空气质量监测系统技术方案设计.docx

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空气质量监测系统技术方案设计

空气质量自动监测系统

技术方案

一．前言

二．系统概述

三．系统组成

四．空气质量监测仪性能特点

五．仪器工作原理

六．监测参数及性能指标

七．采样系统

八．多点校准设备（高精度配气仪）

九．零气发生器

十．气象系统

十一．中心站软件系统介绍

十二．项目详细的自动监测系统框图、安装方案

十三．常见故障维修

大气环境自动监测系统技术文件

一．前言

环境保护监测先行，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障。

在地方经济迅速发展的同时、各地区不断出现不同程度的水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们的生活质量，阻碍了当地经济的持续发展。

随着国家制定的各种环境保护政策及法规的颁布实施，各级地方政府在对辖区内的环境治理日益重视的同时，加大了对环境监测的投资力度，各地区陆续规划安装了大气环境质量监测地面站，实施城市空气质量预报。

THY-AQM60系列城市级大气环境监测系统完全可以实现区域环境保护监测部门对环境监测的实际需要，满足城市空气质量预报的要求。

二、系统概述

THY-AQM60系列城市级大气环境监测系统通过在城市均布点设置子站（子站数量根据当地情况而定），安装在线式环境监测设备。

监测数据实时传送到当地环保监控中心；中心可通过系统实时监测终端监测辖区内分布的各点在线监测设备的实时动态数据，并及时记录；建立监测系统数据库，根据历史记录数据和分析结果预测、预报辖区环境污染状况及发展趋势，为有效控制辖区内环境状况提供科学依据。

系统将在环保局监控中心安装一个视频显示屏及建立一个显示控制系统，该系统可满足环保局政务公示及辖区环境监测数据、信息实时发布的需要。

THY-AQM60系列环境空气质量自动监测系统是以自动监测仪器为核心的自动“测-控”系统。

系列环境空气自动监测系统是基于干法仪器的生产技术，利用定电位电解传感器原理，结合国际上成熟的电子技术和网络通讯技术研制、开发出来的最新科技产品。

该系统符合国家对城市环境空气自动监测系统的各项技术指标要求，国产化程度高，具有较强的实用性和理想的性能价格比，可替代同类进口产品，是开展城市环境空气自动监测的理想仪

系列环境空气自动监测系统由一个中心站和若干个子站构成（子站数量根据当地情况而定），安装在线式环境监测设备。

因此系统软件将由中心站软件和子站软件两大部分组成，两者有机结合，协调整个监测系统的运行，完成对各种监测仪器的数据采集和远程通讯控制及数据处理，并形成报告。

三、系统组成

大气污染物:

NO2（NO、NOx）监测仪、臭氧监测仪、二氧化碳监测仪、一氧化碳监测仪、PM10监测仪

气象系统：

可测量风速、风向、温度、湿度、大气压力。

现场校准系统：

包括多种标准气体、一套气体标定装置。

中心站及子站系统：

可连续自动采集大气污染监测仪、气象仪、现场校准的数据及状态信息等。

并进行预处理和贮存，等待中心计算机轮询或指令。

采样系统：

由采样头、总管、支路接头、抽气风机、排气口等组成。

数据采集系统（即远程数据通讯设备）：

直接使用无线PC卡（支持GPRS）。

条件保证设备：

站房等其它硬件

系统组成图

四、空气质量监测仪性能特点：

●同时测量5种气体和一种颗粒物

●便携、在线两用型

●测量参数任意组合，可同时监测五种气体参数和可吸入颗粒物，并在屏幕上实时显示检测值

●采用进口高灵敏度的传感器，响应速度快，分辨率高，线性好，检测下限可达ppb级

●大屏幕液晶显示，可直观动态显示各种检测数据、图形、仪器工作状态，提供全中文菜单和友好的人机对话界面

●机内锂电池供电或外接交流电供电方式，如果外电源断电后，设备内的电池可供仪器连续工作8小时

●应用单片机技术和无线网络通讯技术相结合，采用SD卡数据存储功能，理论上支持8G的数据存储量

●自动计算小时、日、周、月平均值，并生成相应的数据报表和数据曲线

●RS485或GPRS无线传输，上位机软件远程接收

●可更换粒子切割器PM10、PM5、PM2.5及TSP

●体积小、重量轻、便于随处移动监测

●操作方便、易于维护

●应用领域：

城市大气环境监测、企业环境监测、工厂厂区无组织排放污染气体监测、

应急监测环境评价监测

五、仪器工作原理

气体检测部分工作原理

本仪器采用高灵敏度电化学传感器原理，结合单片机技术和网络通讯技术，可以连续监测大气层中的SO2、NO2、O3、CO、H2S、NH3、HF等气体，全面显示需要的测量数据。

首先由抽气泵将环境空气通过过滤器，经流量调节器后分别以300ml/min的流量送到传感器气室，通过传感器时所产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器进行采集、计算、数据处理，产生浓度结果数据，同时保存数据结果或通过RS485串行接口送至信息中心。

对于空气中微量气体的检测，不同气体之间的交叉干扰尤其突出，如处理不好，对测试结果会产生极大的影响。

我们采用了两项关键技术解决了此问题：

一是采用面对环境空气质量专用传感器；二是使用选择性合适过滤器，由此使本系统监测结果准确、可靠。

气体传感器的工作原理：

传感器通常由三个电极构成，其中最主要的是工作电极。

它通常是用一种具有催化活性的金属，例如：

铂，将其喷镀在一种透气但是憎水的膜上做成。

被测量的气体扩散透过多孔的膜在其上进行氧化或还原反应。

其反应的性质以工作电极的热力学电位和分析气体的（氧化还原）性质而定。

氧化还原反应中参加反应的电子，流向（还原）或流出（氧化）工作电极，通过外电路成为传感器的输出信号。

为了氧化还原反应得以进行，工作电极的热力学电位是一个极为重要的因素。

参考电极则是为了提供电解中的工作电极具有一种稳定的电位而设。

参考电极通常需要保护，使之不暴露在样气中，这样参考电极的热力学电位就总是具有同一数值保持稳定。

此外，参考电极不允许有电流需要的第二电极，它的作用主要是允许电子进入或流出传感器内部。

控制工作电极电位和将信号电流转换为电压信号的电路称之恒电位电路（或恒电位器）。

工作电极的工作信号需经运放U2转换为电压信号。

电路同时保持工作电极的电压使之处于其偏压Vbias之值。

参考电极电位与一个经过仔细选择的稳定的输入电压Vbias比较后，线路中运放U1在对电极产生一电压信号，其大小正好是产生一个与工作电极电流相等相反的电流信号。

同时恒电位电路使工作电极与参考电极之间保持一恒定的电位差（电压）。

可吸入颗粒物检测部分工作原理

采用激光光源，质量浓度转换系数不受颗粒物颜色的影响，内装光学标准散板,确保仪器高稳定性。

仪器设计了可更换的粒子切割器，实现了PM10、PM5、PM2.5、TSP多种粒子分离切割器兼容。

在线滤膜采样器，实现了连续监测粉尘浓度与滤膜采样兼容，可以分析所收集到颗粒物的成份以及求出该场所的质量浓度转换系数K值。

设计了恒流控制器，确保采样流量恒定，切割曲线的正确。

具有特别的保护气幕，避免了粉尘对仪器核心部件—光学系统的污染，确保仪器高可靠性通过计算机软件实现仪器零点自动调节，提高了仪器测量精度，方便了用户使用。

控制流程图

仪器的组成:

仪器由采样部分、过滤器、样气浓度分析、数据采集/数字滤波、动态数据图形显示、数据存储/查询/通讯、供电方式自动选择等部分组成。

采样部分：

采样部分是由进气管路、过滤器、抽气泵、流量调节器等组成，其作用是由抽气泵将环境空气通过过滤器，分别以300ml/min的流量送到传感器气室，然后经仪器排放孔排出。

信号转换部分：

该部分由气体传感器和温度传感器组成，其功能是将被测物浓度变成电信号。

信号处理部分：

该部分由信号变换和控制两部分组成。

信号变换：

由气体传感器和温度传感器产生的电信号较小，并且和要求输出的信号不成比例关系，必须经放大后才能得到标准输出信号及控制信号。

信号经处理后，输出模拟信号0-2V（根据用户要求可改变）。

数字信号ppb或ug/m3供面板LED显示，温度信号经变换后供控制和计算用。

控制部分：

由于传感器信号的输出与温度有关系，该仪器为提高准确度设计了温度控制装置，根据传感器的温度变化即调整制冷和制热系统，保证了传感器的最佳使用状态。

控制部分还包括电源保护，开关，泵及标校整定电位趋，其作用是保证系统安全可靠。

输出部分：

该部分由模拟信号输出和LED数字输出两部分组成。

数据采集/数字滤波：

由CPU控制的数据采集电路对传感器输出的多路信号进行实时采集，并通过数字滤波对异常数据进行处理，克服各种干扰的影响，确保采集的数据准确可靠。

动态数据图形显示：

仪器采用图型液晶显示屏，可直观显示各种监测数据、图形；仪器工作状态；提供全中文菜单、人机对话方式，界面友好。

数据存储/查询/通讯：

采用大容量数据存储器，理论最大可支持8G的历史监测数据存储；提供方便的数据查询方式；具有无线通讯接口，可与计算机进行数据通讯、数据整理、打印。

供电方式自动选择:

仪器采用机内锂电池供电或外接交流市电供电方式，当外接市电时，仪器自动断开机内电池。

六、监测参数及性能指标

气体监测参数

检测X围

分辨率

二氧化硫

0-2ppm

0.001ppm

二氧化氮

0-2ppm

0.001ppm

臭氧

0-2ppm

0.001ppm

一氧化碳

0-50ppm

0.01ppm

硫化氢

0-2ppm

0.01ppm

二氧化碳

0-2000ppm

1ppm

有机挥发物（VOC）

0-500ppm

1ppm

氟化氢

0-2ppm

0.01ppm

温湿度

-20℃-100℃

0-100%RH

0.01℃

1%

颗粒物

切割器PM10、PM5、PM2.5及TSP

0-10mg/m3

0.001mg/m3

其它可选气体：

氨气、氯气、氰化氢、氯化氢、、氟气、氢气、氧气、一氧化氮、溴气、磷化氢、偏二甲肼、二氧化氯、溴化氢、氯甲烷、氯乙烯、光气、砷化氢、锗烷、硒化氢、硅烷、环氧乙烷、易燃易爆气体等。

性能指标

可吸入颗粒物（PM10）参数表

序号

项目

性能指标

说明

1

测量X围

0-10mg/m3

2

分辨率

0.001mg/m3

3

检测原理

激光法

4

颗粒物捕获率

99.9%

5

重复性

±2%F.S

6

气体流量

600ml/min

恒流泵控制

7

响应时间

T90≤1min

8

控制

微机控制,内部自行诊断,显示运行参数,来电自动启动.

空气质量监测仪其它性能指标：

气体监测原理：

定电位电解法

颗粒物监测原理：

激光

采样方式：

泵吸式300ml/min

响应时间：

<150s

精度：

±2%F.S

线性：

±1%F.S

零漂：

±1%F.S

量程零漂：

±0.002ppm

工作温度：

5-40ºC

存储温度：

-20-40ºC

工作湿度：

≤15%-85%RH非冷凝

传感器工作寿命：

>2年

供电方式：

机内锂电池供电（3.6V*2）

外接交流电供电（AC220V50Hz1.0A）

通讯接口RS485或GPRS无线传输（非标），4-20mA输出（非标）

电池充电时间：

10小时

电池工作时间：

连续8小时

整机重量：

5kg

外形尺寸：

300x260x490mm

七、采样系统

该系统包括气体采样探测管、低吸附恒流气体采样泵、低吸附气体导管、与仪器的气体接口装置组成。

保证了被测气体的组分客观真实、滞留时间短小于20秒。

采样管长度可伸缩或根据客户要求定制。

八、多点校准设备（高精度配气仪）

特点及用途

THY-001型高精度配气仪是微处理器控制的数字化配气系统，是一种高精度、高分辨率的气体稀释系统，该仪器的配气技术和所有配件全部为美国公司提供。

它适用于计量中心、工厂、实验室、科研等单位使用标准气体标定仪器，校准气体、分析仪器标气的样品制备，其精度远远高于其它同类型的配气系统。

THY-001型高精度配气仪的配气比可在0-100%X围内连续可调。

THY-001型高精度配气仪可以单独操作，也可以与微机联用，该系统配气有与微机通讯的并行口与串行口（注：

目前因配套的软件正在升级过程中，因此暂不能实现电脑控制）。

手动使用时用户可以非常容易地操作键盘上几个键来得到自己所需要的气体浓度。

工作原理

THY-001型高精度配气仪采用高速三通电磁阀在微处理器控制下，以设定的配气比例输出连续、稳定的标准气体浓度。

配气装置配置如下配气仪-------------------------------------------1台

直流稳压电源-------------------------------------1个

THY-001型配气仪使用说明书-----------------------1份

THY-001型配气仪产品合格证书---------------------1份

10升聚四氟乙稀气袋-------------------------------2个

4升气袋------------------------------------------2个

仪器箱-------------------------------------------1个

串连或并联连接电缆（选件）-----------------------1盘

技术指标

配气比：

0-100%

最小配气比率：

标准气源浓度的1%

输出流量：

700ml/min（如果需要控制在500ml/min,那么在标气输出口配一个流量计）

示值误差：

±1%线性：

±1%

重复性：

±1%供电电源：

220VAC，50Hz

直流稳压电源：

12VDC/800mA工作温度：

0~50℃

仪器最大内压：

5Pig（34KPa）重量：

1.8Kg

尺寸：

76×165×203mm

各部份的功能如下：

1数字显示屏：

显示的数字为配气的百分比。

2键盘：

此12个按键用户可以直接设定配气比例。

3通道指示灯：

三条通道指示灯：

零气输入（DILUENTIN），标准气体输入（GAS1IN），配气比标准气体浓度输出（GASOUT）。

如通道打开，指示灯即亮。

4抽气泵开关：

泵开关是独立于电源的开关，将泵“开关”开到“ON”，泵即可工作。

5系统重新启动按钮：

必需时按此按钮，系统可重新启动。

6并行口：

通过此接口，可与计算机联机，从而控制该仪器。

7电源：

电源需直流12V/0.8A。

仪器器启动和使用

在使用THY-001型配气仪时，厂家建议下列事项：

a、使用零空气稀释标准气体时应在同等压力下工作；

b、建议使用气袋；

c、抽气泵在配气时应不间断使用。

第一步，将标准气体注入气袋中（为了确保压力为常压，保证配气的准确度），然后将气袋接到配气仪的标准气体输入（gas1in）口上。

零空气可用纯净环境干空气，特殊情况可用99.99%的氮气作零气，将它接在零气输入（diluentin）口上。

配气比标准气体浓度输出口（GASOUT）可直接接到需要校准的仪器进气口或储存气袋的进气口上。

以上属于短时间配气，如果需要连续配气而且配气量比较大，那么应该将标准气体钢瓶与气体袋进气口想接，气袋的另一出气口接配气仪，气瓶的阀门保持常开，这样就可以进行连续配气。

第二步，打开仪器电源和抽气泵开关，零气输入（DILUENTIN）、配气比标准气体浓度输出（GASOUT）指示灯亮，显示“0000”，此时仪器输出零气。

第三步，根据所配的浓度比例，按仪器面板上的数字操作键，再按“GO”按键，此时仪器三通电磁阀按配气比交替工作，零气输入（DILUENTIN）、标准气体输入（GAS1OUT）指示灯交替亮，配气比标准气体浓度输出（gasout）口输出配气比的标准气体浓度。

例如：

要配比10%标准气体浓度，此时可按仪器面板上的数字键10.0，再按“GO”按键。

要配比4.5%标准气体浓度，此时可按仪器面板上的数字键4.5，再按“GO”按键。

注意:

按完数字键后,一定要按“GO”键，并要快速按，才能工作；

当重新输入配气比时需在输入新的配气比率前输入0.00，让配气仪清空管路中的上一次操作的残留气体。

第四步，要回到输出零气，按仪器面板上的数字操作键0，再按“GO”按键，仪器显示0.0，此时仪器输出零气。

维护

THY-001型配气仪为微电脑控制高精度仪器，所以在维护中要做到以下几点：

1避免剧烈振动；

2避免着水和受潮；

3不用时应将配气仪抽气泵和电源开关关掉；

4避开强电磁干扰设备；

5不要将高压气直接通到仪器接口上；

6外接泵的抽气量不要超过规定；

7不要用超过12V的电源。

十、气象系统

THY-XYZ型地面遥测气象仪，既可进行常规地面温度、湿度、气压、风向、风速、五个基本气象要素的自动观测，也可根据用户需要增加特种传感器，进行云、能见度、天气现象等气象观测。

THY-XYZ型地面遥测气象仪，适应各种自然环境条件下使用，可广泛应用于气象、环保、林业、水利等环境监测。

温度

测量X围：

-50～+50℃

传感器：

铂电阻Pt100

准确度：

±0.2℃（0～50℃）；±0.3℃（-50～0℃）

分辨力：

±0.1℃

湿度

测量X围：

10%～100%RH

传感器：

湿敏电容

准确度：

±3%RH（<80%RH）；±5%RH（>80%RH）

分辨力：

1%RH

气压

测量X围：

500～1070hpa（任取其中200hpa的量程）

传感器：

振动筒式数字气压传感器

准确度：

±0.4hpa

分辨力：

±0.1hpa

风速

测量X围：

0～60m/s

传感器：

三杯式风速传感器

准确度：

±（0.3+0.03V）m/s（V实际风速）

分辨力：

0.1m/s

启动风速：

≤0.5m/s

距离常数：

<3m

风向

测量X围：

0～360°

传感器：

风标

准确度：

±3°

分辨力：

3°

距离常数：

≤1.5m

雨量

测量X围：

累计雨量（雨强<4mm/min）

传感器种类：

翻斗式雨量传感器

准确度：

±0.4mm（<10mm）；±4%（>10mm）

分辨力：

0.1mm；

主要技术说明

温、湿度传感器

温度传感器使用Pt100铂电阻，测量电路使用数据采集器内的测量电桥，采用四线制式，激励电流为1.2mA。

湿度传感器敏感器件为湿敏电容，环境湿度的变化引起电容容量的变化，经转换电路转换为0～1V的电压输出，对应0～100%RH，灵敏度10mV／1％。

振动筒式数字气压传感器

振动筒式数字气压传感器结构和电路如图3-1和图3-2所示。

激励放大器加电后，在换能片上形成脉动力，从而引起筒壁变形，使敏感圆筒以低振幅的谐振频率振动，筒壁位移被换能片感受，通过电路相移、放大再反馈到换能片，产生激振力，敏感圆筒迅速进入大幅度谐振状态，并以一定的振形维持振荡

图3-1振筒式数字气压传感器结构示意图

当被测压力进入敏感圆筒内腔时，沿轴向和径向X紧的圆筒钢度发生变化，从而改变了圆筒的谐振频率，由此检测出不同的气压值。

气压频率信号f和温度电压信号经气压数字电路处理后，输出气压数字信息，经过制式转换，直接送入数据预处理器主板。

本气压传感器由一个温度敏感元件和两个运放及若干电子元件共同构成温度监测电路，在外界环境温度变化时，该电路输出一个对应的电压值。

图3-2振动筒式数字气压传感器电路框图

风向风速传感器

风向感应器为单板风标，当风标转动时，带动七位的格雷码盘，对应于每一位的发光二极管和光敏三极管将风标的角位移转换成相应的格雷码。

风速传感器采用三杯式感应器，风杯由碳纤维增强塑料制成。

有关风向、风速传感器详细资料请参阅《EC9－1型高动态性能测风传感器使用手册》。

雨量传感器

雨量传感器为翻斗式遥测雨量传感器，主要由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗和调节螺钉、干簧管等组成。

其工作过程是：

雨水由承水口汇集，进入上翻斗，上翻斗的作用是使降水强度近似大降水强度，然后进入计量翻斗计量，计量翻斗翻动一次为0.1毫米降水量，随之雨水由计量翻斗倒入计数翻斗。

供电电源要求

THY-XYZ型地面遥测气象仪，供电电源为市电220V，供电能力应大于1KW。

在市电220V±33VX围内本遥测气象仪均能正常工作。

室外设备是由室内数据预处理器通过遥测电缆供电，供电电压为直流15V。

设备检查

THY-XYZ型地面遥测气象仪，安装前应开箱检查设备的完整性，其配套部件和数量应与随机提供的装箱清单相符，如有不符请立即与设备供应商联系。

THY-XYZ型地面遥测气象仪，标准配置的遥测电缆长度为100m，用户可根据室内外设备安装距离，选用100m～300m的遥测电缆。

以下内容仅供参考

十一、中心站软件系统介绍

数据采集系统

序号

指标或性能

1

数据采集器可储存90天以上的小时平均值资料，同时保存相应时间发生的有关校准、事件记录

2

数据采集器可允许操作人员选择小时值有效资料的百分比

3

数据采集器可生成校零、校标和多点校准的资料报告

4

数据采集器可正确显示分析仪测定的资料

5

数据采集器的时钟可与中心站自动对时

6

数据采集器对每个非正常监测资料（如校准数据、异常数据等）作标志

7

数据采集器显示的监测资料对应的监测时间与监测仪显示的时间一致

8

数据采集器上采集的数据能被远程计算机上的其他通用软件远程调用

中心站及硬件配置

序号

指标或性能

1

计算机IntelPD820（64位）/512MDDRII533双通道内存/160G（7200转）SATA高速硬盘/DVDRW/多合一读卡器/7300LE128MPCI-E高性能显卡/集成百兆网卡/集成声卡/USB光电鼠标/XPHOME/前置2口USB2.0/宽带服务A卡/一键恢复/一键杀毒/驱动安装/文件管理//系统内核智能修复/标配:

17"LCD显示器

Ups:

500W（山特）

2

中心计算机根据中心站软件适用的操作平台，预装Win2000或NT正版操作系统

3

壁挂式空调1.5P

4

激光打印机32bitRISC48MHz处理器，2MB内存，250页纸盒，USB1.1接口，IEEE1284双向并行接口，IEEE1284双向并行接口，状态监视器（三年保修）

5

中心站软件已经解决了计算机2000年问题

6

中心站软件具有完整的备份安装软件

7

中心站软件为汉化，可运行在中文Win2000或NT操作系统下

8

中心站软件能将原始监测资料自动生成可在其它通用软件上使用的基础数据文件

9

中心站通过子站数据采集器下载的监测数据中应带有相应的数据标志（如校准数据、异常数据等）

10

中心站软件具有自动校零、校标并依据校准数据自动和手动修正监测数据功能

11

中心站自动下载并储存子站的校准记录、校准设置及停电复电等事件记录

12

中心站软件能自动记录操作人员进行人机对话时的所有信息

13

中心站软件能手动和自动呼叫所有的子站来获取数据

14

中心站软件能允许操作人员设置密码进行保护

15

当数据采集器设置丢失时，中心站软件能传输关于设置配置文件给数据采集器，使数据采集器自动恢复原来工作状态

16

中心站软件能允许操作人员打印校零和校标报告

17

中心站软件能允许操作人员打印日报

18

中心站软件能让操作人员根据原始数据生成日报