CN103760136A - 一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，包括测量模块和数据采集与控制模块，其特征在于：还包括自动进样模块和动力装置，自动进样模块的出口连接测量模块的入口，动力装置与测量模块的出口相连接为其采样提供动力，数据采集与控制模块的输出端与自动进样模块、测量模块和动力装置连接并控制各个模块协调同步工作。有益效果是：自动进样模块和动力装置连续不断的抽取空气到光学衰荡腔中进行自动连续测量，可调谐激光器产生特定波长的多个波长的光，可测量多种组分；波长分辨率可达0.0001_cm-¹，抗干扰力强；采用光腔衰荡检测技术，气体浓度与衰荡时间成正比，受光源波动、光强衰减因素影响小，稳定性好且测量数值准确。

Description

一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统

技术领域

本发明涉及气体检测及自动化控制技术领域，尤其是一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统。

背景技术

温室气体是指大气中能产生温室效应的气体成分。《京都议定书》规定限排的6种主要温室气体为CO₂、CH₄、N₂O、HFCs、PFCs和SF₆，其时空分布及其变化在地气系统的辐射收支和能量平衡中起着决定性作用。温室气体监测是研究温室气体浓度变化趋势以及源和汇的构成、性质和强度等的基础，也是大气环境科学的重要课题，对温室气体分布评估和应对气候变化有重要意义。

稳定同位素是指高度稳定且不衰变的同位素，²H、¹³C、¹⁷O、¹⁸O等是生态系统中常见的稳定同位素。不同的排放源中稳定同位素的含量是不同的，用样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差δ来表示。对与¹³C，大气背景、C3植物、C4和植物化石燃料的δ分别为：约-8、约-25到-28、约-12到-15、约-24到-44。通过监测温室气体稳定同位素浓度及其变化趋势，可以识别大气温室气体来源，评估不同污染源对温室气体排放的贡献，对于全球碳变化与碳平衡研究具有重要意义。

现有的温室气体监测技术主要包括傅里叶变换红外光谱技术、非分散红外吸收光谱技术和可调谐半导体激光吸收光谱技术等，它们无论是在灵敏度、最低检出限、长期稳定性等方面均不能满足大气中痕量温室气体监测的需求；同时，目前的同位素监测技术主要采用实验室用的稳定同位素比值质谱仪，体积庞大，操作程序复杂，不能满足自动化在线监测的需求，且需要对气体进行除水、除有机物等多种操作，否则会引起测量结果的较大偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以同时测量多种痕量气体的、结构简单、测量准确的温室气体及其稳定同位素在线监测系统。

为了完成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，包括测量模块和数据采集与控制模块，还包括自动进样模块和动力装置，所述的自动进样模块的出口连接测量模块的入口，所述的动力装置与测量模块的出口相连接为其采样提供动力，所述的数据采集与控制模块的输出端与自动进样模块、测量模块和动力装置连接并控制各个模块协调同步工作。

所述的自动进样模块包括粗过滤器、电磁阀组和细过滤器，所述的电磁阀组与数据采集与控制模块相连接，数据采集与控制模块控制电磁阀组的打开与关闭，粗过滤器和细过滤器分别装配在电磁阀组的入口和出口处，细过滤器的出口与测量模块的入口相连接。

所述的电磁阀组由多个电磁阀组成，电磁阀的入口与粗过滤器一一对应。

所述粗过滤器的过滤网的目数小于细过滤器的过滤网的目数，所述的粗过滤器对粒径大于0.3μm的颗粒的过滤效率＞95%，所述的细过滤器对粒径大于0.1μm的颗粒的过滤效率＞99.5%。

所述的测量模块包括可调谐激光器、波长监测器、光学衰荡腔、光电探测器、激光器控制模块和温压控制模块，可调谐激光器的输出端与波长监测器的输入端相连接，波长监测器的输出端与光学衰荡腔的光学入口和激光器控制模块的输入端相连接，激光器控制模块的输出端与可调节激光器的输入端相连接，光学衰荡腔的光学出口与光电探测器的输入端相连接，光电探测器的输出端与数据采集与控制模块的输入端相连接，温压控制模块与光学衰荡腔相连接并控制光学衰荡腔的温度和压力。

所述的温压控制模块控制光学衰荡腔内的温度和压力，温度控制精度＜±0.005℃，压力控制精度＜±0.02kPa。

所述的光学衰荡腔包括腔体、入射透镜、反射镜、出射透镜、温度传感器和压力传感器，入射透镜、反射镜和出射透镜安装在腔体内部，温度传感器和压力传感器安装在腔体外壁上并与腔体内部连通，温度传感器和压力传感器与温压控制模块相连接。

所述的入射透镜和出射透镜为高反射透镜，所述的反射镜为球面反射镜，所述的入射透镜、反射镜和出射透镜呈等腰三角形布置，入射透镜和出射透镜对称布置在反射镜的两侧。

所述的可调谐激光器产生的激光的波长范围为1510-1640nm。

本发明的有益效果是：由于自动进样模块和动力装置连续不断的抽取空气到光学衰荡腔中进行自动连续测量，可调谐激光器产生特定波长的多个波长的光，能够同时测量多种组分；波长分辨率可以到达0.0001cm^-1，抗干扰能力强；采用光腔衰荡检测技术，气体浓度与衰荡时间成正比，受光源波动、光强衰减等因素影响小，长期稳定性好且测量数值更加准确。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是图中自动进样模块的结构示意框图。

图3是图1中光学衰荡腔的结构示意图。

图中，1、自动进样模块，2、测量模块，3、动力装置，4、数据采集与控制模块，5、光学衰荡腔，6、可调谐激光器，7、波长监测器，8、激光器控制模块，9、光电探测器，10、温压控制模块，11、粗过滤器，12、电磁阀，13、细过滤器，14、腔体，15、入射透镜，16、出射透镜，17、反射镜，18、温度传感器，19、压力传感器。

具体实施方式

本发明为一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，由于自动进样模块和动力装置连续不断的抽取空气到光学衰荡腔中进行自动连续测量，可调谐激光器产生特定波长的多个波长的光，能够同时测量多种组分；波长分辨率可以到达0.0001cm^-1，抗干扰能力强；采用光腔衰荡检测技术，气体浓度与衰荡时间成正比，受光源波动、光强衰减等因素影响小，长期稳定性好且测量数值更加准确。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施例，如图1至图3所示，一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，包括测量模块2和数据采集与控制模块4，还包括自动进样模块1和动力装置3，所述的自动进样模块1的出口连接测量模块2的入口，所述的动力装置3与测量模块2的出口相连接为其采样提供动力，所述的数据采集与控制模块4的输出端与自动进样模块1、测量模块2和动力装置3连接并控制各个模块协调同步工作。

所述的自动进样模块1包括粗过滤器11、电磁阀组和细过滤器13，所述的电磁阀组与数据采集与控制模块4相连接，数据采集与控制模块4控制电磁阀组的打开与关闭，粗过滤器11和细过滤器13分别装配在电磁阀组的入口和出口处，细过滤器13的出口与测量模块2的入口相连接。电磁阀组由多个电磁阀12组成，通过开关不同的电磁阀12可切换样气流路，电磁阀12的入口与粗过滤器11一一对应。粗过滤器11的过滤网的目数小于细过滤器13的过滤网的目数，粗过滤器11对粒径大于0.3μm的颗粒的过滤效率＞95%，细过滤器13对粒径大于0.1μm的颗粒的过滤效率＞99.5%，保证进入测量模块2的气体免受颗粒物污染。

所述的测量模块2包括可调谐激光器6、波长监测器7、光学衰荡腔5、光电探测器9、激光器控制模块8和温压控制模块10，可调谐激光器6的输出端与波长监测器7的输入端相连接，可调谐激光器6产生的激光的波长范围为1510-1640nm，波长监测器7的输出端与光学衰荡腔5的光学入口和激光器控制模块8的输入端相连接，激光器控制模块8的输出端与可调节激光器6的输入端相连接，光学衰荡腔5的光学出口与光电探测器9的输入端相连接，光电探测器9的输出端与数据采集与控制模块4的输入端相连接，温压控制模块10与光学衰荡腔5相连接并控制光学衰荡腔5的温度和压力。

所述的光学衰荡腔5包括腔体14、入射透镜15、反射镜17、出射透镜16、温度传感器18和压力传感器19，入射透镜15、反射镜17和出射透镜16安装在腔体14内部，温度传感器18和压力传感器19安装在腔体14外壁上并与腔体14内部连通，温度传感器18和压力传感器19与温压控制模块10相连接。

所述的入射透镜15和出射透镜16为高反射透镜，所述的反射镜17为球面反射镜，所述的入射透镜15、反射镜17和出射透镜16呈等腰三角形布置，入射透镜15和出射透镜16对称布置在反射镜17的两侧。

本发明的工作过程为：样气经过自动进样模块1的粗过滤器11和细过滤器13两级过滤后，干净的空气进入测量模块2；采样动力由动力装置3提供，通过电磁阀组可切换样气流路，实现不同气源（如标气、零气或空气）和不同地点气体的测量。在激光控制模块8的控制下，可调谐激光器6在1510-1640nm的波长范围内进行扫描，其部分出射光进入波长监测器7监测其波长，另一部分进入光学衰荡腔5。波长监视器7将检测结果反馈给激光器控制模块8，激光器控制模块8根据反馈结果控制可调谐激光器6的波长扫描，这样就实现了激光波长的闭环控制，保证系统激光波长测量的准确性。进入光学衰荡腔5的激光首先透过入射透镜15，并到达出射透镜16；出射透镜16为高反射透镜，从入射透镜15来的激光，一小部分透过出射透镜16，到达光电探测器9，大部分在出射透镜16表面被反射，反射光又被球面反射镜反射镜17反射，并到达入射透镜15，在入射透镜15上再次被反射，进入出射透镜16，如此反射投射，周而复始，直到光全部消失。光电探测器9探测到得信号为随时间衰减的光信号，光学衰荡腔5内无吸收气体的或激光的波长与气体的吸收波长不吻合的时候，衰减时间受入射透镜15、出射透镜16和反射镜17的反射、投射系数影响，为固定常数；光学衰荡腔5内有吸收气体的或激光的波长与吸收气体的吸收波长相等时，衰减时间缩短，并且衰减时间与气体浓度成正比，通过这种方式就可以测得目标气体的浓度。光学衰荡腔5的外壁上装有温度传感器18和压力传感器19，并将测量结果反馈给温压控制模块10，温压控制模块10将光学衰荡腔5内的温度和压力控制在一定范围内，正常运行条件下，为保证测量结果的准确可靠温度控制精度＜±0.005℃，压力控制精度＜±0.02kPa，数据采集与控制模块4控制整套系统的运行、数据采集、浓度计算与结果输出。由于自动进样模块和动力装置连续不断的抽取空气到光学衰荡腔中进行自动连续测量，可调谐激光器产生特定波长的多个波长的光，能够同时测量多种组分；波长分辨率可以到达0.0001cm^-1，抗干扰能力强；采用光腔衰荡检测技术，气体浓度与衰荡时间成正比，受光源波动、光强衰减等因素影响小，长期稳定性好且测量数值更加准确。

Claims (9)

1.一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，包括测量模块（2）和数据采集与控制模块（4），其特征在于：还包括自动进样模块（1）和动力装置（3），所述的自动进样模块（1）的出口连接测量模块（2）的入口，所述的动力装置（3）与测量模块（2）的出口相连接为其采样提供动力，所述的数据采集与控制模块（4）的输出端与自动进样模块（1）、测量模块（2）和动力装置（3）连接并控制各个模块协调同步工作。

2.根据权利要求1所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的自动进样模块（1）包括粗过滤器（11）、电磁阀组和细过滤器（13），所述的电磁阀组与数据采集与控制模块（4）相连接，数据采集与控制模块（4）控制电磁阀组的打开与关闭，粗过滤器（11）和细过滤器（13）分别装配在电磁阀组的入口和出口处，细过滤器（13）的出口与测量模块（2）的入口相连接。

3.根据权利要求2所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的电磁阀组由多个电磁阀（12）组成，电磁阀（12）的入口与粗过滤器（11）一一对应。

4.根据权利要求2所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述粗过滤器（11）的过滤网的目数小于细过滤器（13）的过滤网的目数，所述的粗过滤器（11）对粒径大于0.3μm的颗粒的过滤效率＞95%，所述的细过滤器（13）对粒径大于0.1μm的颗粒的过滤效率＞99.5%。

5.根据权利要求1所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的测量模块（2）包括可调谐激光器（6）、波长监测器（7）、光学衰荡腔（5）、光电探测器（9）、激光器控制模块（8）和温压控制模块（10），可调谐激光器（6）的输出端与波长监测器（7）的输入端相连接，波长监测器（7）的输出端与光学衰荡腔（5）的光学入口和激光器控制模块（8）的输入端相连接，激光器控制模块（8）的输出端与可调节激光器（6）的输入端相连接，光学衰荡腔（5）的光学出口与光电探测器（9）的输入端相连接，光电探测器（9）的输出端与数据采集与控制模块（4）的输入端相连接，温压控制模块（10）与光学衰荡腔（5）相连接并控制光学衰荡腔（5）的温度和压力。

6.根据权利要求5所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的温压控制模块（10）控制光学衰荡腔（5）内的温度和压力，温度控制精度＜±0.005℃，压力控制精度＜±0.02kPa。

7.根据权利要求5所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的光学衰荡腔（5）包括腔体（14）、入射透镜（15）、反射镜（17）、出射透镜（16）、温度传感器（18）和压力传感器（19），入射透镜（15）、反射镜（17）和出射透镜（16）安装在腔体（14）内部，温度传感器（18）和压力传感器（19）安装在腔体（14）外壁上并与腔体（14）内部连通，温度传感器（18）和压力传感器（19）与温压控制模块（10）相连接。

8.根据权利要求7所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的入射透镜（15）和出射透镜（16）为高反射透镜，所述的反射镜（17）为球面反射镜，所述的入射透镜（15）、反射镜（17）和出射透镜（16）呈等腰三角形布置，入射透镜（15）和出射透镜（16）对称布置在反射镜（17）的两侧。

9.根据权利要求5所述的一种温室气体及其稳定同位素在线监测系统，其特征在于：所述的可调谐激光器（6）产生的激光的波长范围为1510-1640nm。

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