本發(fā)明涉及環(huán)境檢測儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱光法有機碳元素碳在線分析儀。

背景技術(shù)：

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱，大氣氣溶膠中的碳質(zhì)組分通常占大氣細粒子質(zhì)量濃度的10～70％，是大氣細粒子的重要組成成分。其可分為3大類：有機碳OC、元素碳EC和碳酸碳CC。

目前越來越多人都認為EC對于全球變暖的作用非常明顯，EC可以吸收從紅外到紫外全波段的光，加速地球升溫，并且EC能加深顆粒物的顏色，使一些原本對輻射沒有吸收或者吸收較小的物質(zhì)也能對光產(chǎn)生吸收，增加了顆粒物的輻射強迫，降低了大氣能見度。氣溶膠中的OC也能對光起散射作用，極大地影響了區(qū)域大氣的能見度。PM2.5的主要組成成分之一就有機碳OC和元素碳EC。

由于大氣氣溶膠碳質(zhì)組分絕大部分存在于細粒子中(0.1～1μm)，因而能夠很容易通過人體的呼吸作用進入人體的肺部，破壞改變肺的結(jié)構(gòu)和功能，造成慢性呼吸道疾病，甚至能夠改變DNA的結(jié)構(gòu)。

因大氣氣溶膠中的碳質(zhì)組分破壞地球輻射平衡、影響全球氣候、降低城市能見度、危害人類健康，是大氣氣溶膠領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容，已成為當今環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的熱點。

目前，對大氣氣溶膠碳質(zhì)組分(OC/EC)的研究，主要采用兩種方法：膜采樣+離線分析和在線OC/EC監(jiān)測。但是，通過傳統(tǒng)的膜采樣+離線分析方法所獲得的數(shù)據(jù)時間分辨率低，難以反映較短時間內(nèi)大氣氣溶膠特征變化的信息，而且容易引入人為干擾，因此利用在線的OC/EC分析儀成為應(yīng)用的趨勢。

但是在線OC/EC分析儀的成本較高，難以在國內(nèi)進行推廣應(yīng)用，因此，為了能夠更好地、更方便地獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，更清楚地了解我國氣溶膠的污染現(xiàn)狀，為治理大氣污染、改善空氣質(zhì)量提供支持，迫切需要一種適合我國氣溶膠監(jiān)測和研究的在線分析系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低，避免樣品在加熱揮發(fā)過程中的損失，能夠完全的檢測到樣品，降低系統(tǒng)誤差，提高數(shù)據(jù)可靠性的一種熱光法有機碳元素碳在線分析儀。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種熱光法有機碳元素碳在線分析儀，包括儀器保護外殼，儀器保護外殼內(nèi)設(shè)有激光組件、載氣管道、空氣進出管道和爐體，所述儀器保護外殼的外壁上設(shè)有多個外接端口，外接端口包括空氣進口和空氣出口，其特征在于：所述爐體包括反應(yīng)爐和氧化爐，所述反應(yīng)爐和氧化爐為一體式結(jié)構(gòu)，均設(shè)于爐體外殼內(nèi)，反應(yīng)爐與氧化爐之間設(shè)有保溫墻，保溫墻將爐體外殼內(nèi)腔分為兩個腔室，反應(yīng)爐與保溫墻垂直設(shè)置，氧化爐與保溫墻平行設(shè)置，反應(yīng)爐的中后部與氧化爐的前端聯(lián)通，反應(yīng)爐的后端和前端均延伸至爐體外殼外；所述激光組件包括激光發(fā)射器、光電檢測器、密封光窗和石英濾膜，所述激光發(fā)射器設(shè)于反應(yīng)爐的后端外，光電檢測器設(shè)于反應(yīng)爐的前端外，密封光窗設(shè)于反應(yīng)爐與氧化爐聯(lián)通的后端內(nèi)，密封光窗將反應(yīng)爐與氧化爐聯(lián)通的后端阻隔成封閉式結(jié)構(gòu)，石英濾膜設(shè)于反應(yīng)爐前端內(nèi)；所述空氣進出管道包括進氣管和出氣管，進氣管一端連接空氣進口，另一端連接反應(yīng)爐的入口，所述進氣管上設(shè)有采樣閥；所述出氣管一端連接空氣出口，另一端連接隔離閥，所述隔離閥連接閥路切換系統(tǒng)，出氣管上設(shè)有采樣流量傳感器和采樣流量控制閥；所述載氣管道包括載氣進氣管，所述載氣進氣管一端連接反應(yīng)爐，與反應(yīng)爐為一體式結(jié)構(gòu)，另一端連接閥路切換系統(tǒng)，所述反應(yīng)爐上的載氣進氣口設(shè)于石英濾膜后方；所述氧化爐的出口連接檢測器。

進一步的技術(shù)方案在于：所述爐體一側(cè)設(shè)有風(fēng)機。

進一步的技術(shù)方案在于：所述石英濾膜通過石英管安裝在反應(yīng)爐內(nèi)。

進一步的技術(shù)方案在于：所述載氣進氣管與反應(yīng)爐連接處設(shè)有溫測接頭，溫測接頭上設(shè)有溫度傳感器。

進一步的技術(shù)方案在于：所述爐體外殼內(nèi)壁上設(shè)有保溫層。

進一步的技術(shù)方案在于：所述氧化爐與反應(yīng)爐內(nèi)腔直徑比為4：3，氧化爐所在腔室與反應(yīng)爐所在腔室的深度比為1：1。

進一步的技術(shù)方案在于：所述氧化爐與檢測器之間的管道上設(shè)有檢測器控制閥。

進一步的技術(shù)方案在于：所述氧化爐的出口通過接頭連接樣品通氣管，樣品通氣管連接檢測器。

進一步的技術(shù)方案在于：所述閥路切換系統(tǒng)包括載氣控制閥、標定氣控制閥、氧氣控制閥。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

OC/EC監(jiān)測儀與其采樣系統(tǒng)共同使用，可實現(xiàn)任意時間長度PM2.5顆粒物收集，并通過光熱法進行分析顆粒物中有機碳(OC)濃度數(shù)值、元素碳(EC)濃度數(shù)值、總碳(TC)濃度數(shù)值，同時系統(tǒng)使用激光監(jiān)測樣品膜上顆粒物吸光度變化，還可獲得光法有機碳(OC)濃度數(shù)值和元素碳(EC)濃度數(shù)值。系統(tǒng)使用定量環(huán)對所有數(shù)據(jù)進行歸一化處理，降低系統(tǒng)誤差，提高數(shù)據(jù)可靠性，其數(shù)值可與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)共同使用，進行PM2.5環(huán)境監(jiān)測污染源數(shù)據(jù)源解析，也可與其他系統(tǒng)連接，用于碳元素分析。

并且反應(yīng)爐設(shè)于一體結(jié)構(gòu)，避免樣品在加熱揮發(fā)過程中的損失，能夠完全的檢測到樣品，降低系統(tǒng)誤差，提高數(shù)據(jù)可靠性。能夠更好地、更方便地獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，更清楚地了解我國氣溶膠的污染現(xiàn)狀，為治理大氣污染、改善空氣質(zhì)量提供支持。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明保護外殼的橫截面示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖1和2所示，一種熱光法有機碳元素碳在線分析儀，包括儀器保護外殼100，儀器保護外殼100內(nèi)設(shè)有激光組件、載氣管道、空氣進出管道和爐體10，所述儀器保護外殼100的外壁上設(shè)有多個外接端口，外接端口包括空氣進口和空氣出口，所述爐體10包括反應(yīng)爐11和氧化爐12，所述反應(yīng)爐11和氧化爐12為一體式結(jié)構(gòu)，均設(shè)于爐體外殼內(nèi)，反應(yīng)爐11與氧化爐12之間設(shè)有保溫墻16，保溫墻16將爐體外殼內(nèi)腔分為兩個腔室，反應(yīng)爐11與保溫墻16垂直設(shè)置，氧化爐12與保溫墻16平行設(shè)置，反應(yīng)爐11的中后部與氧化爐12的前端聯(lián)通，反應(yīng)爐11的后端和前端均延伸至爐體外殼外；所述激光組件包括激光發(fā)射器41、光電檢測器42、密封光窗43和石英濾膜，所述激光發(fā)射器41設(shè)于反應(yīng)爐11的后端外，光電檢測器42設(shè)于反應(yīng)爐11的前端外，密封光窗43設(shè)于反應(yīng)爐11與氧化爐12聯(lián)通的后端內(nèi)，密封光窗42將反應(yīng)爐11與氧化爐12聯(lián)通的后端阻隔成封閉式結(jié)構(gòu)，石英濾膜設(shè)于反應(yīng)爐11前端內(nèi)；所述空氣進出管道包括進氣管21和出氣管，進氣管21一端連接空氣進口，另一端連接反應(yīng)爐11的入口，所述進氣管21上設(shè)有采樣閥22；所述出氣管一端連接空氣出口，另一端連接隔離閥31，所述隔離閥31連接閥路切換系統(tǒng)70，出氣管上設(shè)有采樣流量傳感器32和采樣流量控制閥33；所述載氣管道包括載氣進氣管，所述載氣進氣管一端連接反應(yīng)爐11，與反應(yīng)爐11為一體式結(jié)構(gòu)，另一端連接閥路切換系統(tǒng)70，所述反應(yīng)爐11上的載氣進氣口設(shè)于石英濾膜后方；所述氧化爐12的出口連接檢測器200。反應(yīng)爐11、氧化爐12和載氣進氣管均為石英管，載氣進氣管與反應(yīng)爐11通過加熱融合的方式做成了一個整體，密封光窗43與石英管材質(zhì)相同。

其中，爐體10一側(cè)設(shè)有風(fēng)機60，對一體爐進行降溫，風(fēng)機60包括風(fēng)扇和驅(qū)動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的電機。

石英濾膜通過石英管23推入反應(yīng)爐11內(nèi)，直至反應(yīng)爐內(nèi)設(shè)置的一個臺階位置，然后使用特氟龍卡套接頭密封石英管。石英濾膜可反復(fù)多次使用，并可通過拆卸石英管23進行更換。

載氣進氣管與反應(yīng)爐11連接處設(shè)有溫測接頭14，溫測接頭14上設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器用來實時監(jiān)測樣品膜溫度，從而控制升溫程序各個梯度的準確溫度。

氧化爐12與反應(yīng)爐11內(nèi)腔直徑比為4：3，氧化爐12所在腔室與反應(yīng)爐11所在腔室的深度比為1：1。

氧化爐12與檢測器之間的管道上設(shè)有檢測器控制閥15，氧化爐12的出口通過接頭13連接樣品通氣管，樣品通氣管連接檢測器200。

閥路切換系統(tǒng)70包括載氣控制閥、標定氣控制閥、氧氣控制閥、載氣控制螺線管、第一標定氣螺線管、第二標定氣螺線管和前爐螺線管。

本發(fā)明的工作過程分為采樣和分析兩部分。

采樣：樣氣由入口進入，通過采樣閥22，經(jīng)過反應(yīng)爐11，由反應(yīng)爐11里的石英濾膜將樣氣中的顆粒物捕捉，氣體隨后通過閥路切換系統(tǒng)70，流經(jīng)隔離閥31，再通過采樣流量傳感器32和采樣流量控制閥33流出。采樣流量傳感器32和采樣流量控制閥33控制采樣時的氣體流量。

分析時：采樣閥22關(guān)閉，反應(yīng)爐開始程序控制加熱，同時各路載氣通過閥路切換系統(tǒng)70通入反應(yīng)爐，將顆粒物中的OC和EC分別轉(zhuǎn)化成可檢測氣體CO₂，從氧化爐12流出，流經(jīng)檢測器控制閥15，進入到檢測器進行分析。

在采樣和分析過程中，均進行光學(xué)檢測。其中激光發(fā)射器41發(fā)出紅光，通過反應(yīng)爐11及石英濾膜后由光電檢測器42接收轉(zhuǎn)為電信號本信號主要用于檢測濾膜上顆粒物的吸光度，信號越高說明吸光度越小，濾膜的碳含量越低；信號越低說明碳含量越高。另外也用這個信號確定有機碳和元素碳的分割點。

本發(fā)明的工作原理為，將采集顆粒物的石英濾膜放入石英爐(quartz oven)中，在氦氣的非氧化(He)環(huán)境中逐漸升溫，致使OC被加熱揮發(fā)(該過程中也有部分OC被碳化)；此后樣品在氦氣/氧氣混合氣(He/O₂)環(huán)境中逐漸升溫，該過程中EC被氧化分解為氣態(tài)氧化物。這兩個步驟中所產(chǎn)生的分解物都隨著載氣流至非分散紅外檢測器(NDIR)定量檢測。在完成樣品分析之后加入定量的He/CH₄氣體進行校準，定量的He/CH₄用來定標，即多大的信號峰對應(yīng)多少碳含量，從而獲得樣品濾膜上的碳含量。整個過程中都有一束激光照在石英膜上，激光中心波長660nm，這樣在OC碳化時該激光的透射光(或反射光)的強度會逐漸減弱，而在He切換成He/O₂同時加溫，隨著碳化和EC的氧化分解該激光的透射光(或反射光)會逐漸增強。當透射光(或反射光)的強度恢復(fù)到開始強度時，這一時刻被稱為OC/EC分割點，即該時刻之前檢測到，的碳量就定義為起始時的OC，而其后檢測到的碳量則對應(yīng)于起始EC。

以上僅是本發(fā)明的較佳實施例，任何人根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出的些許的簡單修改、變形及等同替換均落入本發(fā)明的保護范圍。