在線連續環境空氣質量自動監測基站及網絡系統的制作方法

在線連續環境空氣質量自動監測基站及網絡系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型披露了一種在線連續環境空氣質量自動監測基站以及又多個面源網格化設置的基站與數據處理中心組成的自動監測網絡系統。所述基站由數據傳輸模塊連接的自動采樣模塊、傳感器模塊和氣象監測模塊組成，所說的監測網絡系統的數據處理中心安裝有數據庫、地性數據、氣象擴散模型。該系統設置在保護區的基站一旦由于空氣質量惡化發生采樣事件，數據處理中心按實時數據運行氣象擴散模型，計算出監控區可能影響保護區的發生源，啟動設置在發生源附近的基站采樣，對采集的樣品利用快速氣相電子鼻進行氣體樣品的指紋圖譜分析和比對指紋圖譜技術相似度，根據相似度進行溯源。該系統具有精度高、分析速度快、實時抓取空氣樣品，為溯源定位提供了樣品保障。
【專利說明】
在線連續環境空氣質量自動監測基站及網絡系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種在線連續環境空氣質量自動監測系統，更進一步設及一種結 合擴散模型設置自動采樣后指紋分析比對的空氣異味氣源定位溯源系統及利用該系統進 行溯源的方法。
【背景技術】
[0002] 為敘述方便，本說明書中使用名稱如下：
[0003] 異味:給人不舒服難受感覺的氣味;惡臭:嚴重的臭味，屬于異味;不嚴格區分該名 稱的用法。異味/惡臭氣體發生源指一些生產單位、填埋場等釋放異味/惡臭氣體的排放源。 保護區指居民區、人口密集區等需要對空氣質量進行保護的區域，一般離開相對應的監控 區，一旦監控區發生異味、惡臭氣體排放，會影響到保護區；監控區指在工業園區、填埋場等 可能產生影響保護區空氣質量的區域，在本實用新型中屬于要監控的區域。監控區中發生 了異味惡臭氣體排放，該排放的局部稱為排放源，也稱為發生區或發生源。發生源側重于自 然發生，排放源側重于主動排放，從監測的角度，都是影響空氣質量的異味或惡臭氣體發生 源。基站，本實用新型中設置的監測網點的設備裝置，完成監測空氣異味、氣象信息，電力供 應等的整套裝置，可W是安裝在架子上的一個箱式裝置或一個小屋，能放風防雨。
[0004] 由于工業排放，污染環境日益嚴重，損害人們的健康。環境空氣污染，異味氣體的 排放事件、特別是惡臭氣體排放事件時常發生，特別在一個區域有多個可能發生異味氣體 特別是惡臭氣體排放源存在時，利用現有技術常常難W定位具體的惡臭發生源/排放源，給 預警、治理、執法帶來困難。
[0005] 現有技術中，通常運樣構建在線連續環境空氣質量自動監測系統：網格化設置監 測基站(或一個網絡中的網點），將監測基站的監測數據上傳給服務器或者稱為數據處理中 屯、，數據處理中屯、根據監測數據分布確定監測值高的網點，確定惡臭源的大致區域。
[0006] 監測基站通常配備氣象(氣壓、溫度、濕度、風向、風速及惡臭監測儀器。根據氣 象及惡臭數據和網絡記錄的歷史數據，來推算發生/排放源的位置。
[0007] 運樣的網點中，惡臭測定通常針對惡臭標志物進行測量，但是
[000引1)發生惡臭時，即人感受到惡臭或者難聞或者不舒服，其特定惡臭標志物濃度不 一定高；2)測定惡臭標志物，由于具有相同標志物的發生源多，運種情況下，難W區分惡臭 的來源/惡臭發生點；3)排放經過一段時間后，排放發生時僅僅只有傳感器的讀數記錄，沒 有當時空氣樣品留存，同樣對定位發生源帶來不確定性，更難依此進行治理與執法。
[0009]近年、使用電子鼻或電子鼻與電化學傳感器等聯合使用，例如，本發明人的"基于 特征污染物和電子鼻雙模式空氣異味監測預警系統"（CN204667597U)中，由傳感器模塊、氣 象模塊、數據傳輸模塊與數據處理中屯、組成。其中傳感器模塊中，選用選擇性傳感器對典型 惡臭氣體例如硫化氨化2S，W及琉基化合物，嚷吩類化合物）、氯化氨化C1)、胺類氣體(NH3 W及氨基化合物)和總揮發性有機物(TV0C)，W及用電子鼻對具有異味的氣體進行監控。其 中，所用的電子鼻例如法國阿默斯(Alpha M0S，法國）的金屬氧化物電子鼻，其中可選擇性 地裝有3個或者更多個、例如16個對于各類氣體敏感程度不同的傳感器，根據其響應值或有 響應特性形成的圖譜來確定與人所感覺到的惡臭的關系，能較好地解決人的感覺與傳感器 測量值的關系。
[0010] 依該技術方案，進行監控和預警，在異味氣體發生源點較少并且各發生源點物理 距離分散，也可W進行溯源。但是，由于分辨率/精度有限，對發生源復雜，在物理距離上密 集，該類型的電子鼻就難W區分發生源，給溯源帶來困難。
[0011] 另外一種基于氣相色譜的電子鼻，機器內有兩種極性不同的色譜柱，當空氣樣品 氣體進入色譜后，由于極性的不同，空氣中的成分分別在兩種色譜柱上的保留時間不同，形 成特有的二幅譜圖（也簡稱二維譜圖、指紋圖譜），對二幅圖譜進行信息化處理，可W對來源 氣體進行指紋化表征譜。其代表產品是法國阿默斯的快速氣相電子鼻例如KARA化E，它能快 速測定表征氣體樣品，定性的分析時間為每個氣體樣品最長5分鐘，儀器內還預置了數萬種 化合物的二維指紋圖譜W及進行指紋圖譜比對的軟件，可W對指紋圖譜進行各種統計分 析，例如主成份分析(PCA)、判別因子分析(DFA)，計算出指紋圖譜之間的相似度。由于氣體 成分在色譜柱上分離保留時間都有差異，記錄的保留時間與豐度值形成圖譜，作為指紋進 行表征，使其分辨率大大提高。
[0012] 其應用可見中國專利申請："一種利用快速氣相電子鼻鑒別白酒品牌的方欺'（CN 104267134 A)，" 一種白酒等級的監測方法"（CN 102980948 A)，"一種紅葡萄酒中"馬腐味" 不良風味物質的分析評價方法"（CN 104007194 A)，"一種利用快速氣相色譜型電子鼻指紋 分析系統鑒別黃酒酒齡的方法"（CN 102645502 A)，W及論文"基于電子鼻技術的地理標志 大米產地溯源研究農產品加工，2014( 12)，doi : 10.3969/jissn. 1671-9646 (X) .2014.12.041)，"基于氣相色譜的電子鼻氣體監測系統"（技術與創新管理，2011第32卷第6 期，687-690)。表明可用該快速氣相電子鼻有效地區分和定性運些分析對象。
[0013] 本發明人，經過銳意長期應用研究開發，對在先的異味監測預警系統進行升級改 造，發現采取技術手段禪合自動采樣系統，W及氣象擴散模型計算，結合快速氣相電子鼻 的技術手段，可W實時采樣、快速指紋化比對、可進行精確溯源：當保護區網點測定值達到 預設值時觸發自動采樣事件，根據擴散模型計算空氣質量分布，找出監控區中可能發生源 區域網點進行自動采樣，將自動采樣獲得的樣品進行快速氣相電子鼻分析，獲得樣品指紋， 進行指紋比對，確定惡臭來源。克服了現有技術中惡臭發生時、難W及時采取空氣樣品W及 分析不及時W及溯源精度不夠高的缺陷，使得溯源過程快速，準確；留置的樣品還可W用于 進一步的分析鑒定。所設置的自動采樣系統還可W應急采樣分析。

【發明內容】

[0014] 本實用新型提供一種在線連續環境空氣質量自動監測應急自動采樣系統，進一步 提供一種根據實時監測數據進行應急自動采樣、快速指紋比對的空氣異味溯源監測網絡系 統及其使用該網絡系統進行溯源的方法。
[0015] 本實用新型首先提供一種在線連續環境空氣質量自動監測應急自動采樣系統
[0016] 自動采樣模塊1，被設置為連接數據傳輸模塊2并根據數據傳輸模塊巧旨令進行采 樣動作;數據傳輸模塊2,具有多個數據交換接口，被設置為與外部通訊交換數據與指令，連 接傳感器模塊3、接受傳感器模塊3信號，指令自動采樣模塊1;
[0017] 傳感器模塊3,該模塊包含有對空氣異味成分有響應的傳感器組，被設置為與數據 傳輸模塊2連接，數據傳輸模塊2讀取傳感器模塊3數據。（圖1)
[0018] 第二、本實用新型提供一種在線連續環境空氣質量自動監測基站20,包括W下模 塊：
[0019] 自動采樣模塊1，被設置為連接數據傳輸模塊2并根據數據傳輸模塊巧旨令進行采 樣動作;數據傳輸模塊2,具有多個數據交換接口，被設置為與外部通訊交換數據與指令，連 接傳感器模塊3、接受傳感器模塊3信號，連接氣象監測模塊4、接受氣象監測模塊4信息，指 令自動采樣模塊1;
[0020] 傳感器模塊3,該模塊包含有對空氣異味成分有響應的傳感器組，被設置為與數據 傳輸模塊2連接，數據傳輸模塊2讀取傳感器模塊3數據；
[0021] 氣象監測模塊4,被設置為監測該基站所在區域局部氣象信息。（圖2)
[0022] 第Ξ、本實用新型更進一步提供一種根據實時監測數據進行自動采樣、快速指紋 比對的在線連續環境空氣質量自動監測網絡系統，由數據處理中屯、5、面源網格化設置的上 述的在線連續環境空氣質量自動監測基站20組成。（圖3)
[0023] 毫無疑問，整個裝置中需要電力的部件都需要配置電力，電力供應系統可W根據 現有技術進行配置，可W是市電，也可W是電池，特別是結合了太陽能、風能，及電能儲存功 能的自給電源系統為好，也可W將配備市電與自給系統的結合供電。在本發明人的在先申 請(CN204667597U)中有詳細的說明。
[0024] 所述的對空氣異味成分有響應的傳感器模塊3,可W選擇能敏感空氣異味的電子 鼻、特定惡臭氣體例如硫化氨化2S)、氨氣(畑3)等、總揮發性有機物(TV0C)等污染空氣的物 質的傳感器的一種或數種組合而成，可W依據排放氣體的實際情況，選擇敏感的傳感器為 好。該模塊通常提供了信號調理和數據輸出接口，方便與其他設備進行數據交換，被其他設 備讀取數據。
[0025] 為了達到傳感器模塊的輸出結果可W直接與人的感覺異味程度相一致，對傳感 器，特別是具有較好的信號調理處理功能的傳感器，電子鼻，可W進行人工嗅辨賦值。例如 對法國阿默斯氧化物性電子鼻RQB0X可W依據如下方式進行異味惡臭等級賦值，使得輸出 數據就是進過人工嗅辨馴化的惡臭等級值：
[0026] 設定自動采樣條件，自動采集現場空氣樣品；
[0027] 對采集的空氣樣品，用電子鼻測定記錄，讓嗅辯員使用現場嗅辨儀嗅辨給出惡臭 等級值，把嗅辨給出的惡臭等級值賦值給電子鼻對應的測定值(一組對應值）；
[0028] 將獲得的對應值給電子鼻的擬合軟件，獲得電子鼻響應的回歸參數；
[0029] 將回歸參數應用到電子鼻響應模型，測定時電子鼻直接輸出惡臭等級數值。
[0030] 當然，為了得到較準確的回歸參數，需要采集的樣品數量至少6個W上，并且樣品 的濃度分別能覆蓋測定的范圍，通常人工隨機采樣，難W采集到樣品濃度分布均勻的樣品 組。因此，使用自動采樣系統，就可W設置傳感器特別是電子鼻的測定值達到一定值時進行 采樣，例如對于惡臭值，設定1，2，4，6，10，20，40，60，80等值，進行系統化采樣，用W馴化傳 感器特別是電子鼻。
[0031] 所述的自動采樣模塊1，主要由采樣容器、氣累、電動閥、氣壓傳感器和控制系統組 成，其中的采樣容器一般有采樣氣囊和采樣氣瓶。在采用氣囊時，可W采用累與氣囊連接， 采樣時直接累入空氣樣品。為了避免氣囊中殘存的氣體的影響，采用被動采樣為好，即設置 氣囊在一個容器(氣囊容置腔）內，氣囊與氣囊容置腔之間設置成當氣囊容置腔抽真空后， 氣囊與氣囊容置腔之間產生負壓狀態。或者直接采用氣體采樣瓶，例如蘇瑪罐，與控制閥和 氣累配合抽真空待用。當接到采樣指令時，控制系統打開采樣閥，使得空氣由于采樣容器的 負壓而自動進入采樣容器。當然，氣囊容置腔可W事先不予抽真空，當接到采樣指令時，再 啟動氣累抽真空。
[0032] 具體地，自動采樣模塊1構成為：
[0033] 置于容置腔室11內的采樣容器12,容置腔室11通過第一控制閥13與抽氣累14管線 連接，容置腔室11管線連接有壓力傳感器15,采樣容器12通過第二控制閥16管線與環境空 氣連接;壓力傳感器15信號連接至控制器17,控制器17連接第一控制閥13、第二控制閥16、 抽氣累14。（圖4)
[0034] 常態處于待機時，第一控制閥13與第二控制閥16處于關閉狀態。
[0035] 運行時，可W按兩種方式進行，第一種為將容置腔室11預抽真空，即：
[0036] 當壓力傳感器15感知容置腔室11真空度下降時，控制器17開啟氣累14和開通第一 控制閥13進行抽真空，保持容置腔室11的真空度;當接收到采樣指令時，控制器17打開第二 控制閥16,環境空氣進入采樣袋；當采樣完畢時，控制器17關閉第二控制閥16,設置采樣完 畢狀態給數據傳輸模塊2。
[0037] 或者，按第二種方式，即容置腔室11不預抽真空，接到采樣指令時抽真空，即：
[0038] 當接收到采樣指令時，控制器（17)開啟氣累（14)和第一控制閥（13)進行抽真空容 置腔室（11)，打開第二控制閥（16)、環境空氣進入采樣袋；當采樣完畢時，控制器（17)關閉 第二控制閥（16)、氣累(14)和第一控制閥（13)，向數據傳輸模塊2發出采樣完畢信號。
[0039] 第二種方式與第一種方式，效果相同，還可W避免長時間真空狀態下的微量的泄 漏混雜。
[0040] 另外，也可W采用采樣容器12為蘇瑪罐進行采樣，蘇瑪罐通常是預先抽真空狀態 的，運樣可W節約抽真空時間，運時，自動采樣模塊1為：
[0041] 預抽真空的采樣容器12,通過管路經過第一控制閥13與氣累14連接，經過管路與 壓力傳感器15連接，經過控制閥16與環境空氣連接;壓力傳感器15信號連接至控制器17,控 制器17連接第一控制閥13、第二控制閥16、抽氣累14(圖5);
[0042] 具體運行方式為：當壓力傳感器15感知采樣容器12真空度下降時，控制器17開啟 氣累14和第一控制閥13進行抽真空，保持采樣容器12的真空度;當接收到采樣指令時，控制 器17打開第二控制閥16,環境空氣進入采樣容器12;當采樣完畢時，控制器17關閉第二控制 閥16，設置采樣完畢狀態給數據傳輸模塊2。
[0043] 為了方便，采樣袋與氣路的連接采用可拆卸連接。一般能保持不泄漏的連接件即 可。
[0044] 自動采樣器的樣品存儲裝置可W配置1或者1個W上，配置1個W上為好，可W當采 樣時間間隔短時，可W連續不間斷采樣。
[0045] 可W將所述的自動采樣模塊1并聯設置2到4個，通過控制器17并聯連接到數據傳 輸模塊2上(圖6);
[0046] 也可W將所述的自動采樣模塊1配置2到4個，設置為共用自動采樣模塊1中的氣累 14與控制器17,控制器17信號連接氣累14、及各自動采樣器模塊中的第一控制閥13、第二控 制閥16、壓力傳感器15,氣累14與各自動采樣模塊中的控制閥13連接。（圖7、8))也就是說， 把采樣器1中的累14與控制器17去除共用，剩下的部分10設置多個并聯到氣累14與控制器 17上，運樣利于空間的節約，設備的小型化。
[0047]通常采集的氣體樣品其成分容易變化，給準確監測帶來困難。因此，其采集氣體樣 品的容器需要采用避免氣體樣品成分的吸附、變化的容器例如E-switch牌侶錐復合膜氣體 采樣袋(2UW及ENTECH公司蘇瑪罐，運樣的采樣袋或蘇瑪罐的內壁都進行了特殊處理，使 得空氣樣品能保存較長時間而不變化;另一方面，樣品需要即時分析，避免長時間保存，運 就需要快速分析裝置，因此，快速氣相電子鼻是很好的選擇。特別當待測氣體樣品數量較多 時，其優勢就明顯了。
[004引所述的數據傳輸模塊2，連接有傳感器模塊3、自動采樣模塊1，氣象模塊4，并通過 網絡與數據處理中屯、5連接。
[0049] 所述的數據傳輸模塊2,按照預設的格式和時間間隔，將基站監測數據，包括傳感 器數據上傳給數據處理中屯、，同時按照W下Ξ種情況，向自動采樣模塊1發出自動采樣指 令，并將該事件上傳給數據處理中屯、：
[0050] 1)當傳感器數據到達設定值時;或者
[0051] 2)當傳感器數據超出儀器質量控制臨界值(SQC)時;或者
[0052] 3)當接收到數據處理中屯、發出的采樣指令時。
[0053] 所述預設的格式是指數據傳輸時采用的格式，有行業標準或國家標準或國際標準 的，可W采用其標準，也可W采用任何方便和節約、快速傳輸的方式，通常是打包傳輸，所述 的時間間隔，可W根據跟蹤或分析需要的精度等需求來確定，可W采樣幾十秒到幾分鐘間 隔比較實用，例如30秒到2分鐘。
[0054] 所述的當傳感器到達設定值時，其中的設定值，可W設置為1個值，也可分段設置 多個設定值，用于監控傳感器的數據，進行采樣。
[0055] 當傳感器數據超出傳感器質量控制臨界值數據(SQC)時，因為SQC記錄了儀器正常 運行時的波動范圍，當讀數超出正常的波動范圍時，表示有異常，如果讀數表示空氣異味濃 度超出上限，可能是空氣異味發生;如果讀數異常低了，可能是儀器設備出了故障。
[0056] 所述分段設置，例如當超出SQC上限時觸發第一采樣事件，在更高的設定值時觸發 第二采樣事件，W及第Ξ事件。即可預先根據需要和采樣袋數量設置幾個設定值。既可W預 設，也可W根據數據處理中屯、指令設定。
[0057] 所述當接收到數據處理中屯、發出的采樣指令時，即數據處理中屯、根據需要可W發 出指令進行采樣;特別當遇到突發事件應急狀況時，可W靈活地指令特定的基站進行采樣 留置。
[0058] 數據傳輸模塊2與數據處理中屯、5的連接（圖3、圖9)，可W是有線或無線的網絡連 接，可W采用GPRS方式、3G、4G方式連接，與數據處理中屯、交換數據、發送和接受指令。數據 傳輸模塊2將監測基站的數據打包發送給數據處理中屯、。
[0059] 在需要監測的區域下稱監控區）和可能受影響區下稱保護區）進行網格化 設置網點基站，通過各基站的數據傳輸模塊2與數據處理中屯、相連，協同動作，形成監測網 絡系統。
[0060] 所述的面源網格化設置基站，是指在監控區對可能發生源(排放源）W分割或者包 圍的方式設置多個監測基站，在保護區設置至少1個監測基站。根據保護區域的大小可W設 置多個監測基站覆蓋保護區。（圖10)
[0061] 所述的保護區，是指需要保護其空氣質量的區域，一般為居民區或人口密集區域， 一旦該保護區域發生了空氣質量惡化，例如異味、惡臭讓人感覺到不舒服，此時，需要追溯 運些異味、惡臭氣體的來源---即溯源。
[0062] 現有技術的監測，一旦發生了保護區的空氣異味、惡臭事件，根據監控區域的網點 雖然記錄了與濃度相關的傳感器數據，但是，運些傳感器數據是一種人嗅覺的總體感覺，不 能區分保護區的異味、惡臭的氣體成分與監控區的哪個部分（網點）的氣體成分相似，難W 溯源。
[0063] 所述的數據處理中屯、5,包括有數據庫模塊、氣相擴散模型模塊，運算處理指令模 塊;其中的數據庫模塊記錄包括各基站監測數據、包括各自動采樣系統信息、空氣質量傳感 器模塊數據、氣象數據、各基站地理位置數據，W及記錄有包含監控區和保護區區域的地形 數據;地形數據已經有商用的免費的地形數據供食用，本實用新型中的地形數據有氣象擴 散模型自帶的地形數據導入工具導入公用的地形數據為擴散模型所用；數據處理中屯、，實 時接收記錄來自各網點基站數據傳輸模塊2的數據。擴散模型按一定時間間隔，根據氣象數 據、傳感器數據、各基站地理位置數據、地形數據計算空氣異味氣體濃度分布，并根據設置， 發送給顯示終端。一定的時間間隔，可W按計算量和需求來確定，平常按數分鐘例如2分鐘 到10分鐘的時間間隔計算，即可得到實用精度的連續變換分布圖。在自動采集樣品事件發 生時，可W即時計算。
[0064] 根據W上具有自動采樣裝置的在線連續環境空氣質量自動監測網絡系統，結合快 速氣相電子鼻的分析指紋比對，本實用新型提供一種基于氣相色譜指紋的空氣異味發生 源溯源方法。
[0065] 該方法是運樣實現溯源的：
[0066] 當保護區網絡感知空氣質量發生異常時，觸發自動采樣事件(保護區氣體樣品）， 并把采樣事件信息上傳給數據處理中屯、5;
[0067] 數據處理中屯、5,根據氣象數據、傳感器數據、各基站地理位置數據、地形數據計算 空氣異味氣體濃度分布，據此計算出對保護區可能產生影響的發生源范圍a,對發生源范圍 a內網點基站發出自動采樣指令;發出進行快速氣相電子鼻分析任務指令;（圖10)
[0068] 快速氣相電子鼻完成采樣樣品的指紋分析表征；
[0069] 快速氣相電子鼻指紋比對軟件將保護區的樣品指紋圖譜與監控區的各樣品指紋 圖譜進行比對，計算出監控區各樣品與保護區樣品的相似度；
[0070] 根據相似度，確定發生源位置。
[0071] 所述的計算的擴散分布，其中包含了可能發生源網點對保護區異味、惡臭的貢獻 度推測數據，對保護區具有一定貢獻度的即為可能產生影響的發生源范圍a。
[0072] 指紋圖譜的相似度比對是在快速氣相電子鼻自帶的比對軟件中完成的，軟件能將 監測的指紋圖譜進行比對，給出相似度數據。
[0073] 假設發生源范圍內的基站有3個，進行了自動采樣得到指紋圖譜A，B，C，保護區的 樣品的指紋圖譜為D，那么可W將A，B，C分別與化k對，排出相似度的大小來。相似度越大，那 么越確定是影響保護區的發生源，完成溯源。
[0074] 其中所謂指紋比對，詳細的原理和操作可見其設備的說明指南，指紋圖譜比對方 法可W是主成分分析法PCA或判別因子分析(DFA)，都可W給出定義的相似度。
[0075] 本實用新型的在線連續環境空氣質量自動監測基站構成本實用新型監測網絡的 一個網點，在一個網絡中可W根據實際情況進行布點，理想的布點成方格，運樣由于布點的 規律，給數據運算等帶來便利，為了有效監控和溯源可能的排放源，當要監控一個可能向大 氣排放有異味或惡臭氣體的發生源時，由于地理位置、建筑物等障礙，難W按方格在其發生 點布點，也不經濟，通常是在其周圍（包圍）、相鄰可能發生源的交界(分割)或按一定的間隔 進行布點設置。
[0076] 各基站自動采樣觸發條件可W根據需要設定。一般運行時，設置在監控區的基站 的自動采樣觸發一般設置為接收到數據處理中屯、5的指令時，設置在保護區的基站的自動 采樣觸發一般設置為傳感器讀數超過一定闊值。
[0077] 本實用新型中所使用的快速氣相電子鼻，可W直接設置在網點，與自動采樣系統 設置在一起的在線方式，與采樣容器通過氣閥連接，當得到采樣完成進行分析時，啟動儀 器，當儀器進入分析狀態時，開啟氣閥導入采樣進入快速氣相電子鼻進行分析，得到樣品指 紋圖譜，上傳數據處理中屯、；也可W采取離線測試方式，當接收到數據處理中屯、進行指紋分 析指令后，將采樣樣品收集，進行快速氣相電子鼻指紋分析獲得各樣品的指紋譜圖表征，上 傳數據處理中屯、。考慮到快速氣相電子鼻的價格和運行成本，可采用在線的和離線相結合 的方式;離線方式也可采用車載移動方式，更能縮短分析時間。
[0078] 所述的氣相快速電子鼻，市場上已經有供應，法國阿默斯出產的，已經有幾種型號 供應，快速小型，例如HARACLE。其原理是，氣相快速電子鼻內有兩種極性不同的色譜柱，當 空氣樣品氣體進入色譜后，由于極性的不同，在兩種色譜柱上的保留時間不同，經過監測記 錄保留時間與豐度值，并信息標準化處理后形成特有的二幅譜圖，該二幅圖譜簡稱為指紋 圖譜。不同來源的氣體，成分不同的氣體，其指紋圖譜不同，據此，可W進行指紋比對。所謂 指紋圖譜，可W用直角坐標系表示，也可W用極坐標表示，當極坐標方式表示時，表現為星 云圖。一個典型的對于兩個排放源進行測試，如圖11中工廠A(實線）與工廠B(虛線）的指紋 圖譜比對發現有明顯的區別，在兩根色譜柱上的保留時間和豐度不同。
[0079] 測試多個發生源(排放源），進行統計分析，本實用新型的一個典型案例，對于發生 源3家工廠測試，主成分分析后，可W看出，該方法能明顯地區分3家(AG、AB、AM)排放源的特 性。（圖12)
[0080] 其中的氣象擴散模型，已經有基于各種假設和理論的模型，基本原理是，主要根據 地形數據、大氣的氣壓、溫度、濕度、風速、風向，計算出某種物質在大氣中的時空分布。更精 細的模型帶有化合物數據庫，記錄有化合物在氣象條件下衰減，沉降等信息。運樣的擴散模 型，可多見文獻報道，也有商業提供，例如，法國Plum'AIR Dispersion model ling軟件，該 軟件基于拉格朗日模型，根據上傳的氣象(風速、風向、濕度、氣壓、溫度、雨量、太陽福射）， 氣源位置與強度W及地理參數，模擬不同化學氣體W及惡臭的擴散情況，給出分布，并表示 為分布圖，按一定時間間隔計算分布并疊加形成擴散動態分布圖。根據該計算，可預測氣體 發生來源范圍和影響范圍W及各污染源點對于周邊區域的貢獻度。
[0081] 在本實用新型中，當保護區自動采樣事件發生時，根據氣象數據、傳感器數據、各 基站地理位置數據、地形數據計算空氣異味氣體濃度分布，根據預設值、計算出可能受影響 區域范圍W及可能發生源區域范圍（圖10)。
[0082] 數據處理中屯、根據該范圍數據給在范圍內的網點發出自動采樣指令。
[0083] 對于大區域內的小污染區域，該小區域可W進行網格布點或包圍式布點，可W用 同樣系統和方法，比對出等效數據(空氣質量異味發生時間、異味值、異味指紋），使用該等 效數據代表該小區域污染面源，可W作為更大大區域網絡的一個點（等效網點），運樣可W 增加網絡的可擴張性，布點的針對性，達到重點監測兼顧成本節約的效果。
[0084] 更進一步，當采集到各可能的排放源的樣品時，就可W直接把保護區的樣品指紋 與其比對，給出相似度，直接溯源到可能的排放源。
[0085] 或者，在上述溯源比對的基礎上，同時進行保護區樣品指紋圖譜與發生源的指紋 圖譜比對。
[0086] 如果直接與發生源的指紋圖譜比對，得到其中有相似度極高的發生源，可W直接 得出溯源結果，如果得不出相似度高的比對結果，可能原來的發生源的指紋圖譜發生了變 化，例如改變了生產工藝、配方，產品等使得排放氣體成份發生了變化，此時，還是應該W監 測基站指紋圖譜比對結果優先。
[0087] 監控區的可能排放源(也稱發生源)的樣品指紋圖譜，可W有幾種方式獲得：
[0088] 第一種是直接在其排放口采集空氣樣品，快速氣相電子鼻分析其指紋圖譜，存儲 在數據處理中屯、備查；
[0089] 第二種是，當不能直接獲得排放源的樣品時，可W在發生保護區自動采樣時，溯源 到的基站，根據當時的氣象數據，特別是風向和風速，可W特定到發生源，累積歷史數據，可 W得到監控區內的排放源樣品指紋；
[0090] 第Ξ種是，直接在排放源設置的基站設定自動采集樣品闊值，當該基站附近的異 味濃度高時采集樣品，分析指紋圖譜，根據氣象數據累積，可W得到該基站附近的排放源的 樣品指紋圖譜。
[0091] 通過W上方法，進行積累數據，可W建成監控區排放源的指紋圖譜庫。當然、該指 紋圖譜庫也會隨時間而變化，利用本實用新型的自動采樣系統可W跟蹤更新監控區排放源 的指紋圖譜庫，為直接溯源到排放源備查。
[0092] 綜上所述，本實用新型，在現有的在線連續環境空氣質量自動監測網絡系統的基 礎上，在基站設置了自動采樣系統，在數據處理中屯、禪合了氣象擴散模型，能實時模擬監控 區與保護區的空氣異味濃度分布，一旦發生嚴重空氣質量問題即嚴重異味惡臭產生對保護 區的影響時，及時自動采集樣品，數據處理中屯、根據擴散模型的估算，指令監控區內可能的 發生源的基站自動采樣，借助快速氣相(色譜)電子鼻的快速指紋化分析、比對，可W精確地 確定發生源即溯源。技術效果是明顯的。網絡同時記錄了數據、留置了空氣樣品，可用于后 續分析需要。
【附圖說明】
[0093] 圖1在線連續環境空氣質量自動監測用自動采樣系統示意圖，由自動采樣模塊1、 數據傳輸模塊2和傳感器模塊3組成。
[0094] 圖2在線連續環境空氣質量自動監測基站構成示意圖，在圖1的系統上增加了氣象 模塊4。
[OOM]圖3在線連續環境空氣質量自動監測基站連接了遠程的數據處理中屯、5,可W交換 數據、接受指令示意圖。
[0096] 圖4在線連續環境空氣質量自動監測用自動采樣系統示意圖，其中的自動采樣模 塊1的構成，留樣容器為采樣袋。
[0097] 圖5在線連續環境空氣質量自動監測用自動采樣系統示意圖，其中的自動采樣模 塊的構成，留樣容器為蘇瑪罐。
[0098] 圖6在線連續環境空氣質量自動監測用自動采樣系統示意圖，具有多個留樣單元 10的自動采樣模塊的構成。
[0099] 圖7在線連續環境空氣質量自動監測用自動采樣系統示意圖，具有多個留樣單元 10的的自動采樣模塊的構成，留樣容器為采樣袋。
[0100] 圖8在線連續環境空氣質量自動監測用自動采樣系統示意圖，具有多個留樣單元 的的自動采樣模塊的構成，留樣容器為蘇瑪罐。
[0101] 圖9多個在線連續環境空氣質量自動監測基站20與數據處理中屯、5的連接組成監 測網絡示意圖。
[0102] 圖10在線連續環境空氣質量自動監測網絡布置W及采樣事件觸發示意圖，其中的 等高線表示由擴散模型計算的實時濃度分布。等高線越內圈的表示濃度越高。監控區域 200,保護區300。當保護區觸發了采樣事件，在監控區中，在一定濃度W上的范圍a為可能發 生源區域。201為設置在監控區的基站20,202為發生源，301為設置在保護區的基站20。
[0103] 圖11快速氣相電子鼻分析兩個發生源氣體用分析指紋圖譜比對相似度(A工廠:實 線;B工廠:虛線)示意圖。
[0104] 圖12對快速電子鼻分析Ξ個發生源的指紋圖譜進行主成份(PLA)后得到的二維識 別圖譜示意圖，從圖上可W清楚區分Ξ個工廠(AG、AB、AM)的特征。
【具體實施方式】
[0105] W下通過具體的系統配置和溯源步驟來更具體詳細說明本【實用新型內容】，不構成 對本實用新型的限制，本領域的技術人員根據本實用新型進行的置換修改，W及本實用新 型系統的拓展的應用方法乃屬于本實用新型的范圍。
[0106] 自動采樣模塊的配置：
[0107] 置于預抽真空容置腔室11內的采樣容器12,預抽真空容腔室11通過第一控制閥13 與抽氣累14管線連接，預抽真空容腔室11管線連接有壓力傳感器15,采樣容器12通過第二 控制閥16管線與環境空氣連接;壓力傳感器15信號連接至控制器17,控制器17連接第一控 制閥13、第二控制閥16、抽氣累14;當壓力傳感器15感知真空度下降時，控制器17開啟氣累 14和開通第一控制閥13進行抽真空，保持預抽真空氣室的真空度；當接收到采樣指令時，控 制器17打開第二控制閥16,環境空氣進入采樣袋;當采樣完畢時，控制器17關閉第二控制閥 16，設置采樣完畢狀態給數據傳輸模塊2 (圖2)。
[0108] 常態處于待機時，第一控制閥13與第二控制閥16處于關閉狀態。控制器17根據壓 力傳感器15信號感知真空度下降時，發出啟動抽氣累14,開通第一控制閥13,提高預抽真空 容置腔室11的真空度，當壓力傳感器5信號感知真空度達到預定值時，發出關閉第一控制閥 13、停止抽氣累14的信號；當控制器17接收到來自數據傳輸模塊2的自動采樣信號時，發出 開通第二控制閥16,環境空氣進入采樣容器12,之后發出關閉第二控制閥16信號，向數據傳 輸模塊2發出采樣完畢信號。
[0109] 采用采樣容器12為蘇瑪罐時，預抽真空的采樣蘇瑪罐，通過管路經過第一控制閥 13與氣累14連接，經過管路與壓力傳感器15連接，經過控制閥16與環境空氣連接;壓力傳感 器15信號連接至控制器17,控制器17連接第一控制閥13、第二控制閥16、抽氣累14;當壓力 傳感器15感知真空度下降時，控制器17開啟氣累14和開通第一控制閥13進行抽真空，保持 采樣蘇瑪罐的真空度;當接收到采樣指令時，控制器17打開第二控制閥16,環境空氣進入采 樣蘇瑪罐；當采樣完畢時，控制器17關閉第二控制閥16,設置采樣完畢狀態給數據傳輸模塊 2(圖 4)。
[0110] 當壓力傳感器15感知真空度下降時，控制器17開啟氣累14和開通第一控制閥13進 行抽真空，保持預抽真空氣室的真空度；當接收到采樣指令時，控制器17打開第二控制閥 16,環境空氣進入采樣袋；當采樣完畢時，控制器17關閉第二控制閥16,設置采樣完畢狀態 給數據傳輸模塊2。
[0111] 為了方便，采樣袋與氣路的連接采用可拆卸連接。一般能保持不泄漏的連接件即 可。
[0112] 根據需要，采樣單元可W設置1個或者1個W上，一般設置1-4個為好，實用的為1-3 個即重復設置并聯的采樣單元于自動采樣模塊1中（圖5、圖7)。
[0113] 具體元器件配置為
[0114] 采樣袋12:錐復合膜氣體采樣袋，E-swi tch牌，
[0115] 真空容置腔室為自制，依據采樣袋規格能夠放置采樣袋的可開合抽真空的腔室， 設置有供采樣袋與管線連接的接口W及與累和壓力傳感器連接的管線。
[0116] 控制閥13，控制閥16: SMC型真空電磁閥VT307，24VDC，亞德客
[0117] 壓力傳感器15:微型電子式真空壓力開關，臺灣KITA，KP102-R6 [011引控制器17:西口子化C，S7-200
[0119] 在線連續環境空氣質量自動監測系統：
[0120] 由多個監測基站20和數據處理中屯、5組成；
[0121] 系統的監測基站構成：
[0122] 每個監測基站20內設置有傳感器模塊3，氣象監測模塊4，自動采樣模塊1W及數據 傳輸模塊2;
[0123] 傳感器模塊3主要由電子鼻系統構成，電子鼻系統采用法國ALPHA M.0.S公司的RQ BOX,主要有氣敏傳感器陣列、信號預處理和模擬預處理和模式識別Ξ部分組成。該電子鼻 通過對一種或多種氣味物質的監測來模擬人類的嗅覺系統。通過嗅辯員及嗅辯儀進行擬合 馴化，可W直接輸出空氣異味等級讀數。
[0124] 氣象監測模塊4采用德國LUFFT WS600-體式氣象站（http:// WWW. inshument. com. cn/netshow/SH101632/C123396 .htm)，可測定空氣溫濕度、氣壓、風 速風向和降水指標。通過電容式傳感器測定大氣相對濕度;利用一個精準的NTC模塊測定大 氣溫度;利用超聲波原理進行測定風速風向；利用24G化的多普勒雷達測定每一滴雨/雪滴 的滴落速度，從而計算出降水強度、降水類型和降水量等降水指標。所有指標集成在一個傳 感器中，免維護。
[0125]
[0126] 傳感器模塊3與氣象監測模塊4將監測數據經RS485傳輸至數據傳輸模塊2,數據傳 輸模塊2打包上傳至數據處理中屯、5。
[0127] 數據傳輸模塊2采用16位的高精度模塊，每組數據都是W30秒為一個單位進行現 場存儲，并且每1分鐘上傳到服務器一個數據。數據傳輸采用3G通信技術將采集的數據上傳 至數據中屯、的服務器，并從數據處理中屯、5接受指令，對基站設備進行操作，進行現場數據 分析。3G技術是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術。3G服務能夠同時傳送聲音及數 據信息，速率一般在幾百化psW上。
[0128] 數據傳輸模塊2根據Ξ種模式控制自動采樣模塊1進行采樣。1.預先設置闊值，如 果傳感器模塊3所得數值超出闊值;2 .將傳感器模塊3所得數據經由SQC統計質量分析，如 果數據不在正常范圍內，則發送采樣信號；3 .接收到數據中屯、5所發出的采樣信號后，向自 動采樣模塊1發送采樣信號。
[0129] 網格化監測系統布置完成后，所有數據經由3G傳輸至數據處理中屯、5,數據處理中 屯、5將所有數據存儲、分析及發布，并根據分析結果給出響應意見。
[0130] 數據處理中屯、5將所得到的監測數據，使用擴散模型軟件，模擬污染氣體W及惡臭 擴散情況。在污染發生時，通過擴散模型軟件反溯污染可能來源W及各點的貢獻度，并通過 數據中屯、5發送采樣信號至距離推算出的污染源最近的自動采樣模塊1進行采樣。
[0131] 擴散模型軟件使用法國Plum'AIR Dispersion modelling軟件，該軟件基于拉格 朗日模型，根據上傳的氣象(風速、風向、濕度、氣壓、溫度、雨量、太陽福射），氣源位置與強 度W及地理參數，模擬不同化學氣體W及惡臭的擴散情況，給出分布，并表示為分布圖，按 一定時間間隔計算分布并疊加形成擴散動態分布圖。
[0132] 自動采樣模塊1所取樣品，利用快速氣相電子鼻進行分析，W各樣品的整體色譜圖 為各自的惡臭指紋，根據主成分分析(PCA)與判別因子分析(DFA)比對各污染源樣品與周邊 區域的惡臭指紋的相似度，W進行溯源分析，如圖11。
[0133] 快速氣相電子鼻使用法國ALPHAM.0.S公司的肥RA化E，可W進行有毒有害氣體快 速應急監測、水中揮發性、半揮發性有機物監測、±壤中揮發性、半揮發性有機物監測、污染 物排放、污染源的判定監測、作業場所安全監測和分析、惡臭監測和分析。
[0134] 1)功能強大使用簡便的電子鼻，具有獨特的多功能特性
[0135] 2)兩根并行不同極性金屬毛細管色譜柱雙柱雙FID監測器
[0136] 3)內置冷阱-可預濃縮/脫附
[0137] 可獲得：
[0138] 1)氣味剖析圖與感官相關的特性描述-電子鼻功能
[0139] 2)根據氣相色譜原理進行化合物的分離、鑒定與定量-快速色譜分析儀功能。
[0140] 不損失分辨率的快速分析
[0141] 1.快速程序升溫:達600 °C/min;
[0142] 2.分析周期短：5min
[0143] 高靈敏度
[0144] 半導體制冷吸附阱:可實現預濃縮脫附分析，增加高揮發性樣品的靈敏度(pg)
[0145] 良好的重現性
[0146] 1.保留時間 RSD<0.3%;
[0147] 2.峰面積 RSD<3%
[0148] 界面友好&功能強大的軟件
[0149] (一)簡便獨特的功能
[0150] 1.多元統計軟件包:簡便的數據分析
[0151 ] 2.多種譜圖解析工具:產品整體風味對比
[0152] (二)個性化數據處理工具
[0153] 1.定性模型:產品品質、產地、供應商、批次間的對比
[0154] 2.質控模型:產品一致性分析
[0155] 3.定量模型:風味/惡臭強度、化合物濃度的預測
[0156] (Ξ)良好的重現性
[0157] 1.保留時間 RSD<0.3%
[0158] 2.峰面積 RSD<3%
[0159] Arochembase :Kovats 保留指數資料庫
[0160] 1.包含感官特性的化合物識別；
[0161 ] 2.通過應用領域或化合物特性進行分組；
[0162] 3.超過230 000條目，44 000種化合物；
[0163] 4.包含NIST數據庫；
[0164] 規格特性
[01化](一)進樣模式&取樣方法
[0166] 1.液體&頂空進樣模式(SPME/SPDE/口EX);
[0167] 2.手動&自動進樣；
[0168] 3.可選購內置累，由采樣袋或大氣中直接取樣，內置吸附阱，溫度調節范圍（0-260 °〇
[0169] (二)色譜柱&爐溫
[0170] 1.2 根金屬毛細管柱（10m-0.18mm);
[0171] 2.載氣:氨氣或氮氣
[0172] 3.操作溫度:35°C-300°C
[0173] 4.高速升溫速率:可達600 °C /min，10 °C /s
[0174] (Ξ)監測器雙火焰離子化
[017引1.監測器(FID)，軟件控制自動FID點火；
[0176] 2.操作溫度:可達300°C
[0177] 3^10靈敏度：10-化〇10-124/111￥;
[017引 4.FID線性范圍>108
[0179] 5.監測頻率：100Hz
[0180] (四）特性
[0181] 1.15min 內啟動；
[0182] 2.保留時間RSD<0.3%，峰面積RSD<3% ;
[0183] 3.監測限 nC12<100pg;
[0184] 4.分析周期:5min;
[01財（五)維護
[0186] 1.軟件全面監控(FID點火，壓力、流量設定，升溫程序設定）
[0187] 2.日常維護(進樣墊更換）
[0188] (六)基本特征
[0189] 1.尺寸規格:230x320x440mm化 X Η X P)
[0190] 2.重量:16kg
[0191] 3.電壓：100/115/230VAC
[0192] 4.電腦連接:USB
[0193] 5.操作條件:溫度0°C-30°C，濕度0-90%
[0194] 6.存儲條件:-20°C-60°C
[01M] 化)軟件
[0196] 1.完善的數據處理軟件:色譜圖，指紋圖（雷達圖，質控圖，主成分分析圖，判別因 子分析圖，軟獨立建模分析圖）；
[0197] 2.多語言界面:漢語，英語，法語，西班牙語，德語，日語，韓語。
【主權項】
1. 一種在線連續環境空氣質量自動監測基站，包括以下模塊： 傳感器模塊(3)，該模塊包含有對空氣異味成分有響應的傳感器組，被設置為與數據傳 輸模塊(2)連接，數據傳輸模塊(2)讀取傳感器模塊(3)數據； 氣象監測模塊(4)，被設置為監測該基站所在區域局部氣象信息； 其特征是，還包括以下模塊： 自動采樣模塊（1)，被設置為連接數據傳輸模塊(2)并根據數據傳輸模塊(2)指令進行 采樣動作； 數據傳輸模塊(2)，具有多個數據交換接口，被設置為與外部通訊交換數據與指令，連 接傳感器模塊(3)、接受傳感器模塊(3)信號，連接氣象監測模塊(4)、接受氣象監測模塊(4) 信息，指令自動采樣模塊(1)。2. -種根據權利要求1所述的在線連續環境空氣質量自動監測基站，其特征是所述的 自動采樣模塊(1)為： 置于容置腔室（11)內的采樣容器（12)，容置腔室（11)通過第一控制閥（13)與抽氣栗 (14)管線連接，容置腔室（11)管線連接有壓力傳感器（15)，采樣容器（12)通過第二控制閥 (16)管線連接環境空氣;壓力傳感器（15)信號連接至控制器（17)，控制器（17)連接第一控 制閥（13)、第二控制閥（16)、抽氣栗(14)。3. -種根據權利要求1所述的在線連續環境空氣質量自動監測基站，其特征是所述的 自動采樣模塊(1)為： 預抽真空的采樣容器（12)，通過管路經過第一控制閥（13)與氣栗（14)連接，經過管路 與壓力傳感器（15)連接，經過控制閥（16)與環境空氣連接;壓力傳感器（15)信號連接至控 制器（17 )，控制器（17)連接第一控制閥（13 )、第二控制閥（16 )、抽氣栗（14 )，其中采樣容器 (12)為蘇瑪罐。4. 一種根據權利要求1所述的在線連續環境空氣質量自動監測基站，其特征是，所述的 傳感器模塊(3)選自包括用于監測TVOC濃度的TVOC傳感器、用于監測H 2S濃度的H2S傳感器、 和用于監測NH3濃度的NH 3傳感器、用于監測空氣異味的電子鼻的一種或多種的組合。5. -種根據權利要求1所述的在線連續環境空氣質量自動監測基站，其特征是，所述的 氣象監測模塊(4)包括監測空氣溫度、濕度、氣壓、風速、風向的傳感器組成，被設置為監測 基站所在區域局部氣象數據。6. -種在線連續環境空氣質量自動監測網絡系統，由數據處理中心(5 )、面源網格化設 置的多個權利要求1至5的任一所述的在線連續環境空氣質量自動監測基站(20)組成。7. -種根據權利要求6所述的在線連續環境空氣質量自動監測網絡系統，其特征是， 所述面源網格化設置為在監控區分割或包圍發生源設置多個監測基站（20)以及在保 護區設置至少1個監測基站(20)構成網絡， 所述監測基站(20)通過監測基站的數據傳輸模塊(2)網絡連接所述數據處理中心（5)， 所述數據處理中心(5)包括服務器，服務器中安裝有： 數據庫模塊，被設置為記錄包括各基站發送來的傳感器數據、氣象數據、自動采樣模塊 數據，記錄有地形數據、各基站地理位置數據； 氣象擴散模型模塊，按一定時間間隔，根據氣象數據、傳感器數據、地形數據計算空氣 異味氣體濃度分布； 運算指令模塊，包括根據基站數據、空氣質量分布數據，指令基站自動采樣。
【文檔編號】G01N35/00GK205449908SQ201521102826
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月28日
【發明人】周俊杰
【申請人】周俊杰