本实用新型涉及环境
检测仪器技术领域，尤其涉及一种热光法有机碳元素碳在线分析仪。
背景技术：
大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，大气气溶胶中的碳质组分通常占大气细粒子质量浓度的10～70％，是大气细粒子的重要组成成分。其可分为3大类：有机碳OC、元素碳EC和碳酸碳CC。
目前越来越多人都认为EC对于全球变暖的作用非常明显，EC可以吸收从红外到紫外全波段的光，加速地球升温，并且EC能加深颗粒物的颜色，使一些原本对辐射没有吸收或者吸收较小的物质也能对光产生吸收，增加了颗粒物的辐射强迫，降低了大气能见度。气溶胶中的OC也能对光起散射作用，极大地影响了区域大气的能见度。PM2.5的主要组成成分之一就有机碳OC和元素碳EC。
由于大气气溶胶碳质组分绝大部分存在于细粒子中(0.1～1μm)，因而能够很容易通过人体的呼吸作用进入人体的肺部，破坏改变肺的结构和功能，造成慢性呼吸道疾病，甚至能够改变DNA的结构。
因大气气溶胶中的碳质组分破坏地球辐射平衡、影响全球气候、降低城市能见度、危害人类健康，是大气气溶胶领域的重点研究内容，已成为当今环境监测领域的热点。
目前，对大气气溶胶碳质组分(OC/EC)的研究，主要采用两种方法：膜采样+离线分析和在线OC/EC监测。但是，通过传统的膜采样+离线分析方法所获得的数据时间分辨率低，难以反映较短时间内大气气溶胶特征变化的信息，而且容易引入人为干扰，因此利用在线的OC/EC分析仪成为应用的趋势。
但是在线OC/EC分析仪的成本较高，难以在国内进行推广应用，因此，为了能够更好地、更方便地获得监测数据，更清楚地了解我国气溶胶的污染现状，为治理大气污染、改善空气质量提供支持，迫切需要一种适合我国气溶胶监测和研究的在线分析系统。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种成本低，避免样品在加热挥发过程中的损失，能够完全的检测到样品，降低系统误差，提高数据可靠性的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，包括仪器保护外壳，仪器保护外壳内设有激光组件、载气管道、空气进出管道和炉体，所述仪器保护外壳的外壁上设有多个外接端口，外接端口包括空气进口和空气出口，其特征在于：所述炉体包括反应炉和氧化炉，所述反应炉和氧化炉为一体式结构，均设于炉体外壳内，反应炉与氧化炉之间设有保温墙，保温墙将炉体外壳内腔分为两个腔室，反应炉与保温墙垂直设置，氧化炉与保温墙平行设置，反应炉的中后部与氧化炉的前端联通，反应炉的后端和前端均延伸至炉体外壳外；所述激光组件包括激光发射器、光电检测器、密封光窗和石英滤膜，所述激光发射器设于反应炉的后端外，光电检测器设于反应炉的前端外，密封光窗设于反应炉与氧化炉联通的后端内，密封光窗将反应炉与氧化炉联通的后端阻隔成封闭式结构，石英滤膜设于反应炉前端内；所述空气进出管道包括进气管和出气管，进气管一端连接空气进口，另一端连接反应炉的入口，所述进气管上设有采样阀；所述出气管一端连接空气出口，另一端连接隔离阀，所述隔离阀连接阀路切换系统，出气管上设有采样流量传感器和采样流量控制阀；所述载气管道包括载气进气管，所述载气进气管一端连接反应炉，与反应炉为一体式结构，另一端连接阀路切换系统，所述反应炉上的载气进气口设于石英滤膜后方；所述氧化炉的出口连接检测器。
进一步的技术方案在于：所述炉体一侧设有风机。
进一步的技术方案在于：所述石英滤膜通过石英管安装在反应炉内。
进一步的技术方案在于：所述载气进气管与反应炉连接处设有温测接头，温测接头上设有温度传感器。
进一步的技术方案在于：所述炉体外壳内壁上设有保温层。
进一步的技术方案在于：所述氧化炉与反应炉内腔直径比为4：3，氧化炉所在腔室与反应炉所在腔室的深度比为1：1。
进一步的技术方案在于：所述氧化炉与检测器之间的管道上设有检测器控制阀。
进一步的技术方案在于：所述氧化炉的出口通过接头连接样品通气管，样品通气管连接检测器。
进一步的技术方案在于：所述阀路切换系统包括载气控制阀、标定气控制阀、氧气控制阀。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
OC/EC监测仪与其采样系统共同使用，可实现任意时间长度PM2.5颗粒物收集，并通过光热法进行分析颗粒物中有机碳(OC)浓度数值、元素碳(EC)浓度数值、总碳(TC)浓度数值，同时系统使用激光监测样品膜上颗粒物吸光度变化，还可获得光法有机碳(OC)浓度数值和元素碳(EC)浓度数值。系统使用定量环对所有数据进行归一化处理，降低系统误差，提高数据可靠性，其数值可与其他监测数据共同使用，进行PM2.5环境监测污染源数据源解析，也可与其他系统连接，用于碳元素分析。
并且反应炉设于一体结构，避免样品在加热挥发过程中的损失，能够完全的检测到样品，降低系统误差，提高数据可靠性。能够更好地、更方便地获得监测数据，更清楚地了解我国气溶胶的污染现状，为治理大气污染、改善空气质量提供支持。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型保护外壳的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1和2所示，一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，包括仪器保护外壳100，仪器保护外壳100内设有激光组件、载气管道、空气进出管道和炉体10，所述仪器保护外壳100的外壁上设有多个外接端口，外接端口包括空气进口和空气出口，所述炉体10包括反应炉11和氧化炉12，所述反应炉11和氧化炉12为一体式结构，均设于炉体外壳内，反应炉11与氧化炉12之间设有保温墙16，保温墙16将炉体外壳内腔分为两个腔室，反应炉11与保温墙16垂直设置，氧化炉12与保温墙16平行设置，反应炉11的中后部与氧化炉12的前端联通，反应炉11的后端和前端均延伸至炉体外壳外；所述激光组件包括激光发射器41、光电检测器42、密封光窗43和石英滤膜，所述激光发射器41设于反应炉11的后端外，光电检测器42设于反应炉11的前端外，密封光窗43设于反应炉11与氧化炉12联通的后端内，密封光窗43将反应炉11与氧化炉12联通的后端阻隔成封闭式结构，石英滤膜设于反应炉11前端内；所述空气进出管道包括进气管21和出气管，进气管21一端连接空气进口，另一端连接反应炉11的入口，所述进气管21上设有采样阀22；所述出气管一端连接空气出口，另一端连接隔离阀31，所述隔离阀31连接阀路切换系统70，出气管上设有采样流量传感器32和采样流量控制阀33；所述载气管道包括载气进气管，所述载气进气管一端连接反应炉11，与反应炉11为一体式结构，另一端连接阀路切换系统70，所述反应炉11上的载气进气口设于石英滤膜后方；所述氧化炉12的出口连接检测器200。反应炉11、氧化炉12和载气进气管均为石英管，载气进气管与反应炉11通过加热融合的方式做成了一个整体，密封光窗43与石英管材质相同。
其中，炉体10一侧设有风机60，对一体炉进行降温，风机60包括风扇和驱动风扇旋转的电机。
石英滤膜通过石英管23推入反应炉11内，直至反应炉内设置的一个台阶位置，然后使用特氟龙卡套接头密封石英管。石英滤膜可反复多次使用，并可通过拆卸石英管23进行更换。
载气进气管与反应炉11连接处设有温测接头14，温测接头14上设有温度传感器，温度传感器用来实时监测样品膜温度，从而控制升温程序各个梯度的准确温度。
氧化炉12与反应炉11内腔直径比为4：3，氧化炉12所在腔室与反应炉11所在腔室的深度比为1：1。
氧化炉12与检测器之间的管道上设有检测器控制阀15，氧化炉12的出口通过接头13连接样品通气管，样品通气管连接检测器200。
阀路切换系统70包括载气控制阀、标定气控制阀、氧气控制阀、载气控制螺线管、第一标定气螺线管、第二标定气螺线管和前炉螺线管。
本实用新型的工作过程分为采样和分析两部分。
采样：样气由入口进入，通过采样阀22，经过反应炉11，由反应炉11里的石英滤膜将样气中的颗粒物捕捉，气体随后通过阀路切换系统70，流经隔离阀31，再通过采样流量传感器32和采样流量控制阀33流出。采样流量传感器32和采样流量控制阀33控制采样时的气体流量。
分析时：采样阀22关闭，反应炉开始程序控制加热，同时各路载气通过阀路切换系统70通入反应炉，将颗粒物中的OC和EC分别转化成可检测气体CO2，从氧化炉12流出，流经检测器控制阀15，进入到检测器进行分析。
在采样和分析过程中，均进行光学检测。其中激光发射器41发出红光，通过反应炉11及石英滤膜后由光电检测器42接收转为电信号本信号主要用于检测滤膜上颗粒物的吸光度，信号越高说明吸光度越小，滤膜的碳含量越低；信号越低说明碳含量越高。另外也用这个信号确定有机碳和元素碳的分割点。
本实用新型的工作原理为，将采集颗粒物的石英滤膜放入石英炉(quartz oven)中，在氦气的非氧化(He)环境中逐渐升温，致使OC被加热挥发(该过程中也有部分OC被碳化)；此后样品在氦气/氧气混合气(He/O2)环境中逐渐升温，该过程中EC被氧化分解为气态氧化物。这两个步骤中所产生的分解物都随着载气流至非分散红外检测器(NDIR)定量检测。在完成样品分析之后加入定量的He/CH4气体进行校准，定量的He/CH4用来定标，即多大的信号峰对应多少碳含量，从而获得样品滤膜上的碳含量。整个过程中都有一束激光照在石英膜上，激光中心波长660nm，这样在OC碳化时该激光的透射光(或反射光)的强度会逐渐减弱，而在He切换成He/O2同时加温，随着碳化和EC的氧化分解该激光的透射光(或反射光)会逐渐增强。当透射光(或反射光)的强度恢复到开始强度时，这一时刻被称为OC/EC分割点，即该时刻之前检测到，的碳量就定义为起始时的OC，而其后检测到的碳量则对应于起始EC。
以上仅是本实用新型的较佳实施例，任何人根据本实用新型的内容对本实用新型作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本实用新型的保护范围。
技术特征：
1.一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，包括仪器保护外壳(100)，仪器保护外壳(100)内设有激光组件、载气管道、空气进出管道和炉体(10)，所述仪器保护外壳(100)的外壁上设有多个外接端口，外接端口包括空气进口和空气出口，其特征在于：
所述炉体(10)包括反应炉(11)和氧化炉(12)，所述反应炉(11)和氧化炉(12)为一体式结构，均设于炉体外壳内，反应炉(11)与氧化炉(12)之间设有保温墙(16)，保温墙(16)将炉体外壳内腔分为两个腔室，反应炉(11)与保温墙(16)垂直设置，氧化炉(12)与保温墙(16)平行设置，反应炉(11)的中后部与氧化炉(12)的前端联通，反应炉(11)的后端和前端均延伸至炉体外壳外；
所述激光组件包括激光发射器(41)、光电检测器(42)、密封光窗(43)和石英滤膜，所述激光发射器(41)设于反应炉(11)的后端外，光电检测器(42)设于反应炉(11)的前端外，密封光窗(43)设于反应炉(11)与氧化炉(12)联通的后端内，密封光窗(43)将反应炉(11)与氧化炉(12)联通的后端阻隔成封闭式结构，石英滤膜设于反应炉(11)前端内；
所述空气进出管道包括进气管(21)和出气管，进气管(21)一端连接空气进口，另一端连接反应炉(11)的入口，所述进气管(21)上设有采样阀(22)；所述出气管一端连接空气出口，另一端连接隔离阀(31)，所述隔离阀(31)连接阀路切换系统(70)，出气管上设有采样流量传感器(32)和采样流量控制阀(33)；
所述载气管道包括载气进气管，所述载气进气管一端连接反应炉(11)，与反应炉(11)为一体式结构，另一端连接阀路切换系统(70)，所述反应炉(11)上的载气进气口设于石英滤膜后方；
所述氧化炉(12)的出口连接检测器(200)。
2.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述炉体(10)一侧设有风机(60)。
3.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述石英滤膜通过石英管(23)安装在反应炉(11)内。
4.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述载气进气管与反应炉(11)连接处设有温测接头(14)，温测接头(14)上设有温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述炉体外壳内壁上设有保温层。
6.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述氧化炉(12)与反应炉(11)内腔直径比为4：3，氧化炉(12)所在腔室与反应炉(11)所在腔室的深度比为1：1。
7.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述氧化炉(12)与检测器之间的管道上设有检测器控制阀(15)。
8.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述氧化炉(12)的出口通过接头(13)连接样品通气管，样品通气管连接检测器。
9.根据权利要求1所述的一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，其特征在于：所述阀路切换系统(70)包括载气控制阀、标定气控制阀、氧气控制阀。
技术总结
本实用新型公开了一种热光法有机碳元素碳在线分析仪，包括仪器保护外壳，仪器保护外壳内设有激光组件、载气管道、空气进出管道和炉体，炉体包括反应炉和氧化炉，反应炉和氧化炉为一体式结构。OC/EC监测仪与其采样系统共同使用，可实现任意时间长度PM2.5颗粒物收集，并通过光热法进行分析颗粒物中有机碳(OC)浓度数值、元素碳(EC)浓度数值、总碳(TC)浓度数值，同时系统使用激光监测样品膜上颗粒物吸光度变化，还可获得光法有机碳(OC)浓度数值和元素碳(EC)浓度数值，系统使用定量环对所有数据进行归一化处理，降低系统误差，提高数据可靠性。
技术研发人员：崔厚欣;罗伯特凯瑞;本杰明凯瑞;林立军;杜磊;杜鹏;付鹏;崔延青;申中凯;王良
受保护的技术使用者：河北先河环保科技股份有限公司
文档号码：201621258665
技术研发日：2016.11.23
技术公布日：2017.05.10
声明：
“热光法有机碳元素碳在线分析仪的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：河北先河环保科技股份有限公司
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2024年12月06日 ~ 08日 
