一种基于无人机的大气VOCs采样设备、采样及分析方法、以及计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于无人机的大气VOCs采样设备，所述采样设备包括多旋翼无人机主体、无人机监测装置、无人机控制装置、无人机数据传输装置以及无人机采样装置，所述采样设备包括多旋翼无人机主体,用于整套采集设备的主要载体；无人机监测装置，用于找寻污染源烟羽位置、获取监测点位置和风速、风向等气象参数；无人机控制装置，用于控制无人机的飞行作业；无人机数据传输装置，用于传输监测装置监测结果和无人机飞行状态等；无人机采样装置，用于定时采集大气中的VOCs。该方案可在不进厂的情况下，相对准确计算出烟囱VOCs排放量，可解决由于企业监测时减排造成监测不准确的问题，提高环保监管效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机的大气VOCs采样设备、采样及分析方法、以及计算方法
本专利技术专利涉及空气质量采样设备
，具体是基于无人机烟羽采样VOCs排放污染源特征物种源强反演技术。
技术介绍
随着无人机技术的发展，其应用范围日益广泛。采用无人机对空气质量采样与监测是城市区域大气立体采样监测体系的重要组成部分，可以为空气质量预测模型提供高网格分辨率、高垂直精度、高时间分辨率的监测数据，以快速制定有效的污染防控措施。我国部分地区臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)的复合型污染问题日益突出，挥发性有机化合物(VOCs)是O3和二次有机气溶胶(SOA)的关键前体物，因此研究提升大气VOCs采样监测技术有重要意义及广阔应用前景。目前对大气VOCs采样主要采用固定点位水平方向采样，在垂直方向采样条件限制大耗时耗力，而我国无人机空气质量采样监测技术还处于起步阶段，只有极少数科研团队利用无人机搭载采样设备开展研究，目前尚未有系统性的研究成果，且主要关注常规污染物，针对VOCs等关键前体物的无人机采样监测研究较少。目前工业企业VOCs在线监测还未普及，厂内固定源排放量监测多采用手工监测法，该方法费时耗力效率低，需要企业配合，并且数据的精度较低，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于无人机的大气VOCs采样设备，该技术方案依托于一种基于无人机的大气VOCs采样设备，对污染源烟羽进行采样分析，获取采样点位的浓度和组分信息，利用基于VOCs特征物种的源强反演方法，反推源强，通过污染源烟羽浓度数据反推源强的方法可以在不进厂的情况下，相对准确计算出烟囱VOCs排放量。可避免进厂监测时企业减少排放等行为，提高环保监管效率，此外，通过无人机烟羽采样，样品更具代表性，可以减少水平地面采样时交通源对采样样品的影响。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种基于无人机的大气VOCs采样设备，其特征在于，所述采样设备包括多旋翼无人机主体、无人机监测装置、无人机控制装置、无人机数据传输装置以及无人机采样装置，无人机监测装置通过底座或高强度轻量化支架固定安装在多旋翼无人机主体上面；无人机采样装置通过连接导管软管、减震橡胶、螺纹螺丝和全碳纤维高强度轻量化支架固定在多旋翼无人机主体底部及延伸至多旋翼主体上高1米处，无人机控制装置是由地面控制站及遥控杆远程控制多旋翼无人机主体包括安装在主体上的所有装置；无人机数据传输装置主要由控制链路和图像数据传输链路构成，都集成在多旋翼无人机主体机体内部，通过无线信号与地面控制站进行通讯；多旋翼无人机主体,用于整套采集设备的主要载体；无人机监测装置，用于找寻污染源烟羽位置、获取监测点位置和风速、风向等气象参数；无人机控制装置，用于控制无人机的飞行作业；无人机数据传输装置，用于传输监测装置监测结果和无人机飞行状态；无人机采样装置，用于定时采集大气中的VOCs。该方案解决了传统VOCs采样限水平方向的弊端，增加采样的灵活性、便捷性，在垂直高度200m范围内达到不受时间限制并可多罐采样。这款无人机采样设备亦可实现烟羽采样VOCs排放源强反演技术，用于工业企业固定源排放量估算。所述多旋翼无人机主体,采用机体全采用高强度碳纤维材料制成。进一步地，所述无人机监测装置，包括GPS定位装置、气象参数传感器和VOCs气体探测仪，GPS定位装置，用于获取监测点位位置信息，气象参数传感器，用于获取监测点位风速、风向等气象参数，VOCs气体探测仪，用于找寻烟羽位置，获取排放源污染物的排放范围。无人机控制装置,根据需要测定污染物的位置，可通过无人机地面控制站设定好飞行轨迹，飞行高度，飞行速度等信息，无人机可自动飞行至指定区域进行作业，在完成预定的工作后，无人机根据设定好的航线自动返回起飞点并自行降落；无人机数据传输装置，可将位于无人机上的温度、气压、风速等数据实时传回地面站，同时监控无人机的动力电压、控制系统电压、载荷系统电压、无人机运行姿态、飞行高度、飞行速度、飞行时间、飞行距离、控制信号强度以及空气采样设备工作状态等信息通过专网或5G网络回传至地面；采样装置包括SUMMA罐、流量控制器、电磁阀和水汽及颗粒物过滤器，SUMMA罐规格为2L，无人机下部固定有三个SUMMA罐，可实现多罐采样，SUMMA罐通过全碳纤维高强度轻量化支架，采用底部抽插式活动机构，横向并排固定于无人机底部，并有橡胶减震及防脱落机构，横向拦阻卡扣等确保罐体在采集过程中稳定可靠防止脱落移位等情况发生，调节流量控制器，控制采样时间；二通电磁阀一端连接流量控制器，一端连接进气管路，根据地面控制站发出的信号，控制进气管路的通断；水汽及颗粒物过滤器，填充物包括石英棉和无水硫酸钠，用于过滤大气中的水汽和颗粒物；气体采样口通过1米长的玻璃管延伸至无人机旋翼平面上方1米以上处，并通过橡胶软管与金属旋钮底座连接，通过3组橡胶球减震机构与机体挂架连接。SUMMA罐通过相应阀门、快插接头及直径6.5mm的U型特氟龙管连接流量控制器，流量控制器通过直特氟龙管连接电磁阀，电磁阀通过特氟龙管连接水汽及颗粒物过滤器，最后连接竖直向上的采样导管，采样导管通过不锈钢管、橡胶软管、玻璃管及相应螺纹螺丝连接组成。该无人机大气VOCs采样设备的优势在于，对污染源进行垂直方向采样，减少水平地面采样时交通源等地面污染源对采样样品的影响；采样口位置在无人机上方1米处，设计更为合理，可减少由于无人机旋翼造成的湍流扰动问题，使得采集的样品更具代表性。一种基于无人机大气VOCs采样设备的采样及分析方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：在污染源烟羽范围内采集多个样品，记录监测点位置和气象参数；步骤2：将采集后的样品带入实验室分析，获取VOCs多组分浓度信息；步骤1具体包括：对流量控制器进行调节，确定采样时间；启动无人机；开启VOCs气体探测仪，扫描污染源烟羽范围，操作无人机到指定采样点位；查看气象参数条件，保证湿度等参数条件达到采样要求；进行VOCs采样，电磁阀接收到采样信号，电磁阀门打开，开始大气采样，待达到预定的采样时间，电磁阀门关闭，停止大气采样；步骤2具体包括：将SUMMA罐在避光、阴凉的情况下送至实验室进行VOCs组分分析，通过动态稀释仪对SUMMA罐进行稀释，连接SUMMA罐自动进样器，罐内气体通过除水和热脱附装置获取目标化合物，最后通过GC/MS对VOCs各组分进行定性定量分析，获取监测点位浓度和组分信息。一种基于无人机大气VOCs采样设备的污染源源强计算方法，所述方法包括以下步骤：(1)依据企业VOCs排放信息和监测点VOCs分物种浓度，筛选污染源VOCs特征物种，获取污染源特征物种比例关系；(2)假定源强，依据污染源特征物种比例关系、监测点位置和气象参数，利用高斯模式计算公式，获取假定源强下各监测点位的模拟VOCs物种浓度；(3)依据各监测点位下的模拟VOCs特征物种浓度和监测V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无人机的大气VOCs采样设备，其特征在于，所述采样设备包括：/n多旋翼无人机主体、无人机监测装置、无人机控制装置、无人机数据传输装置以及无人机采样装置，无人机监测装置通过底座或高强度轻量化支架固定安装在多旋翼无人机主体上面；无人机采样装置通过连接导管软管、减震橡胶、螺纹螺丝和全碳纤维高强度轻量化支架固定在多旋翼无人机主体底部及延伸至多旋翼主体上高1米处，无人机控制装置是由地面控制站及遥控杆远程控制多旋翼无人机主体包括安装在主体上的所有装置；无人机数据传输装置主要由控制链路和图像数据传输链路构成，都集成在多旋翼无人机主体机体内部，通过无线信号与地面控制站进行通讯；/n多旋翼无人机主体，用于整套采集设备的主要载体；/n无人机监测装置，用于找寻污染源烟羽位置、获取监测点位置和风速、风向等气象参数；/n无人机控制装置，用于控制无人机的飞行作业；/n无人机数据传输装置，用于传输监测装置监测结果和无人机飞行状态；/n无人机采样装置，用于定时采集大气中的VOCs。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机的大气VOCs采样设备，其特征在于，所述采样设备包括：
多旋翼无人机主体、无人机监测装置、无人机控制装置、无人机数据传输装置以及无人机采样装置，无人机监测装置通过底座或高强度轻量化支架固定安装在多旋翼无人机主体上面；无人机采样装置通过连接导管软管、减震橡胶、螺纹螺丝和全碳纤维高强度轻量化支架固定在多旋翼无人机主体底部及延伸至多旋翼主体上高1米处，无人机控制装置是由地面控制站及遥控杆远程控制多旋翼无人机主体包括安装在主体上的所有装置；无人机数据传输装置主要由控制链路和图像数据传输链路构成，都集成在多旋翼无人机主体机体内部，通过无线信号与地面控制站进行通讯；
多旋翼无人机主体，用于整套采集设备的主要载体；
无人机监测装置，用于找寻污染源烟羽位置、获取监测点位置和风速、风向等气象参数；
无人机控制装置，用于控制无人机的飞行作业；
无人机数据传输装置，用于传输监测装置监测结果和无人机飞行状态；
无人机采样装置，用于定时采集大气中的VOCs。


2.根据权利要求1所述的基于无人机的大气VOCs采样设备，其特征在于，所述无人机监测装置，包括GPS定位装置、气象参数传感器和VOCs气体探测仪，分别装在无人机主体羽翼下侧，其中GPS定位装置，用于获取监测点位位置信息；气象参数传感器，用于获取监测点位风速、风向等气象参数；VOCs气体探测仪，用于找寻烟羽位置，获取排放源污染物的排放范围；
无人机控制装置,根据需要测定污染物的位置，可通过无人机地面控制站设定好飞行轨迹，飞行高度，飞行速度等信息，无人机可自动飞行至指定区域进行作业，在完成预定的工作后，无人机根据设定好的航线自动返回起飞点并自行降落；
无人机数据传输装置，将位于无人机上的温度、气压、风速等数据实时传回地面站，同时监控无人机的动力电压、控制系统电压、载荷系统电压、无人机运行姿态、飞行高度、飞行速度、飞行时间、飞行距离、控制信号强度以及空气采样设备工作状态等信息通过专网或5G网络回传至地面；
无人机采样装置包括SUMMA罐(1)、流量控制器(4)、电磁阀(5)、水汽及颗粒物过滤器(6)和采样导管(7)，无人机下部固定有三个SUMMA罐，可实现多罐采样，SUMMA罐通过全碳纤维高强度轻量化支架，采用底部抽插式活动机构，横向并排固定于无人机底部，并有橡胶减震及防脱落机构，横向拦阻卡扣等确保罐体在采集过程中稳定可靠防止脱落移位等情况发生，调节流量控制器，控制采样时间；二通电磁阀一端连接流量控制器，一端连接采样导管7，根据地面控制站发出的信号，控制采样管路的通断；水汽及颗粒物过滤器，填充物包括石英棉和无水硫酸钠，用于过滤大气中的水汽和颗粒物；气体采样口通过1米长的玻璃管延伸至无人机旋翼平面上方1米以上处，并通过橡胶软管与金属旋钮底座连接，通过3组橡胶球减震机构与机体挂架连接。


3.根据权利要求1所述的基于无人机的大气VOCs采样设备，其特征在于，所述多旋翼无人机主体，采用机体全采用高强度碳纤维材料制成。


4.一种基于无人机大气VOCs采样设备的采样及分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在污染源烟羽范围内采集多个样品，记录监测点位置和气象参数；
步骤2：将采集后的样品带入实验室分析，获取VOCs多组分浓度信息；
步骤1具体包括：
对流量控制器进行调节，确定采样时间；启动无人机；开启红外探测仪，扫描污染源烟羽范围，操作无人机到指定采样点位；查看气象参数条件，保证湿度等参数条件达到采样要求；进行VOCs采样，电磁阀接收到采样信号，电磁阀门打开，开始大气采样，待达到预定的采样时间，电磁阀门关闭，停止大气采样；
步骤2具体包括：
将SUMMA罐在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，朱新志，王峥，周牧，骆文杰，张立，
申请(专利权)人：南京大学，浙江贝尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32