煩、對嗅辨員健康帶來危害的問題，也可避免氣相色譜法的氣體檢測操作繁瑣，無法實時檢測、檢測效率低、無法滿足監(jiān)測需求的弊端。

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