CN104181127A - Voc在线监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VOC在线监测仪，包括：采样单元、VOC检测单元、数据处理单元以及通讯单元，其中，所述VOC检测单元包括：用于产生光线的光源发生器，用于通过与被检测气体相接触、使光的折射率发生变化的感应器，以及用于对感应器所反射的光进行测量的光检测器；感应器包括反射基板以及设在反射基板上的检测膜。采用本发明，所述VOC在线监测仪能够进行在线连续监测，不仅能够监测出总VOC含量，而且还可以监测到VOC所含成分的各自含量，具有优异的敏感度、稳定性、反复再现性、连续监测性、耐湿性、耐久性，保证监测结果的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及环保监测技术领域，尤其涉及一种应用IER法进行VOC浓度监测的环保在线监测仪。
背景技术
VOC是挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds）的英文缩写，通常指在常温下容易挥发的有机化物。较常见的有苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、TVOC（6-16个碳的碳水化合物）、酮类、醇类等，这些化合物具有易挥发和亲油等特点，被广泛应用于鞋类、玩具、油漆和油墨、粘合剂、化妆品、室内和汽车装饰材料等工业领域。VOC在阳光和热的作用下与氧化氮发生反应，所产生的臭氧是大气主要污染物之一。并且，VOC对人体健康有巨大影响，会伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果，甚至可能致癌。
目前，VOC检测仪器一般有半导体式、接触燃烧式、PID（光离子检测器）式等。但是，现有具有连续在线监测功能的VOC检测仪器，在稳定性、反复再现性、耐湿性、耐久性等方面具有一定局限性，这种局限性导致监测结果不够精确。再者，现有的VOC检测仪器，例如PID（光离子检测器）只能监测到部分挥发性有机化合物，而不能监测到全部挥发性有机化合物，而且，现有的VOC检测仪器只能监测出总VOC含量，而不知道VOC所含成分的各自含量，导致监测的结果不够精确。此外，PID（光离子监测器）容易受被检测气体中水分的影响，使得仪器的灵敏度降低，导致检测数值的稳定性欠佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种VOC在线监测仪，能够进行在线连续监测，保证监测结果的精确性。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种VOC在线监测仪，能够监测所有挥发性有机化合物，保证监测结果的精确性。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种VOC在线监测仪，在被检测气体的成分比例已知的条件下，能够监测出总VOC含量以及所述VOC所含成分的各自含量，保证监测结果的精确性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种VOC在线监测仪，包括：
用于对被检测气体进行收集采样的采样单元；
用于对所述被检测气体进行VOC浓度检测的VOC检测单元；
用于将所述VOC检测单元所检测到的VOC浓度进行数据处理分析的数据处理单元；
用于实现传输数据及远程控制的通讯单元；
其中，所述VOC检测单元包括：用于产生光线的光源发生器，用于通过与所述被检测气体相接触、使光的折射率发生变化的感应器，以及用于对所述感应器所反射的光进行测量的光检测器；
所述感应器包括反射基板以及设在所述反射基板上的检测膜。
作为上述方案的改进，所述检测膜为高分子薄膜；
所述光源发生器为发光二极管或激光二极管；
所述反射基板为硅基板、玻璃基板或塑料基板；
所述光检测器为光电二极管。
作为上述方案的改进，所述采样单元包括：
用于吸入被检测气体的气体吸收口；
用于吸入清洁空气以使监控仪校正零点的零气体吸收口；
以及用于排出被检测气体和/或清洁空气的气体排出口。
作为上述方案的改进，所述气体吸收口和所述零气体吸收口通过电磁阀切换。
作为上述方案的改进，所述采样单元还包括过滤器和/或除湿器，所述过滤器和/或除湿器与所述气体吸收口、所述零气体吸收口相连。
作为上述方案的改进，所述零气体吸收口为活性炭管芯。
作为上述方案的改进，所述采样单元还包括用于提供气体流动动力，使被检测气体接触所述VOC检测单元的感应器的气体吸收泵。
作为上述方案的改进，所述数据处理单元包括微处理器和逻辑控制CPLD单元。
作为上述方案的改进，所述VOC在线监测仪还包括管路自动反吹清洁单元，所述管路自动反吹清洁单元包括反吹泵。
作为上述方案的改进，所述VOC在线监测仪还包括:
用于显示所述被检测气体VOC浓度的显示单元；
用于存储数据的数据存储单元。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种VOC在线监测仪，使用IER方式的VOC监测方法将选择性吸收VOC并发生不同膨胀效果的高分子薄膜和光感技术相结合，并通过间歇式连续运转方式采集数据，并测定和显示VOC浓度，具有优异的敏感度、稳定、反复再现性、连续监测性、耐湿性、耐久性，保证监测结果的精确性，具体如下：
一、 本发明VOC检测单元中设有光源发生器、感应器和光检测器，所述感应器包括反射基板以及检测膜。当监控仪吸入VOC气体，检测膜接触、吸收VOC。随着VOC的吸入，检测膜因浓度变化而发生膨胀，检测膜膨胀的程度导致光的反射及干涉的变化，然后利用光检测器对反射光进行测量，从而可以精确地检测出VOC气体的总含量和所含成分的各自含量，保证监测结果的精确性。
二、 由于VOC所含成分各自的分子体积大小不同，因此检测膜膨胀的程度也不同，因此，本发明利用检测膜在吸入VOC后，因膜的膨胀使得反射光的强度在瞬间变化，从而可以检测出所有挥发性有机化合物，保证监测结果的精确性。
三、 本发明采样单元中设有零气体吸收口，并通过电磁阀与气体吸收口自动切换，以达到自动切换被检测气体以及清洁空气的目的。检测膜在吸入清洁空气后恢复原来的厚度，具有良好的反复再现性，可以实现零点校正与清洗，避免零点位的偏移，从而保证测量数据的精确性。并且，本发明在每次测量之前均进行零点校正与清洗，保证每次测量数据的精确性。
四、 本发明采样单元中设有除湿器，实现清洁空气与被检测气体的同时除湿调湿，适应污染源检测的特殊环境，保证监测数据的稳定性和精确性。采样单元中设有过滤器，对被监测的环境中的空气进行过滤，有利于提高稳定性、反复再现性、耐久性等。
五、 本发明设有数据处理单元以及通讯单元，使监测仪具备了在线功能，可通过光纤、无线网等将检测数据上报传输，并提供数字信号与模拟信号的双输出。而且，本发明可以远程后台操控，并实施在线运行维护。总之，本发明可以进行长时间稳定性测量，实现简易、迅速、低成本的在线连续监测。
六、 本发明设有管路自动反吹清洁单元，其主要由反吹泵抽取清洁空气作为气源反吹采样气路，实现自动清洗采样管路。
七、 本发明VOC在线监测仪不向外界排放废水废气，是环保的监测仪器。
附图说明
图1是本发明一种VOC在线监测仪第一实施例的示意图；
图2是图1所示VOC在线监测仪的采样单元一实施例的示意图；
图3是图1所示VOC在线监测仪的采样单元又一实施例的示意图；
图4是图1所示VOC在线监测仪的VOC检测单元的示意图；
图5是图1所示VOC在线监测仪的数据处理单元的示意图；
图6是本发明一种VOC在线监测仪的第二实施例的示意图；
图7是图6所示VOC在线监测仪的硬件设计框图；
图8是本发明一种VOC在线监测仪的第三实施例的示意图；
图9是本发明一种VOC在线监测仪的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供了一种VOC在线监测仪100的第一实施例，包括：用于对被检测气体进行收集采样的采样单元1；用于对所述被检测气体进行VOC浓度检测的VOC检测单元2；用于将所述VOC检测单元2所检测到的VOC浓度进行数据处理分析的数据处理单元3；用于实现传输数据及远程控制的通讯单元4。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述被检测气体是指挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）。
参见图2，所述采样单元1包括：用于吸入被检测气体的气体吸收口11；用于吸入清洁空气以使监控仪校正零点的零气体吸收口12；用于排出被检测气体和/或清洁空气的气体排出口13，以及用于提供气体流动动力，使被检测气体接触所述VOC检测单元的感应器的气体吸收泵17。所述气体吸收口11和所述零气体吸收口12通过电磁阀14切换。所述气体吸收泵17设于电磁阀14和气体排出口13之间。
优选的，所述零气体吸收口12为活性炭管芯。
优选的，所述气体吸收泵17为横膈膜式吸收泵。气体吸收泵17提供气体流动的动力和方向，可以使VOC集中、快速地接触VOC检测单元2的感应器22，提高VOC的感应速度，从而提高检测速度。
本发明采样单元1中设有零气体吸收口12，并通过电磁阀14与气体吸收口11自动切换，以达到自动切换被检测气体以及清洁空气的目的。检测膜在吸入清洁空气后恢复原来的厚度，具有良好的反复再现性，可以实现零点校正与清洗，避免零点位的偏移，从而保证测量数据的精确性。并且，本发明在每次测量之前均进行零点校正与清洗，保证每次测量数据的精确性。
本发明VOC监控仪100的测定流程如下：最初时先吸入清洁空气，校正零点。然后，吸入VOC，高分子薄膜随着VOC的吸入，反射光的强度瞬间增加，大概在10~15秒后达到平衡状态，信号也趋于稳定，此时再利用光检测器对反射光进行测量，并显示输出测量结果。最后，吸入清洁空气，利用洁净的空气清洗感应器的表面，使高分子薄膜排放出VOC。所述高分子薄膜经10~20秒恢复到初始状态（即原来的厚度），以此重复。
参见图3，图3提供了采样单元1的更佳实施例。与图2所示的采样单元1不同的是，图3所示采样单元1还包括过滤器15和除湿器16，所述过滤器15、除湿器16与所述气体吸收口11、所述零气体吸收口12相连。
其中，采样单元1设有除湿器16，可以除去VOC以及清洁空气中所含的水分，实现清洁空气与被检测气体的同时除湿调湿，适应污染源恶劣检测条件，保证系统运行稳定、监测数据的稳定性和精确性。
采样单元1设有过滤器15，对被监测的环境中的空气进行过滤，可以过滤掉颗粒较大的粉尘，有利于提高稳定性、反复再现性、耐久性等。
参见图4，所述VOC检测单元2包括：用于产生光线的光源发生器21，用于通过与所述被检测气体相接触、使光的折射率发生变化的感应器22，以及用于对所述感应器22所反射的光进行测量的光检测器23。
其中，所述光源发生器21优选为发光二极管（LED）或激光二极管（LD）。更佳的，所述光源发生器21为激光二极管（LD），其发出的激光是相干光，其方向性比LED好，大大提高了光源的耦合效率。需要说明的是，所述光源发生器21还可以为其他可产生光线的设备，其实施方式并不局限于本发明所举实施例。
所述感应器22包括反射基板221以及设在所述反射基板221上的检测膜222。其中，所述检测膜222优选为高分子薄膜，其感应被检测气体的灵敏度较高。高分子薄膜接触、吸收VOC后，会因浓度变化而膨胀，最后达到平衡状态。VOC气体的分子量越大，高分子薄膜膨胀后的厚度也越大，监控仪的灵敏度也越高。所述反射基板221优选为硅基板、玻璃基板或塑料基板，但不限于此。更佳的，所述反射基板221为硅基板。所述反射基板221接受光线照射，并利用本身的反射特性将其反射至光检测器23。需要说明的是，所述反射基板221还可以为其他材料制成的基板，只要其达到可反射光线的效果即可。
所述光检测器23优选为光电二极管，可以有效检测出根据高分子薄膜厚度的不同而导致的光的反射与干涉现象的变化。
本发明使用IER方式(即干涉增幅反射法:Interference Enhanced Reflection的简称)的VOC监测方法将选择性吸收VOC并发生不同膨胀效果的高分子薄膜和光感技术相结合，并通过间歇式连续运转方式采集数据，并测定和显示VOC浓度。高分子薄膜与VOC(被测定物质)接触后，吸收VOC气体并根据其浓度产生不同程度的膨胀现象，同时其膨胀度不同会引起光的反射和干涉发生变化。
如图4的箭头所示，光源发生器21发出光线，光线经感应器22的反射基板221反射至光检测器23。当监控仪吸入VOC气体，检测膜222接触、吸收VOC。随着VOC的吸入，检测膜222因浓度变化而发生膨胀，检测膜222膨胀的程度导致光的反射及干涉的变化，然后利用光检测器23对反射光进行测量，从而可以检测出VOC气体的总含量和所含成分的各自含量。但是，检测出被检测气体所含成分的各自含量的前提条件是被检测气体的成分比例已知。具体的，其可通过气相色谱分析仪等仪器检测出被检测气体的成分比例后，将各成分比例等输入系统，再进行测量换算便可得知各自成分的浓度。
作为本发明的一实施例，本发明以甲苯为基准，当测量单一成分气体时，将各成分换算系数乘以甲苯的换算值来定量；当测量复合VOC成分时，由于感应器的反应具有可加性，因此，在混合成分与混合比率已知的情况下可换算各个VOC成分的含量。最后，将各个VOC成分的含量相加，得到VOC气体的总含量。
需要说明的是，本发明可以采用气相色谱分析仪，通过气体色谱法对VOC成分进行分离后再用MS监测器测量，对其定性定量分析，得到VOC的混合成分与混合比率。
还需要说明的是，所述VOC还可以以其他成分为换算基准，例如三氯乙烯、氯化甲烷、乙醇等等，其实施方式并不局限于本发明所举实施例。
而且，由于VOC所含成分各自的分子体积大小不同，因此检测膜膨胀的程度也不同，因此，本发明利用发出的光线在吸入VOC后，因膜的膨胀使得反射光的强度在瞬间变化，从而可以检测出所有挥发性有机化合物，保证监测结果的精确性。
参见图5，所述数据处理单元3包括微处理器31和逻辑控制CPLD单元32。本发明利用微处理器31和逻辑控制CPLD单元32对所述VOC检测单元2所检测到的VOC浓度进行数据处理分析后，再将检测数据显示或上报传输。
需要说明的是，CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
进一步，所述通讯单元4可以为光纤、无线网、蓝牙等，以将检测数据上报传输，使监测仪具备了在线功能。并可以通过模拟输出端和/或数字输出端实现提供数字信号与模拟信号的双输出。
而且，本发明VOC在线监测仪100通过通讯单元4与PC、上位服务器系统等连接，可以实现远程后台操控，并实施在线运行维护。
总之，本发明通过数据处理单元3和通讯单元4，可以进行长时间稳定性测量，实现简易、迅速、低成本的在线连续监测。
参见图6，图6显示了本发明VOC在线监测仪100的第二实施例，与图1至图5所示VOC在线监测仪100的第一实施例不同的是，图6所示VOC在线监测仪100还包括：用于显示所述被检测气体VOC浓度的显示单元5，以及用于存储数据的数据存储单元6。其中，显示单元5优选为带背景灯的液晶显示器，提高显示的效果。存储单元6选用具备强大内存的存储器，至少可以存储1年数据。
参见图7，图7显示了本发明VOC在线监测仪100的硬件设计框图。所示的监测硬件主要由六个单元组成：VOC检测单元、微处理器、数据存储单元、逻辑控制CPLD单元、通讯单元和显示单元组成。其中，微处理器选用ARM处理器，数据存储单元选用FLASH芯片。本发明VOC在线监测仪100的系统以ARM处理器为核心，它驱动VOC检测单元，并将数据放入FLASH芯片中，此数据可以通过拟态网络、无线接口、串口(485)、USB等接口与PC、上位服务器系统等连接，也可以永久的保存在FLASH芯片中。
参见图8，图8显示了本发明VOC在线监测仪100的第三实施例，与图6所示VOC在线监测仪100的第二实施例不同的是，图8所示VOC在线监测仪100还包括：管路自动反吹清洁单元7，所述管路自动反吹清洁单元7包括反吹泵。管路自动反吹清洁单元7与采样单元1相连，可以实现自动清洗采样管路，其由整机系统控制软件定时发出自动清洗控制指令给反吹控制单元阀组和反吹泵，由反吹泵抽取清洁空气作为气源，实现反吹采样气路功能。
参见图9，图9显示了本发明一种VOC在线监测仪的工作流程，其主要如下：
仪器通过电磁阀14，抽取通过零气体吸收口12（所述零气体吸收口12选用活性炭管芯）过滤后的清洁空气，清空VOC检测单元2的环境，对仪器进行零点校正。再抽取通过气体吸收口11的被检测气体，所述被检测气体依次经过过滤器15和除湿器16处理。其中，零气体吸收口12与气体吸收口11通过电磁阀14自动切换，以此循环吸入被检测气体和清洁空气，达到连续监测的目的。
然后，被检测气体经过电磁阀14进入VOC检测单元2，通过光检测器23判读感应器22的检测膜（高分子膜）的膨胀状态，并结合数据处理单元3计算所含有的VOC物质浓度，完毕后，通过气体吸收泵17由气体排出口13排出检测后的气体。
最后，检测结果可以通过通讯单元进行上报传输，使监测仪具备了在线功能。并且，所述监测仪通过通讯单元可与PC、上位服务器系统等连接，可以实现远程后台操控，实施在线运行维护。同时，检测结果可以通过显示单元进行显示，通过数据存储单元进行储存。
另一方面，气体吸收口11还连接有管路自动反吹清洁单元，其包括反吹泵71。反吹泵71抽取清洁空气，清洁空气通过反吹电磁阀72进入采样气路，作为气源反吹采样气路，实现自动清洗采样管路。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种VOC在线监测仪，其特征在于，包括：
用于对被检测气体进行收集采样的采样单元；
用于对所述被检测气体进行VOC浓度检测的VOC检测单元；
用于将所述VOC检测单元所检测到的VOC浓度进行数据处理分析的数据处理单元；
用于实现传输数据及远程控制的通讯单元；
其中，所述VOC检测单元包括：用于产生光线的光源发生器，用于通过与所述被检测气体相接触、使光的折射率发生变化的感应器，以及用于对所述感应器所反射的光进行测量的光检测器；
所述感应器包括反射基板以及设在所述反射基板上的检测膜。
2.如权利要求1所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述检测膜为高分子薄膜；
所述光源发生器为发光二极管或激光二极管；
所述反射基板为硅基板、玻璃基板或塑料基板；
所述光检测器为光电二极管。
3.如权利要求1或2所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述采样单元包括：
用于吸入被检测气体的气体吸收口；
用于吸入清洁空气以使监控仪校正零点的零气体吸收口；
以及用于排出被检测气体和/或清洁空气的气体排出口。
4.如权利要求3所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述气体吸收口和所述零气体吸收口通过电磁阀切换。
5.如权利要求3所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述采样单元还包括过滤器和/或除湿器，所述过滤器和/或除湿器与所述气体吸收口、所述零气体吸收口相连。
6.如权利要求3所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述零气体吸收口为活性炭管芯。
7.如权利要求3所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述采样单元还包括用于提供气体流动动力，使被检测气体接触所述VOC检测单元的感应器的气体吸收泵。
8.如权利要求1或2所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述数据处理单元包括微处理器和逻辑控制CPLD单元。
9.如权利要求1或2所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述VOC在线监测仪还包括管路自动反吹清洁单元，所述管路自动反吹清洁单元包括反吹泵。
10. 如权利要求1或2所述的VOC在线监测仪，其特征在于，所述VOC在线监测仪还包括:
用于显示所述被检测气体VOC浓度的显示单元；
用于存储数据的数据存储单元。
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