便携式恶臭气体监测仪的设计

郭振铎，杨秀芹，李瑞红，杨吉强

（1.青岛博睿光电科技有限公司，青岛 266000；2.海军航空工程学院青岛校区，青岛 266041）

恶臭是一种另人厌恶、损人健康、室内外空气中最常见的污染物。在我国，一方面为满足人们生活水平提高的要求而大力发展生产，“三废”排放量逐步增加，其中恶臭问题变得日益严重；另一方面，随着人民生活水平的提高，人们对环境，特别是对恶臭带来的污染也更加敏感。近几年来，人们对各种异常气味的不满情绪和控告事件不断增加[1]，因此关于恶臭的研究和治理已经引起了我国政府的高度重视，控制消除恶臭污染势在必行[2-3]。

产生恶臭的污染源极为广泛，有工业污染源、生活污染源（如卫生间，堆放垃圾物，下水道等）和体泌污染物。特别是在加工处理污染物（垃圾、动植物体内的蛋白质、脂类和碳水化合物以及污水）的过程中，都不断产生醇类、醛类和脂类等不完全氧化的恶臭物质及大量难闻的臭气，其致臭原因主要是由于含有特征发臭基因[4]。恶臭物质的相对分子质量在350以下，沸点低，化学物质显现出高挥发性和亲水亲脂性两大特性，因此恶臭污染就呈现出测定困难、评价困难、治理困难等特征[5]。

1 恶臭气体的常用监测方法

1.1 三点比较式臭袋法

三点比较式臭袋法的原理是将3只无臭袋中的2只分别充入无臭空气和采样来的被测恶臭气体样品，供嗅辨员嗅辨，当嗅辨员正确识别有臭气袋后，再逐级进行稀释、嗅辨，直至稀释样品的臭气浓度低于嗅辨员的嗅觉阈值时停止实验[6]。每个样品由若干名嗅辨员同时测定，最后根据嗅辨员的个人阈值和嗅辨小组成员的平时阈值，求得臭气浓度[7]。它主要是通过人的鼻子（标准鼻子用标准臭袋检查）嗅臭，按照臭气浓度分为五级：0级（无臭味）；1级（勉强感到气味）；2级（感到较弱的气味）；3级（感到明显气味）；4级（较强烈的气味）；5级（强烈的气味）。

1.2 气相色谱法

气相色谱法是利用恶臭气体在不同相中的渗透性不同的原理实现监测，气体首先现场采样，经载气系统、进样系统、色谱柱、检测系统后即可检测出恶臭气体的浓度，整个过程要严格控制温度[8]。对苯乙烯、硫化氢等特征气态污染物也可采用化学分析方法分析，如苯乙烯、三甲胺用带有固相或液相吸收剂的采样管采样后再用气相色谱法（FID）检测分析，硫化物用GC/FPD法，氨、硫化氢和二硫化碳也可用带有液相吸收剂的采样管采样吸收显色，用分光光度法完成测定[9]。

1.3 紫外差分吸收光谱法

从稳定光源发出的光 I0（λ，L），经反射镜准直通过大气吸收后，由透镜收集光会聚进入光谱仪。由于沿光程的气体分子的吸收、分子散射，导致了接收光强减弱[10-11]。在光通过距离L的光程后，接收光 I（λ，L）可以由 Lambert-Beer定律来表示：

式中：I0（λ，L）为发射光强；I（λ，L）为接收光强；σ′i（λ）为第i种气体分子吸收截面中宽带光谱特征；σi（λ）为窄带光谱特征；εR（λ）和 εM（λ）分别为瑞利散射系数和米氏散射系数；Ni为第i种气体分子在光程上的平均浓度；L为光程；B（λ）为与光源有关的各种噪声之和。

紫外差分吸收法测量恶臭气体的原理就是基于上述Lambert-Beer定律，利用氨气、硫化氢、二硫化碳等恶臭气体分子在紫外波段185～360 nm的特征差分吸收光谱，用紫外光源照射被测气体，根据该波长范围内光强的衰减，经过差分光谱技术消除干扰气体中水汽和烟尘颗粒散射的影响，根据每种气体各自的特征差分吸收光谱分别计算其浓度[12-13]。这是目前最为先进的恶臭气体监测方法。

2 恶臭气体监测仪设计

本恶臭气体监测仪采用紫外差分吸收光谱法，基于恶臭气体在185～360 nm紫外区域的强吸收光谱特性，选用进口的高分辨率微型光谱仪，结合嵌入式单板机控制技术，研制开发了一款高分辨率低探测限的恶臭气体监测仪，可以连续监测工矿企业无组织排放源排放的恶臭气体的实时浓度。

2.1 结构设计

本气体监测仪由主机、角锥组、主机三脚架、主机云台、角锥组三脚架、角锥组云台组成。仪器组成实物如图1所示。

图1 监测仪组成示意Fig.1 Frame sketch map of monitor

主机结构如图2所示，外部由显示屏、USB插口及光纤接口、电源插座及按钮开关、主机与云台连接体、散热孔及伸缩把手等几部分组成。主机内部包含紫外光源及控制发射单元、准直收发单元、光路及微调单元、光谱仪、数据处理单元、气象五参数监测单元、激光测距单元和GPS测量及数据传输单元等部分，完成光源的收发、计算以及气体浓度的处理计算显示传输等。

图2 主机组成示意Fig.2 Frame sketch map of mainframe

角锥组由角锥、角锥云台快装板和角锥棱镜组成，如图3所示。反射单元设置有全反镜或三棱锥，完成光源的反射，有长光程多级反射式气体吸收池，包括紫外光入射口、紫外光出射口、气体入口及出口、多块凹面镀紫外增强膜反射镜和入射光调整装置，凹面镀紫外增强膜反射镜，能够有效增大反射光强，并减少光谱仪获得有效光谱积分的时间，进一步确保光谱吸收有效区间，从而提高检测灵敏度。主机云台为六维手动调整云台，在3个轴向上提供精确的齿轮运动，2个可折叠式手柄分别控制俯仰和水平旋转调节，另一手柄控制左右调节。能够方便主机进行不同高度及不同方位的路径上的恶臭气体快速监测。快装板用于连接主机与云台，出厂时已安装于主机底部，如图4所示。角锥组云台用于安装时调节角锥角度，一般不需要调节。主机三脚架和角锥组三脚架分别用于固定支撑主机和角锥。

图3 角锥组示意Fig.3 Sketch map of pyramid group

图4 主机云台示意Fig.4 Sketch map of mainframe cloud platform

2.2 工作原理

2.2.1 数据处理部分工作原理

本恶臭气体监测仪可自动检测出恶臭气体的实时浓度并实现数据的打印或传输。主机内的紫外光源及控制发射单元位于准直发射单元的前方，光路及微调单元位于准直收发单元的后方，光纤一端与光路及微调单元连接，另一端与光谱仪连接，数据处理单元分别与气象五参数监测单元、激光测距单元和GPS测量及数据传输单元相连接。紫外光源及控制发射单元控制并发出紫外光，经准直收发单元接收，并将紫外光反射准直发出；然后经放置在一定距离外的角锥即反射单元接收并反射，反射单元反射后形成回返光，回返光经主机内的准直收发单元接收后再经所述光路及微调单元传播微调，通过光纤传导至光谱仪。光谱仪为紫外差分吸收光谱，光谱仪的吸收光谱有效区为180～400 nm。光路反射过程中，恶臭气体就会被光源所发出的光吸收，从而使光强变弱，由光谱仪监测出光的强度变化，利用偏最小二乘法，即可计算出恶臭气体浓度。主机中的五参数监测单元和GPS测量及数据传输单元，监测风速、风向、温度、湿度、大气压和经纬度，以便修正所测恶臭气体浓度。数据传输原理如图5所示。

图5 数据传输原理Fig.5 Frame diagram of date transmitted theory

2.2.2 光路部分工作原理

该监测仪的光路系统示意如图6所示，在一定角度范围内（约20°）将光源放在反射镜焦点位置，利用球面反射镜近轴成像原理，将光源发出的光进行准直，经过远处角锥阵列反射，原路返回进入光谱仪进行信号的处理与转换。一般理想点光源在球面反射镜球心发出的光经过反射镜后光束在一定距离内会汇聚，而抛物面镜理想点光源在焦点发出光会被准直为平行光，在一定角度之内，球面反射镜对于球心处点光源的准直特性与抛物面反射镜类似，因此在该系统中先利用透镜对光源发射角度进行压缩，再经过球面反射镜进行准直。

图6 光路示意Fig.6 Sketch map of light path

在一定的距离内，球面反射镜反射能量和抛物面反射镜一样，但是超过一定距离，由球面反射镜反射的光束在汇聚后会发散，因此距离越大，到达反射角锥的能量损失就越大。表1为该监测仪在不同工作距离，反射角锥阵列探测的光能量模拟数据表，由表中数据可知，一般在测量距离超过25 m之外，系统会因为光束发散能量损失剧增，在能满足系统能量要求条件下，该系统采用成本较低的球面反射镜就可以满足系统能量的要求。此处以10 m光程，监测仪分别采用抛物面发射镜与球面反射镜，用ZEMAX进行光能量模拟说明，具体探测能量模拟结果如图7、图8所示。

表1 不同工作距离角锥阵列光能量探测模拟数据表Tab.1 Simulate datasheet of pyramid array with different distance

图7 球面反射镜系统能量图Fig.7 Energy diagram of spherical reflector system

图8 抛物面反射镜系统能量图Fig.8 Energy diagram of parabolic reflector system

由图7、图8中可知10 m处，系统采用球面反射镜和抛物面反射镜，角锥阵列探测的能量一致，均为34.5%。经过模拟与分析，在短距离工作时（一般20 m之内），采用球面反射镜可以满足光谱仪的能量要求。但工作距离超过30 m后，抛物面反射镜的准直特性优于球面反射镜。

3 结语

本恶臭气体监测仪能够快速监测并获得恶臭气体的实时浓度，操作人员能够远距离操作主机监测恶臭气体，方便快捷，并且操作人员工作量小，监测全面灵敏度高，测量浓度准确，能够快速完成石化、化工、制药、医药、食品、畜牧养殖、垃圾填埋、污水处理等行业无组织排放的恶臭气体的快速检测，既避免了臭袋法的检测不准确、操作麻烦、对嗅辨员健康带来危害的问题，也可避免气相色谱法的气体检测操作繁琐，无法实时检测、检测效率低、无法满足监测需求的弊端。

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