气体浓缩设备和挥发性有机物监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及环境分析领域，特别涉及一种气体浓缩设备和挥发性有机物监测系统。


背景技术：

2.挥发性有机化合物(vocs)是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物，部分种类的vocs会对人体健康造成重大影响，因此有必要通过监测大气中的挥发性有机物掌握大气污染状况。由于大气中含有的挥发性有机物浓度很低，需要对其进行富集浓缩处理，才能达到后续分析设备检测的要求。
3.目前，气体浓缩设备通常使用机械式压缩机进行制冷，机械式压缩机的制冷效能不足，即使采用多段冷却的方式，也仅能够达到
‑
150℃，且设备体积较大。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种体积更小且能实现更低的制冷温度的气体浓缩设备。
5.该气体浓缩设备包括气体管路和热声制冷机，气体管路与热声制冷机的冷端换热器接触。
6.根据该技术方案，采用热声制冷机能够快速提供相较于现有的机械式压缩机更多的冷量，与此同时，热声制冷机拥有相较于现有的机械式压缩机更小的体积，能够大幅缩减气体浓缩设备的体积，节约空间。
7.作为优选，气体浓缩设备还包括加热装置，用于加热气体管路。
8.根据该技术方案，通过分别调节加热装置的加热能力和热声制冷机的制冷能力，可以利用加热能力和制冷能力之间的平衡，控制气体管路中的温度。此外，加热装置也可以用于加热释放浓缩后的vocs，使富集在气体管路内的vocs解吸附并释放至分析设备中。
9.作为优选，气体管路包括第一气体管路和第二气体管路，第一气体管路具有第一加热装置，第二气体管路具有第二加热装置，气体浓缩设备还包括温度控制器，第一加热装置和第二加热装置分别与温度控制器通信连接。
10.根据该技术方案，通过将气体管路分为两个温度相对独立控制的气体管路，两条独立控温的气体管路可以将温度降低至不同区间范围内，从而对气体分别进行不同操作，例如可以使用同一气体浓缩设备分别实现气体的除水和浓缩操作。
11.作为优选，第一气体管路和第二气体管路相互串联。根据该技术方案，通过串联的方式，第一气体管路中流出的样气能够进入第二气体管路再次与热声制冷机的冷端换热器进行换热，因为第一气体管路和第二气体管路是单独控温的，该气体浓缩设备的管路结构可以实现梯级降温的效果。
12.作为优选，冷端换热器具有多个冷盘，气体管路盘绕于冷盘之间。根据该技术方案，气体管路与冷端换热器之间的换热面积增加，换热效率更高。
13.本实用新型还提供了一种具有气体浓缩设备的挥发性有机物监测系统。
14.作为优选，挥发性有机物监测系统还包括进气装置，该进气装置包括第一六通阀和定量环，第一六通阀的一至六号口依次与样气入口、样气出口、定量环的第一端口、第一后级装置、第一载气入口以及定量环的第二端口相连。
15.根据该技术方案，每次采集样气时，可以通过样气入口和样气出口向定量环内通入充足量的样气，从而排出定量环内部的其它气体，将定量环内的气体全部置换为样气。使用定量环可以保证每次采集同样体积的样气，保证每次参与分析的样气的量保持不变。另外，通过切换第一六通阀的导通状态，可以将定量环中保存的一定量的样气全部输送至第一后级装置中。
16.作为优选，第一后级装置为第二六通阀，第二六通阀的一至六号口分别与第二载气入口、排气口、气体浓缩设备的第一气体管路的第一端口、第二后级装置、第一六通阀的四号口以及气体浓缩设备的第一气体管路的第二端口相连。
17.根据该技术方案，通过切换第二六通阀的导通状态，使定量环中的样气可以被通入第一气体管路中进行初步冷却，例如可以将样气降低至某一温度区间内，将样气中的水蒸气去除。在初步冷却完成时，又可以通过切换第二六通阀的导通状态，使用第二载气入口吹出的载气，将初步冷却获得的样气继续携带至下游装置。当样气被全部携带至下游装置以后，还可以使用第二载气入口吹出的载气对第一气体管路进行吹扫，使第一气体管路恢复初始状态，完成挥发性有机物监测系统的自动化循环运行。
18.作为优选，该挥发性有机物监测系统还包括分析设备，第二后级装置为第三六通阀，第三六通阀的一至六号口分别与分析设备、第三载气入口、第二气体管路的第一端口、排气口、第二六通阀的四号口以及第二气体管路的第二端口相连。
19.根据该技术方案，通过切换第三六通阀的导通状态，经过第一气体管路初步冷却的样气可以被继续通入第二气体管路中进一步冷却，被二次冷却的样气，一方面可以实现梯级降温，提高降温效果；另一方面可以在第一次冷却时析出去除部分气体，避免其对目标组分的测量产生干扰。浓缩后的样气被加热并由载气带入分析设备中进行分析，此外，分析设备分析完毕后，可以利用载气继续吹扫第二气体管路，避免影响下一次的分析结果。
20.作为优选，分析设备优选为气相色谱
‑
质谱联用仪。
附图说明
21.图1是本实用新型实施方式提供的一种挥发性有机物监测系统的结构示意图；
22.图2是本实用新型实施方式提供的挥发性有机物监测系统的管路结构图；
23.图3是本实用新型实施方式提供的气体浓缩设备的结构示意图。
具体实施方式
24.结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。本实用新型的实现并不限于下述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内所采用的本实用新型技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本实用新型的保护范围。
25.图1是本实施方式提供的一种挥发性有机物监测系统1的结构示意图。如图1所示，挥发性有机物监测系统1包括进气装置2、气体浓缩设备3和分析设备4，其中，气体浓缩设备
3包括气体管路31和热声制冷机32，进气装置2和分析设备4分别与气体管路31的进口与出口连通，热声制冷机32的冷端换热器32a与气体管路31接触，热声制冷机32产生的冷量向气体管路31传递，将气体管路31冷却至较低的温度范围内，使气体管路31内样气的至少一部分目标组分(例如vocs)能够遇冷冷凝并在气体管路31的管壁富集，以液体或者固体的形态被暂时性地存储在气体管路31中。之后，可以将富集得到的液体或者固体形态的样品转移至分析设备4中，或者将富集得到的液体或者固体形态的样品气化后释放至分析设备4中，从而对含有较高浓度目标组分的气体进行测量，避免样气中部分目标组分的浓度无法达到分析设备4检测的浓度要求。
26.通过以上方式，在本实施方式中，该进气装置2采集样气后，样气进入与进气装置2连通的气体管路31，并在气体管路31中被冷却浓缩后进入分析设备4中进行分析。分析设备4能够接收到被浓缩的浓度较高的样气，获得更加准确可靠的测量结果。因为气体浓缩设备的冷源为热声制冷机32，不仅能够快速提供更多的冷量，而且体积较小，节约空间。
27.需要注意的是，在本实用新型中并未限定进气装置2的具体结构，例如进气装置2在一些实施方式中可以为通过六通阀和定量环22实现定量进气的装置，在另一些实施方式中，该进气装置2也可以为利用气泵和气袋进行定量进气的装置，还有一些实施方式中，该进气装置2还可以为仅有吸气装置而并不定量进气的装置，在不违背本实用新型主旨的前提下，对本实用新型中的进气装置2的结构进行简单的替换，均未超出本实用新型的保护范围。
28.本实施方式中，分析设备4可以是气相色谱
‑
质谱联用仪，在本实用新型的其他实施方式中，分析设备4也可以是气相色谱
‑
火焰离子化检测器、气相色谱
‑
光电离检测器或者其他任意合适的分析设备4。
29.下面，对挥发性有机物监测系统1的具体结构进行详细说明。
30.图2是本实施方式提供的挥发性有机物监测系统1的结构示意图，如图2所示，进气装置2包括第一六通阀21和定量环22，第一六通阀21的一至六号口依次与样气入口sg1、样气出口sg2、定量环的第一端口22a、第一后级装置(即本实施方式中的第二六通阀51)、第一载气入口cg1以及定量环的第二端口22b相连。
31.当第一六通阀21切换至一号口211与六号口216接通、二号口212与三号口213接通、四号口214与五号口215接通的状态时，第一载气入口cg1吹出的载气将直接流向第二六通阀的五号口515，对后级装置的管路进行吹扫。样气将从一号口211进入，经由六号口216流入定量环22，并依次经由三号口213、二号口212流出。在第一六通阀21的该导通状态下，可以完成样气的定量采集，具体而言，可以保持向定量环22中通入样气达规定时间，之后可以将定量环22中的气体全部置换为样气。
32.当定量环22中的气体全部置换为样气之后，可以切换第一六通阀21的导通状态，具体而言，可以将第一六通阀21的一号口211与二号口212接通、三号口213与四号口214接通、五号口215与六号口216接通，第一载气入口cg1吹出的载气将依次经由五号口215和六号口216，进入定量环22，并且携带着定量环22中的样气，经由三号口213、四号口214，向第二六通阀51的五号口515输送。载气可以是氮气、氦气、氩气或者其他任何合适类型的不干扰测量结果的气体。
33.定量环22具有确定的体积，使用定量环22采集样气可以保证每次采集同样体积的
样气，保证每次参与分析的样气的量保持不变。
34.本实施方式中，进气装置2的第一六通阀21连通的第一后级装置为第二六通阀51，第二六通阀51的一至六号口分别与第二载气入口cg2、排气口ex1、第一气体管路311的第一端口311a、第二后级装置(即本实施方式中的第三六通阀61)、第一六通阀21的四号口214以及第一气体管路311的第二端口311b相连。
35.本实施方式中，当第二六通阀51的一号口511与六号口516接通、二号口512与三号口513接通、四号口514与五号口515接通时，从第二载气入口cg2吹出的载气可以依次经由一号口511、六号口516进入第一气体管路311中，对第一气体管路311进行吹扫，并使吹扫后的废气依次经过三号口513、二号口512后，从排气口ex1排出。对第一气体管路311的吹扫可以将前次测试后管路中残留的样气吹走，使气体管路31恢复初始状态，提高当前测量数据的准确性。
36.当需要向第一气体管路311中通入样气时，可以切换第二六通阀51的导通状态，将第二六通阀51的一号口511与二号口512接通、三号口513与四号口514接通、五号口515与六号口516接通。从第一六通阀21的四号口214输送来的一定量的样气将经由五号口515、六号口516，而被通入第一气体管路311中。
37.第一气体管路311是图1中气体管路31的一部分，并且与热声制冷机32的冷端换热器32a相互抵接，冷端换热器32a产生的冷量至少一部分将被传递至第一气体管路311中，对第一气体管路311中流过的样气进行降温。本实施方式中，第一气体管路311的温度被控制在
‑
100℃附近，可以将样气中的水蒸气基本除去，避免水蒸气的存在对于气相色谱
‑
质谱联用仪的分析测量造成影响。
38.需要说明的是，虽然本实施方式中，第一气体管路311的温度设定使其能够将样气中的水蒸气去除，但本实用新型提供的气体浓缩设备3的温度设定不限于此，技术人员完全可以根据实际需要，选取合适的温度值或者温度区间，使样气中除水蒸气以外的其他组分冷凝或者凝华沉积在第一气体管路311的管壁处，从而将这些组分去除，避免这些组分对后续分析测量造成影响。
39.在第一气体管路311处被去除水蒸气的样气，将在载气的携带下，继续经由第二六通阀51的三号口513和四号口514，向第二后级装置(即本实施方式中的第三六通阀61)输送。
40.本实施方式中，第三六通阀61的一至六号口分别与分析设备4、第三载气入口cg3、第二气体管路312的第一端口312a、排气口ex2、第二六通阀51的四号口514、以及第二气体管路312的第二端口312b接通。
41.当第三六通阀61的一号口611与二号口612接通、三号口613与四号口614接通、五号口615与六号口616接通时，经过第一气体管路311脱水的样气将继续被输送至第二气体管路312中，形成第一气体管路311、第二气体管路312相互串联的气体管路31。
42.本实施方式中，第二气体管路312的温度设定低于第一气体管路311的温度，可以将已由第一气体管路311降温的样气，降低至更低的温度值或者温度范围内。通过将气体管路分为相互串联且独立控温的第一气体管路311和第二气体管路312，第一气体管路311中流出的样气可以进入第二气体管路312再次与热声制冷机32的冷端换热器32a进行换热，从而实现梯级降温的效果。该设置方式一方面可以延长与冷端换热器32a接触的气体管路的
行程，避免因急冷而造成部分组分的非稳态析出，另一方面可以在首次冷却时将部分干扰组分(例如本实施方式中的水蒸气)去除，避免其对测量造成影响。
43.本实施方式中，通过第二气体管路312将样气的温度进一步降低，例如可以将样气的温度降低至部分或者全部目标组分(作为测量目标物的组分)的露点以下，从而使目标组分以冷凝或者凝华的方式在第二气体管路312的内部富集，其他未被浓缩富集的组分将经由排气口ex2被排出。进一步地，通过加热第二气体管路312中目标组分的富集物，可以得到具有高浓度目标组分的气体，从而能够更好地满足分析设备4检测的浓度要求，提高测量精度。
44.当由定量环22采集到的全部样气均已流过第二气体管路312之后，切换第三六通阀61的导通状态，将第三六通阀61的一号口611与六号口616接通、二号口612与三号口613接通、四号口614与五号口615接通。从第三载气入口cg3流出的载气将依次经过第三六通阀61的二号口612、三号口613，将具有高浓度目标组分的气体转移至分析设备4中进行测量，目标组分的浓度监测结果可以由分析设备4测量得到的目标组分的量除以定量环22的容积得到。
45.根据本实施方式提供的挥发性有机物监测系统1的上述结构，挥发性有机物监测系统1可以实现自动化运行。具体而言，第一六通阀21、第二六通阀51、第三六通阀61、第一载气入口cg1、第二载气入口cg2、第三载气入口cg3、热声制冷机32等装置均与挥发性有机物监测系统1的控制中心(未示出)通信连接，各六通阀的导通状态、各载气入口的开度以及热声制冷机32的工作参数、工作时序等均可由控制中心程序控制。每次测量完成后，通过调整各六通阀的导通状态、各载气入口的开度，可以用载气对气体管路31整体进行吹扫，将前次测量的影响消除，使气体管路31恢复初始状态后再开始本次测量。通过程序控制的方式，挥发性有机物监测系统1的测量过程可以无需人为干预，自动生成测量结果，提升使用的便捷性。
46.本实施方式中，第一气体管路311和第二气体管路312均为气体管路31的一部分，并且与同一热声制冷机32的同一冷端换热器32a接触换热。图3为本实施方式提供的气体浓缩设备3的结构示意图。
47.参考图3，本实施方式提供的气体浓缩设备3还包括加热装置34，加热装置34与气体管路31接触传热，用于加热气体管路31中的气体。具体而言，加热装置34包括与第一气体管路311接触传热的第一加热装置34a、以及与第二气体管路312接触传热的第二加热装置34b，此外，气体浓缩设备3还包括温度控制器33，第一加热装置34a和第二加热装置34b分别与温度控制器33通信连接。
48.气体浓缩设备3包括与各气体管路31一一对应设置的温度监测器35，各温度监测器35均与温度控制器33通信连接。温度控制器33通过温度监测器35对第一气体管路311和第二气体管路312内的气体的温度分别进行实时监控。气体浓缩设备3还包括与冷端换热器32a接触的温度监测器37，温度监测器37能够对冷端换热器32a的实际温度进行实时测量，并将测量结果反馈给制冷机驱动控制器36。
49.利用温度监测器35、37的实时测量、制冷机驱动控制器36的制冷功率控制、温度控制器33的加热功率控制，气体浓缩设备3可以根据需要单独控制每条气体管路31的温度。此外，加热装置34还可以用于解吸附各条气体管路31内部富集的干扰组分或者目标组分，例
如，当用载气对第一气体管路311吹扫时，可以利用第一加热装置34a加热第一气体管路311，使第一气体管路311内部吸附的水或者冰气化后由载气携带排出；当需要向分析设备4中通入目标组分时，可以用第二加热装置34b加热第二气体管路312，使第二气体管路312内部吸附的目标组分的富集物(液体或者固体)气化后，由载气携带进入分析设备4。
50.本实施方式中，为了快速解吸附目标组分，第二加热装置34b能够在3s以内将第二气体管路312的温度升至110℃，并稳定保持在该温度下达3min以上。通过以上方式，第二加热装置34b能够高效完成进样过程，并且保证进样完全，避免目标组分在第二气体管路312中残留。
51.热声制冷机32可以快速将气体管路31的温度降至
‑
150℃以下，甚至200℃以下，提高目标组分的捕集效率。配合加热装置34使用，可以使气体管路31精确控温在
‑
160
‑
120℃之间，从而高效完成vocs的各项监测任务。此外，与制冷效能相当的机械式制冷机相比，热声制冷机32的体积小、重量轻、耗电量少、噪音较小、需配套使用的冷却设备也更加简单。
52.较优地，冷端换热器32a可以具有多个冷盘(未示出)，气体管路31盘绕于冷盘之间，并与冷盘保持接触。例如，本实施方式中，同一冷端换热器32a中嵌入设置有四条气体管路31。对应地，冷端换热器32a具有八个冷盘，每条气体管路31盘绕后由两块冷盘夹压，该传热结构可以使得气体管路31与冷端换热器32a之间的换热面积增加，换热效率更高。
53.至此，已经结合附图所示的多个实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。
54.附图标记说明
[0055]1‑
挥发性有机物监测系统；
[0056]2‑
进气装置；
[0057]
21
‑
第一六通阀；
[0058]
22
‑
定量环；
[0059]
22a
‑
定量环的第一端口；
[0060]
22b
‑
定量环的第二端口；
[0061]3‑
气体浓缩设备；
[0062]
31
‑
气体管路；
[0063]
311
‑
第一气体管路；
[0064]
311a
‑
第一气体管路的第一端口；
[0065]
311b
‑
第一气体管路的第二端口；
[0066]
312
‑
第二气体管路；
[0067]
312a
‑
第二气体管路的第一端口；
[0068]
312b
‑
第二气体管路的第二端口；
[0069]
32
‑
热声制冷机；
[0070]
32a
‑
冷端换热器；
[0071]
33
‑
温度控制器；
[0072]
34
‑
加热装置；
[0073]
34a
‑
第一加热装置；
[0074]
34b
‑
第二加热装置；
[0075]
35
‑
温度监测器；
[0076]
36
‑
制冷机驱动控制器；
[0077]
37
‑
温度监测器；
[0078]4‑
分析设备；
[0079]
51
‑
第二六通阀；
[0080]
61
‑
第三六通阀
[0081]
sg1
‑
样气入口；
[0082]
sg2
‑
样气出口；
[0083]
cg1
‑
第一载气入口；
[0084]
cg2
‑
第二载气入口；
[0085]
cg3
‑
第三载气入口；
[0086]
ex1
‑
排气口；
[0087]
ex2
‑
排气口；
[0088]
211
‑
第一六通阀的一号口；
[0089]
212
‑
第一六通阀的二号口；
[0090]
213
‑
第一六通阀的三号口；
[0091]
214
‑
第一六通阀的四号口；
[0092]
215
‑
第一六通阀的五号口；
[0093]
216
‑
第一六通阀的六号口；
[0094]
511
‑
第二六通阀的一号口；
[0095]
512
‑
第二六通阀的二号口；
[0096]
513
‑
第二六通阀的三号口；
[0097]
514
‑
第二六通阀的四号口；
[0098]
515
‑
第二六通阀的五号口；
[0099]
516
‑
第二六通阀的六号口；
[0100]
611
‑
第三六通阀的一号口；
[0101]
612
‑
第三六通阀的二号口；
[0102]
613
‑
第三六通阀的三号口；
[0103]
614
‑
第三六通阀的四号口；
[0104]
615
‑
第三六通阀的五号口；
[0105]
616
‑
第三六通阀的六号口。