环境空气vocs含量及组分监测设备
技术领域
1.本技术涉及vocs气体监测技术领域，尤其涉及一种环境空气vocs含量及组分监测设备。
背景技术：2.挥发性有机物(vocs)，通常是指在常压下沸点低于50℃～260℃的有机化合物的统称。挥发性有机化合物(vocs)是形成臭氧(o3)和细颗粒物 (pm2.5)等大气污染物的前提，vocs中主要成分苯系物对人体健康产生巨大危害。目前，对于vocs排放监测的模式主要以在污染现场手工采样带回实验室分析进行为主，这一过程复杂且时效性较差。
3.红外光谱定量分析技术是目前应用较为广泛的vocs分析技术，红外光谱在数据产生及传输过程中会产生噪声，噪声的产生会影响定量反演的精度，在定量反演过程中具有良好性能的反演模型的建立对红外光谱定量反演 vocs组分及含量具有重要意义。
4.红外光谱定量分析的理论基础是beer-lambert定律，即在路径上的大气各向同性且处于热平衡状态下，对于频率v，入射原始光强i0(v)的辐射光通过长度为l的气体吸收介质后，在不考虑散射的情况下，其透射光强i(v) 与原始光强i0(v)存在一定的关系。但红外光谱定量分析的缺点在于其不能准确测得含量较少的vocs气体，存在监测下限高的问题，影响监测数据的可靠性。
技术实现要素：5.本技术旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。
6.为此，本技术的一个目的在于提出一种环境空气vocs含量及组分监测设备，可实现vocs的连续实时在线监测和vocs浓度数据传输，通过多传感器协同工作，保障监测数据的可靠性。
7.为达到上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种环境空气vocs含量及组分监测设备，包括支撑机构、红外监测组件、吸气机、vocs含量监测组件、导气管、排气管和控制器，其中，所述红外监测组件和所述vocs含量监测组件分别设置在所述支撑机构上，其中，所述vocs含量监测组件位于所述红外监测组件的上方；所述吸气机设置在所述红外监测组件上，用于将环境空气吸入所述红外监测组件内；所述导气管的一端与所述红外监测组件相连，所述导气管的另一端与所述vocs含量监测组件相连，其中，所述红外监测组件，用于对所述环境空气进行检测，以生成所述环境空气的第一 vocs信息，所述vocs含量监测组件，用于对所述环境空气进行检测，以生成所述环境空气的第二vocs信息；所述排气管的一端与所述vocs含量监测组件相连；所述控制器分别与所述吸气机、所述红外监测组件和所述vocs 含量监测组件相连，所述控制器用于将所述第一vocs信息和所述第二vocs 信息发送至上位机。
8.本技术实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备，结构简单，布置方便，可实现vocs的连续实时在线监测和vocs浓度数据传输，通过红外监测组件与vocs含量监测组件协
同工作，弥补了各传感器之间的不足，解决了红外监测组件与vocs含量监测组件中产生的误差问题，保障了监测数据的可靠性。
9.另外，根据本技术上述实施例提出的环境空气vocs含量及组分监测设备还可以具有如下附加的技术特征：
10.在本技术的一个实施例中，所述红外监测组件包括第一气体检测室、红外光源和红外探测器；所述红外光源设置在所述第一气体检测室的一侧，所述红外探测器设置在所述第一气体检测室的另一侧；所述吸气机的出气口与所述第一气体检测室连通。
11.在本技术的一个实施例中，所述vocs含量监测组件包括第二气体检测室和vocs含量检测单元，其中，所述vocs含量检测单元设于所述第二气体检测室内。
12.在本技术的一个实施例中，其中，所述vocs含量检测单元为电子鼻检测单元或pid检测单元，其中，所述电子鼻检测单元包括多个传感器。
13.在本技术的一个实施例中，当所述vocs含量检测单元为所述电子鼻检测单元时，所述第二气体检测室为恒温恒湿气候箱。
14.在本技术的一个实施例中，所述导气管的一端与所述第二气体检测室连通，所述导气管的另一端与所述第一气体检测室连通，且所述导气管上安装有电磁阀。
15.在本技术的一个实施例中，所述支撑机构包括多个柱体和基座，其中，多个所述柱体均设于所述基座上，所述第一气体检测室和所述第二气体检测室分别设置在所述柱体上。
16.在本技术的一个实施例中，所述第一气体检测室内设有反射单元，所述反射单元包括多个反射镜，多个所述反射镜设于所述第一气体检测室的内壁上。
17.在本技术的一个实施例中，所述吸气机的出风口位于靠近所述红外光源处，所述导气管位于靠近所述红外探测器处，所述排气管远离所述导气管设置，且所述排气管的一端与所述第二气体检测室连通。
18.在本技术的一个实施例中，所述吸气机的进风口连通有进气管。
19.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
20.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1为根据本技术一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备部分结构示意图；
22.图2为根据本技术一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备中 vocs含量监测组件结构示意图；
23.图3为根据本技术一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备工作流程图；
24.图4为根据本技术另一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备中vocs含量监测组件结构示意图；
25.图5为根据本技术另一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备工作流程图；
26.图6为根据本技术一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备中小波包去噪分解树图。
27.附图标记：1、支撑机构；11、柱体；12、基座；2、红外监测组件；21、第一气体检测室；22、红外光源；23、红外探测器；24、反射单元；3、吸气机；4、vocs含量监测组件；41、第二气体检测室；42、vocs含量检测单元；43、电子鼻检测单元；44、pid检测单元；5、导气管；51、电磁阀；6、排气管；7、进气管。
具体实施方式
28.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
29.下面参照附图描述本技术实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备。
30.图1为根据本技术一个实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备。
31.如图1所示，本技术实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备，可包括支撑机构1、红外监测组件2、吸气机3、vocs含量监测组件4、导气管 5、排气管6和控制器。
32.其中，红外监测组件2和vocs含量监测组件4分别设置在支撑机构1 上，其中，vocs含量监测组件4位于红外监测组件2的上方。
33.吸气机3设置在红外监测组件2上，用于将环境空气吸入红外监测组件2 内，导气管5的一端与红外监测组件2相连，导气管5的另一端与vocs含量监测组件4相连，吸气机3的进风口连通有进气管7。
34.其中，红外监测组件2，用于对环境空气进行检测，以生成环境空气的第一vocs信息，vocs含量监测组件4，用于对环境空气进行检测，以生成环境空气的第二vocs信息。
35.排气管6的一端与vocs含量监测组件4相连，控制器分别与吸气机3、红外监测组件2和vocs含量监测组件4相连，控制器用于将第一vocs信息和第二vocs信息发送至上位机。
36.需要说明的是，该实施例中所描述的控制器(图中未示出)安装在支撑机构1上，控制器内置无线传输单元(图中未示出)，第一vocs信息和第二 vocs信息通过无线传输单元发送至上位机(例如：该上位机可以为计算机)。
37.可以理解的是，在本技术的实施例中，无线传输单元可以为无线信号装置，控制器与无线信号装置相连，进而将第一vocs信息和第二vocs信息发送至上位机。
38.另外，在本技术的实施例中，进气管7的另一端与外部待监测vocs气源连通(例如：该待监测vocs气源为煤化工、石油化工等行业产生vocs 气体的位置)，排气管6的另一端与外部vocs气体收集装置连通，该收集装置内部设有vocs净化组件，进而可避免vocs气体污染大气。
39.在本技术的一个实施例中，如图1所示，红外监测组件2可包括第一气体检测室21、红外光源22和红外探测器23。
40.红外光源22设置在第一气体检测室21的一侧，红外探测器23设置在第一气体检测室21的另一侧，吸气机3的出气口与第一气体检测室21连通。
41.在本技术的一个实施例中，导气管5的一端与第二气体检测室41连通，导气管5的另一端与第一气体检测室21连通，且导气管5上安装有电磁阀51。
42.具体地，在需要进行vocs监测的地点(例如：煤化工、石油化工等行业产生vocs气体的位置)，相关技术人员，将vocs气体与进气管7的一端连通，通过遥控设备(例如：该遥控设备可为手机或遥控器)向控制器发送信号，进而将吸气机3打开，vocs气体进入第一气体检测室21，红外光源 22发射光通过vocs气体被红外探测器23检测，红外检测为无损检测，红外探测器23检测到的数字信号传输至控制器中，再通过无线传输单元将数据传输给上位机(计算机)。
43.然后，上位机(计算机)对红外探测器23产生的数据进行小波包去噪，从而提高其信噪比(snr)，有利于红外探测器23中的红外传感器精确测量 vocs组分及浓度，其中，采用三层小波包分解，参照图6。
44.其中，(0，0)为原始红外传感器数据，(1，0)为具有较大小波包系数的低频部分，(1，1)为具有较小小波包系数的高频部分，选定小波包分解层数之后进行小波包基的选取，对称性好的小波不产生相位畸变，正则性好的小波包基易于获得光滑的重构曲线。
45.选取正则性和对称性均较好的haar、daubechies、biorthogonal、coiflets (haar、daubechies、biorthogonal和coiflets均为小波分析中常见的小波函数，其中，haar小波不是连续可微的，应用有限，一般多作为原理示意或说明用， daubechies函数是由世界著名的小波分析学者inriddaubechies构造的小波函数,除了haar小波外，其它小波没有明确的表达式，但转换函数h的平方模是明确的，biorthogonal函数的主要特征表现在具有线性相位性，它主要应用在信号与图像的重构中，coiflet函数是由daubechies构造的小波函数)小波包基来挑选合适的小波包基进行小波包去噪，经计算，daubechies小波包基进行红外数据去噪后红外数据具有较大的snr和较小的均方误差(mse)，因此选取daubechies小波包基进行红外数据软阈值小波包去噪。
46.另外，选取阈值时采用donoho和johnstone(donoho和johnstone在1992 年提出了“小波收缩”方法。)提出的统一阈值计算公式，以选取合适的阈值，其公式如下：
[0047][0048]
其中，δ为选取的阈值，σ为噪声标准方差，n为信号长度。软阈值量化去噪原理是：当小波包系数的绝对值小于给定阈值时，令其为0，大于等于阈值时，令其均减去阈值。软阈值函数定义如下：
[0049][0050]
其中，λ为选取的阈值，ω为阈值处理前的小波包系数，为阈值量化后的新小波包系数。sgn是阶跃函数，数学上的符号函数或者计算机语言中的返回函数。进行软阈值去噪后进行小波包重构即可得到小波包去噪后的红外传感器数据。
[0051]
将红外传感器数据作为输入层，vocs含量作为输出层，隐含层节点数为 6建立bp神经网络预测模型(bp网络是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一)。该模型r2稳定在0.94，具有较高的精度。将经小波包变换的红外传感器数据作为输入层输入bp神经网络预测模型，即可得vocs组分及含量。
[0052]
接着，控制器向电磁阀51发送信号，经红外检测后的vocs气体经导气管5进入vocs含量监测组件4内，vocs含量监测组件4产生的电流在控制器控制下转化为模拟电压信号，
经数模转换，转换为数字电压信号，随后通过无线传输单元传递给上位机(计算机)，检测数据在上位机(计算机)的显示屏上显示，经vocs含量监测组件4检测后的vocs气体通过排气管6进入外部收集装置内，进而避免vocs气体产生污染。
[0053]
在本技术的一个实施例中，如图1所示，vocs含量监测组件4可包括第二气体检测室41和vocs含量检测单元42。
[0054]
其中，vocs含量检测单元42设于第二气体检测室41内，排气管6的一端与第二气体检测室41连通。
[0055]
其中，vocs含量检测单元42为电子鼻检测单元43或pid检测单元44，其中，电子鼻检测单元43包括多个传感器，当vocs含量检测单元42为电子鼻检测单元43时，第二气体检测室41为恒温恒湿气候箱，以用于保证pid 检测单元44工作环境的稳定性。
[0056]
需要说明的是，该实施例中所描述的电子鼻检测单元43包括tgs-2620、 tgs-823、mq-3、mq-5四个金属氧化物半导体传感器集成。
[0057]
另外，电子鼻是一种模仿动物嗅觉的仪器，能够识别不同的废气。电子鼻一般由传感器阵列、传感器信号处理单元、模式识别方法构成，电子鼻的基本结构与哺乳动物的嗅觉系统和神经的原理大致相同，能够长时间、连续实时的对vocs进行监测。
[0058]
由于金属氧化物半导体传感器集成的电子鼻存在交叉敏感的问题，当多种vocs气体同时存在时，很难有选择性的检测出某一种气体的种类和含量。
[0059]
作为一种可能的情况，如图2和图3所示，当vocs含量检测单元42为电子鼻检测单元43时，vocs气体通过导气管5进入第二气体检测室41，vocs 在第二气体检测室41中被电子鼻检测单元43检测，电子鼻检测单元43向控制器发送信号，进而将模拟电压信号经数模转换，转换为数字电压信号，然后通过无线传输将电子鼻数据传送给上位机(计算机)，计算机将电子鼻检测单元43的信号进行漂移校正处理。
[0060]
举例而言，该实施例中所描述的漂移校正处理可为正交信号校正法 (orthogonal signal correction，简称“osc”)，其中，正交信号校正法是一种广泛被使用的传感器信号漂移校正的方法，它从原始响应信号中去除与目标矩阵线性不相关的部分，直接将传感器信号阵与浓度阵正交来滤除无关的信号，保证信号校正过程尽可能多的保留有用信息。计算方法如下：
[0061]
(1)将原始校正集信号阵x(n
×
m)和浓度阵y(n
×
1)进行均值化中心化或标准化处理；
[0062]
(2)计算m＝x'y(y'y)-1；
[0063]
(3)计算z＝x-ym'；
[0064]
(4)对z进行主成分分析,取前f个需正交处理的得分矩阵tf和载荷矩阵 pf；
[0065]
(5)计算新的tf,t
fnew
＝xpf；
[0066]
(6)x
od
＝x-t
fnew
pf'；
[0067]
(7)对于预测向量x
new
,由载荷pf求出校正后的信号：t＝x
new
pf， x'
od
＝x
new-tpf'。
[0068]
(x'、m'、y'、pf'和tpf'分别为对应数据的导函数)。
[0069]
计算经正交信号校正法校正后的电子鼻信号(x'
od
)所反映的vocs的含量，从而获得电子鼻检测单元43反映的vocs的含量。
[0070]
将红外监测组件2测得vocs组分及含量与pid检测单元44测得vocs 含量进行数据
融合处理，即可获得可靠性较高的vocs数据。
[0071]
作为另一种可能的情况，如图4和图5所示，当vocs含量检测单元42 为pid检测单元44时，该实施例中所描述的pid为光离子化传感器，英文全称是photo ionization detector，其体积小、耗能少，是理想的vocs含量监测手段，该传感器具有高灵敏度、宽范围、广谱的特点，能够在不同应用领域对数千种挥发性有机化合物(vocs)及部分无机蒸气进行检测，并可提供高达 10000ppm的检测量程和最低1ppb的检测极限，具有极快的响应速度和极高的分辨率。
[0072]
具体地，如图4和图5所示，vocs气体通过导气管5进入第二气体检测室41，pid检测单元44产生的电流在控制器控制下转化为模拟电压信号，经数模转换，转换为数字电压信号，在通过无线传输将pid数据传送给计算机。
[0073]
在本技术的实施例中，vocs含量检测单元42中的pid对于短链烷烃不敏感，且pid在长时间工作条件下会产生基线漂移的问题，上位机(计算机) 对pid产生的数字电压信号进行基线校正(同样采用正交信号校正法，故在此不做赘述)，进而解决这一问题，并根据数字电压值对应vocs含量从而确定vocs总含量。
[0074]
上位机(计算机)对红外传感器产生的红外光谱进行小波包去噪，对pid 产生数字电压信号进行基线校正，通过bp神经网络定量反演vocs组分及含量，并通过经基线校正的数字电压信号反应vocs总含量，对红外传感器数据与pid数据进行数据融合和对比，从而精确测得vocs组分及含量，以便实时掌握污染状态，及时作出相应措施，避免对环境和人体造成伤害。
[0075]
在本技术的一个实施例中，支撑机构1包括多个柱体11和基座12。
[0076]
其中，多个柱体11均设于基座12上，第一气体检测室21和第二气体检测室41分别设置在柱体11上。
[0077]
作为一种可能的情况，基座12可以通过固定件(螺栓、膨胀螺丝)固定在vocs气体待监测处。
[0078]
作为另一种可能的情况，为了方便该监测系统的移动，基座12的底部四角处可安装万向轮(图中未示出)，万向轮上带有自锁结构，进而保证该监测系统在使用时的稳定性。
[0079]
另外，在本技术的实施例中，柱体11的顶部可安装有太阳能供电模组(图中未示出)，太阳能供电模组可为该监测系统的用电部件供电。
[0080]
在本技术的另一个实施例中，若该监测系统放置在市电使用较为方便的位置，还可利用市电为该监测系统中的用电组件供电。
[0081]
在本技术的一个实施例中，第一气体检测室21内设有反射单元24，反射单元24包括多个反射镜，多个反射镜设于第一气体检测室21的内壁上。
[0082]
具体地，红外光源22发出的红外光线在第一气体检测室21内传播，通过添加反射镜可以增加红外光线在含vocs第一气体检测室21里的停留时间，让红外光线和vocs气体在第一气体检测室21内充分接触，从而消除红外光源22不稳定引起的测量误差。
[0083]
在本技术的一个实施例中，吸气机3的出风口位于靠近红外光源22处，导气管5位于靠近红外探测器23处，排气管6远离导气管5设置。
[0084]
具体地，导气管5和吸气机3的出风口远离设置，可以延长气体在第一气体检测室21中的通过时间。
[0085]
综上，本技术实施例的环境空气vocs含量及组分监测设备，结构简单，布置方便，可实现vocs的连续实时在线监测和vocs浓度数据传输，通过红外监测组件2与vocs含量监测组件4协同工作，弥补了各传感器之间的不足，解决了红外监测组件2与vocs含量监测组件4中产生的误差问题，保障了监测数据的可靠性。
[0086]
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0087]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0088]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，包括支撑机构、红外监测组件、吸气机、vocs含量监测组件、导气管、排气管和控制器，其中，所述红外监测组件和所述vocs含量监测组件分别设置在所述支撑机构上，其中，所述vocs含量监测组件位于所述红外监测组件的上方；所述吸气机设置在所述红外监测组件上，用于将环境空气吸入所述红外监测组件内；所述导气管的一端与所述红外监测组件相连，所述导气管的另一端与所述vocs含量监测组件相连，其中，所述红外监测组件，用于对所述环境空气进行检测，以生成所述环境空气的第一vocs信息，所述vocs含量监测组件，用于对所述环境空气进行检测，以生成所述环境空气的第二vocs信息；所述排气管的一端与所述vocs含量监测组件相连；所述控制器分别与所述吸气机、所述红外监测组件和所述vocs含量监测组件相连，所述控制器用于将所述第一vocs信息和所述第二vocs信息发送至上位机。2.根据权利要求1所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述红外监测组件包括第一气体检测室、红外光源和红外探测器；所述红外光源设置在所述第一气体检测室的一侧，所述红外探测器设置在所述第一气体检测室的另一侧；所述吸气机的出气口与所述第一气体检测室连通。3.根据权利要求2所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述vocs含量监测组件包括第二气体检测室和vocs含量检测单元，其中，所述vocs含量检测单元设于所述第二气体检测室内。4.根据权利要求3所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，其中，所述vocs含量检测单元为电子鼻检测单元或pid检测单元，其中，所述电子鼻检测单元包括多个传感器。5.根据权利要求4所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，当所述vocs含量检测单元为所述电子鼻检测单元时，所述第二气体检测室为恒温恒湿气候箱。6.根据权利要求3所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述导气管的一端与所述第二气体检测室连通，所述导气管的另一端与所述第一气体检测室连通，且所述导气管上安装有电磁阀。7.根据权利要求3所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述支撑机构包括多个柱体和基座，其中，多个所述柱体均设于所述基座上，所述第一气体检测室和所述第二气体检测室分别设置在所述柱体上。8.根据权利要求2所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述第一气体检测室内设有反射单元，所述反射单元包括多个反射镜，多个所述反射镜设于所述第一气体检测室的内壁上。9.根据权利要求3所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述吸气机的出风口位于靠近所述红外光源处，所述导气管位于靠近所述红外探测器处，所述排气管远离所述导气管设置，且所述排气管的一端与所述第二气体检测室连通。
10.根据权利要求1所述的环境空气vocs含量及组分监测设备，其特征在于，所述吸气机的进风口连通有进气管。
技术总结本申请提出一种环境空气VOCs含量及组分监测设备，包括支撑机构、红外监测组件、吸气机、VOCs含量监测组件、导气管、排气管和控制器，其中，红外监测组件和VOCs含量监测组件分别设置在支撑机构上，其中，VOCs含量监测组件位于红外监测组件的上方；吸气机设置在红外监测组件上；导气管的一端与红外监测组件相连，导气管的另一端与VOCs含量监测组件相连，其中，红外监测组件，用于对环境空气进行检测，以生成环境空气的第一VOCs信息；排气管的一端与VOCs含量监测组件相连；控制器分别与吸气机、红外监测组件和VOCs含量监测组件相连。由此，可实现VOCs的连续实时在线监测和VOCs浓度数据传输，通过多传感器协同工作，保障监测数据的可靠性。的可靠性。的可靠性。
技术研发人员：冯秀娟 董成亮 刘增源
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.06.20
技术公布日：2022/11/1
