基于单物质或多指示物的垃圾焚烧烟气二噁英检测系统

技术领域

本发明涉及二噁英在线检测技术领域，尤其涉及一种基于单物质或多指示物的垃圾焚烧烟气二噁英检测系统。

背景技术

由于二噁英痕量存在于复杂的烟气环境中，种类繁多，结构复杂，因此现有的二噁英在线检测需要通过监测和二噁英浓度具有相关性的指示物来间接实现。由于这些指示物具有浓度高、结构简单、易于在线监测等优点，因此该方法在近些年来获得了广泛的关注。

现有的二噁英检测系统进行检测的指示物类别较为单一，检测方式多采用传统的离线方式，具有检测周期长、检测方式繁琐、数据样本少、检测过程实时性差等缺点，此外二噁英在线检测需要通过相应的指示物关联模型辅助进行数据获取，现有的单指示物关联模型由于指示物类别单一，折算后的数据值与二噁英浓度的实际值会存在一定小范围的数据偏差。因此为了能够提高二噁英计算值的精度和准确度，在单指示物的基础上，还需要实现多指示物的检测，从而获取更为准确的二噁英浓度，在多指示物检测时，如何缩短数据检测周期，提高检测效率亦是亟待解决的难题之一。

发明内容

为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于单物质或多指示物的垃圾焚烧烟气二噁英检测系统，实现单指示物或多指示物的在线检测，获取更为准确的二噁英浓度，同时具有采集周期短，提高检测效率的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于单物质或多指示物的垃圾焚烧烟气二噁英检测系统，包括质谱仪和气相色谱仪，还包括上位机系统，所述上位机系统包括初始化模块和执行处理模块，

所述初始化模块，进行预浓缩仪参数设置、气相色谱仪参数设置和时序配置以实现单波长单物质、单波长多物质、多波长多物质模式三种序列模式的选择；

所述执行处理模块包括用于控制质谱仪和气相色谱仪运行的仪器控制单元、根据三种序列模式进行质谱电压切换的序列切换单元、求解二噁英浓度的求解单元。

进一步的，所述求解二噁英浓度的方法如下：

构建关于指示物的峰面积与二噁英浓度值相关的多指示物关联模型；然后控制标准气体或液体连续进样至质谱仪，采集多指示物特征数据，获取在飞行时间区间内的峰面积；若为单指示物测试，则以该指示物在飞行时间区间内的最大峰面积作为该指示物的峰面积；若为多指示物，则记录每一种指示物在对应的飞行时间区间内的最大峰面积作为对应指示物的峰面积；将所述指示物的峰面积代入多指示物关联模型中进行计算，获取二噁英浓度值。

进一步的，所述多指示物关联模型如下：

其中，F

K

φ(O

φ‘(O

A

B

y表示计算获得的二噁英浓度值。

进一步的，所述仪器控制单元的整体控制时序步骤如下：

WT01：预浓缩仪开始运行采样，延时Δt

WT02：气相色谱仪接收到预浓缩仪设备触发信号后，进行柱温箱升温加热，同时，低速板卡信号触发，上位机系统捕捉到低速板卡上升沿信号开始启动计时，气相色谱仪整体运行周期为T1；

WT03：低速板卡信号触发后，延时Δt

WT04：高速板卡数据采集后，延时Δt

WT05：气相色谱仪暂停运行，同时延时Δt

进一步的，在气相色谱仪整体运行周期T1内，进行以下操作：

WS01：上位机系统运行后，计时时间t0从0开始以秒为单位进行计时输出，判断计时时间t0是否大于等于激光器起始运行时间t1，若大于等于激光器起始运行时间t1，则进行激光器开启；

WS02：激光器开启后，在激光器合束起始时间t2开启激光器合束功能，在激光器合束关闭时间t3时关闭激光器合束功能；

WS03：判断计时时间t0是否大于等于二噁英计算时间t4，若大于等于二噁英计算时间t4，则进行二噁英浓度值计算；

WS04：判断计时时间t0是否大于等于激光器停止运行时间t5，若大于等于激光器停止运行时间t5，则关闭激光器。

进一步的，所述预浓缩仪运行时，使预浓缩仪依据设定时序进行双冷肼交替解析采样。

进一步的，所述时序配置的步骤如下：

C01，将二维字符串数组S[N][M]，赋值给多列列表框项名属性；将一维Double型数组中的数值t1、t2、t3、t4、t5分别赋值给激光器起始运行时间、激光器合束起始时间、激光器合束关闭时间、二噁英计算时间、激光器停止运行时间值属性；将一维整型数组I[N](N＝0,1,2……)赋值给多列列表框的项符号属性；

C02，在多列列表框控件的鼠标释放事件中通过多列列表框调用节点“点到行列”获取鼠标点击的行索引值a1，索引多列列表框项符号一维整型数组I[a1]数值是否为37，若为37，则通过替换数组子集函数将I[N]一维数组的I[a1]数值替换为38，若为38，则通过替换数组子集函数将I[N]一维数组的I[a1]数值替换为37，并将最终的一维整型数组I[N]赋值给多列列表框的项符号属性；

C03，通过索引数组函数索引项符号为38所在的行一维字符串数组H[N](N＝0,1,2……)，并通过创建数组函数将一维数组H[N]拼接成二维数组S[K][G](K,G＝0,1,2……)，通过分数/指数字符串至数值转换函数将二维字符串数组转换为二维Double数组S[DK][DG](DK,DG＝0,1,2……)，循环判断多列列表框项符号一维数组I[N]中数值为38的个数，若数值为38的个数等于1，则表示进行单指示物测试，若数值为38的个数大于1，则表示进行多指示物检测；

其中：二维Double数组S[DK][DG]中的第一列一维Double数组S[T](T＝0,1,2……)存放激光电离波长切换时间数值，第二列一维Double数组S[L](L＝0,1,2……)存放激光电离波长数值，第三列一维Double数组S[R](R＝0,1,2……)存放飞行时间起始读取时间数值，第四列一维Double数组S[E](E＝0,1,2……)存放飞行时间终止读取时间数值，第五列一维Double数组S[V](V＝0,1,2……)存放质谱电压值数值；

C04，将激光电离波长切换时间一维数组S[T]中的数值按由小到大顺序进行排序，排序后的新数组为S[XT]，依次判断S[XT]中数值在原函数S[T]中的索引号，并将获取的索引号输出，输出后的索引号数组为IND[i]，依次以索引号数组IND[i]索引序号索引一维数组S[L]、S[R]、S[E]、S[V]中数据，索引后的新一维数组分别为S[XL]、S[XR]、S[XE]、S[XV]。

进一步的，所述序列切换单元的切换步骤如下：

判断当前序列模式，若是单波长单指示物模式，上位机系统判断波长切换时间一维数组S[XT]中的激光电离波长切换时间A是否到达，若到达切换时间，将波长一维数组S[XL]激光电离波长值B通过串口通讯发送到激光器中，完成激光器波长调节，同时，将质谱电压一维数组S[XV]的质谱电压值E通过串口通讯发送到质谱仪设备中，完成质谱电压切换；

若是单波长多指示物模式，上位机系统依次判断激光电离波长切换时间一维数组S[XT]中的切换时间A1、A2、A3是否到达，若到达切换时间，将激光电离波长一维数组S[XL]的波长值B依次通过串口通讯发送到激光器中，完成激光器波长调节，同时，将一维数组S[XV]的质谱电压值E、E1、E2通过串口通讯发送到质谱仪设备中，完成质谱电压切换；

若是多波长多指示物模式，上位机系统依次判断激光电离波长切换时间一维数组S[XT]中的切换时间A1、A2、A3是否到达，若到达切换时间，将激光电离波长一维数组S[XL]的波长值B、B1、B2通过串口通讯发送到激光器中，完成激光器波长调节，同时，分别将质谱电压一维数组S[XV]的质谱电压值E、E1、E2通过串口通讯发送到质谱仪设备中，完成质谱电压切换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过时序配置实现单波长单物质、单波长多物质、多波长多物质模式三种序列模式的选择，实现了单指示物或多指示物的在线检测，获取更为准确的二噁英浓度，同时具有采集周期短，提高检测效率的效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明一实施例的运行时序图；

图3为本发明在T1运行周期内的控制流程图；

图4为本发明在T2运行周期内单指示物测试模式下的操作流程图；

图5为本发明在T2运行周期内多指示物测试模式下的操作流程图；

图6为本发明的指示物标定区间游标位置示意图。

图中：1-1、上位机系统；1-2、低速板卡；1-3、激光器；1-4、预浓缩仪；1-5、气相色谱仪；1-6、高速板卡；1-7、质谱仪。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本实施例提供一种基于单物质或多指示物的垃圾焚烧烟气二噁英检测系统，包括质谱仪1-7、气相色谱仪1-5、激光器1-3和预浓缩仪1-4。还包括用于控制上述仪器运行和数据处理的上位机系统1-1，以及用于数据采集的低速板卡1-2和高速板卡1-6，上述设备相互之间的连接关系具体请参照图1所示。

所述上位机系统包括初始化模块和执行处理模块。

所述初始化模块，进行预浓缩仪参数设置、气相色谱仪参数设置和时序配置以实现单波长单物质、单波长多物质、多波长多物质模式三种序列模式的选择。

其中，预浓缩仪参数设置、气相色谱仪参数设置为本领域常规设置，在此不再赘述。

所述时序配置的步骤如下：

下表1所示为本发明中涉及到的部分数组变量、时间变量的定义：

表1数组/时间变量定义

C01：将数据库读取出的二维字符串数组S[N][M](N,M＝0,1,2...)赋值给多列列表框项名属性，实现前面板控件多列列表框数据填充，将一维Double型数组D[N](N＝0,1,2……)中的数值t1、t2、t3、t4、t5分别赋值给激光器起始运行时间、激光器合束起始时间、激光器合束关闭时间、二噁英计算时间、激光器停止运行时间值属性，实现前面板多控件数据填充。将一维整型数组I[N](N＝0,1,2……)赋值给多列列表框的项符号属性，实现多列列表框启用列(第1列)为全部列未勾选状态。

C02：在多列列表框控件的鼠标释放事件中通过多列列表框调用节点“点到行列”获取鼠标点击的行索引值a1，索引多列列表框项符号一维整型数组I[a1]数值是否为37，若为37，则通过替换数组子集函数将I[N]一维数组的I[a1]数值替换为38，若为38，则通过替换数组子集函数将I[N]一维数组的I[a1]数值替换为37，并将最终的一维整型数组I[N]赋值给多列列表框的项符号属性，以此实现鼠标单击多列列表框时勾选行和取消行功能。

其中：项符号为枚举类型，37为未勾选符号，38为勾选符号

C03：通过索引数组函数索引项符号为38所在的行一维字符串数组H[N](N＝0,1,2……)，并通过创建数组函数将一维数组H[N]拼接成二维数组S[K][G](K,G＝0,1,2……)，通过分数/指数字符串至数值转换函数将二维字符串数组转换为二维Double数组S[DK][DG](DK,DG＝0,1,2……)，For循环判断多列列表框项符号一维数组I[N]中数值为38的个数，若数值为38的个数等于1，则表示进行单波长单物质测试，若数值为38的个数大于1，则进行下列判断：

取一维Double波长数组S[L](L＝0,1,2……)的第一个元素数值S[0]，通过For循环依次和S[L]中的每个波长数值进行比较，若元素相等则通过插入数组函数将布尔值True插入一维空布尔数组B[N](N＝0,1,2……)，插入新元素的布尔数组为B[XN](XN＝0,1,2……)，判断布尔数组B[XN]的长度是否等于I[N]数组中数值为38的总个数(即布尔数组B[XN]的长度等于勾选行的总个数)，若满足条件，则表示多序列中的波长值相等，因此为单波长多物质测试序列，若不满足判断条件，则为多波长多物质测试序列。

其中：二维Double数组S[DK][DG]中的第一列一维Double数组S[T](T＝0,1,2……)存放激光电离波长切换时间数值，第二列一维Double数组S[L](L＝0,1,2……)存放激光电离波长数值，第三列一维Double数组S[R](R＝0,1,2……)存放飞行时间起始读取时间数值，第四列一维Double数组S[E](E＝0,1,2……)存放飞行时间终止读取时间数值，第五列一维Double数组S[V](V＝0,1,2……)存放质谱电压值数值。

C04：通过一维数组排序函数将激光电离波长切换时间一维数组S[T]中的数值按由小到大顺序进行排序，排序后的新数组为S[XT]，通过FOR循环和搜索一维数组函数依次判断S[XT]中数值(S[0]……S[XT-1])在原函数S[T]中的索引号，并将获取的索引号输出，输出后的索引号数组为IND[i]，通过For循环依次以索引号数组IND[i]索引序号(IDN[0]……IDN[i-1])索引一维数组S[L]、S[R]、S[E]、S[V]中数据，索引后的新一维数组分别为S[XL]、S[XR]、S[XE]、S[XV]，由此实现了多列列表框勾选数据以切换时间大小为基准进行排序。(保证整体运行序列以切换时间为基准进行运行)

如一实施例中，排列前数据列表如下表2所示：

表2排列前数据列表

[1]将激光电离波长切换时间由小到大排序，排序后的数组为S[XT](数组元素依次为5,10,15)；

[2]判断S[XT]中的元素在原来S[T]中的索引号数组IDN[i]；(索引号数组元素依次为1,0,2)

[3]按照索引号数组IDN[i]索引号值，依次索引S[L]、S[R]、S[E]、S[V]数组中第1个位置处的元素、第0个位置处的元素、第2个位置处的元素，索引后的数组为S[XL]、S[XR]、S[XE]、S[XV]；

排序后数据列表如下表3所示：

表3排列后数据列表

完成上位机时序配置功能后，整体系统可进行单波长单物质、单波长多物质、多波长多物质模式三种序列模式选择。

所述执行处理模块包括用于控制质谱仪和气相色谱仪运行的仪器控制单元、根据三种序列模式进行质谱电压切换的序列切换单元、求解二噁英浓度的求解单元。

请参阅图2，本方案中，对于仪器控制的整体控制时序(一个周期T时间)步骤如下：

WT01：预浓缩仪1-4开始运行采样，延时Δt

WT02：气相色谱仪1-5接收到预浓缩仪设备1-4触发信号后，进行柱温箱升温加热，同时，低速板卡1-2信号触发，上位机软件捕捉到低速板卡1-2上升沿信号开始启动计时，气相色谱仪整体运行周期为T1；

WT03：低速板卡1-2信号触发后，延时Δt

WT04：高速板卡1-6数据采集后，延时Δt

WT05：气相色谱仪1-5暂停运行，同时延时Δt

气相色谱仪运行周期内，仪器控制流程如下：

请参阅图3，上位机运行周期T1时间(以气相色谱仪触发为起始时间，以气相色谱仪停止运行为结束时间)内，进行以下操作：

WS01：上位机运行后，计时时间t0从0开始以秒为单位进行计时输出，判断计时时间t0是否大于等于激光器起始运行时间t1，若大于等于激光器起始运行时间t1，则进行激光器开启(激光器开启采用上升沿触发，保证一个运行周期内只执行1次)。

WS02：激光器开启后，为增强垃圾焚烧烟气电离效果，需要在激光器合束起始时间t2开启激光器合束功能，在激光器合束关闭时间t3时关闭激光器合束功能(激光器合束开启和激光器合束关闭采用上升沿触发)。

WS03：判断计时时间t0是否大于等于二噁英计算时间t4，若大于等于二噁英计算时间t4，则进行二噁英浓度值计算(二噁英浓度计算采用上升沿触发)。

WS04：判断计时时间t0是否大于等于激光器停止运行时间t5，若大于等于激光器停止运行时间t5，则关闭激光器(激光器停止运行采用上升沿触发)。

预浓缩仪运行时，使预浓缩仪依据设定时序进行双冷肼交替解析采样(实现无盲点采样)；气相色谱仪运行时，通过上位机进行气相色谱仪柱温箱升温降温等操作；上位机系统1-1通过串口通讯实现激光器波长调节、激光器合束功能开启闭合、质谱电压调节等功能；

进一步，低速板卡信号处理采集处理部分，主要对气相色谱仪触发信号和停止信号进行采集处理(计时时间t0在低速板卡接收到上升沿起始触发信号后从0开始计时，在低速板卡接收到下降沿触发信号后，计时时间t0复位为0，并将其它控件初始化，从而保证下一周期软件从0开始计数并进行数据采集、数据保存)。

高速板卡信号采集处理周期T2时间内，需要进行序列切换和二噁英浓度值求解，具体操作步骤如下：

所述序列切换单元的切换步骤如下：

通过While循环，判断当前序列模式，并依据时序模式进行时序切换(时序切换以上升沿方式触发，保证While循环中时序切换时波长切换、质谱电压调节只执行一次)。

若是单波长单指示物模式(以下表4中的单波长单指示物序列模式为例)：

表4单波长单指示物序列

此时，上位机系统判断激光电离波长切换时间一维数组S[XT]中的切换时间A是否到达，若到达切换时间，将激光电离波长一维数组S[XL]波长值B通过串口通讯发送到激光器中，完成激光器波长调节，同时，将质谱电压一维数组S[XV]的质谱电压值E通过串口通讯发送到质谱仪设备中，完成质谱电压切换。

若是单波长多指示物模式(以下表5中的单波长多指示物序列模式为例)：

表5单波长多指示物序列

上位机系统依次判断激光电离波长切换时间一维数组S[XT]中的切换时间A1、A2、A3是否到达，若到达切换时间，将激光电离波长一维数组S[XL]的波长值B依次通过串口通讯发送到激光器中，完成激光器波长调节，同时，将一维数组S[XV]的质谱电压值E、E1、E2通过串口通讯发送到质谱仪设备中，完成质谱电压切换。

若是多波长多指示物模式(以下表6中的多波长多指示物序列模式为例)：

表6多波长多指示物序列

上位机系统依次判断激光电离波长切换时间一维数组S[XT]中的切换时间A1、A2、A3是否到达，若到达切换时间，将激光电离波长一维数组S[XL]的波长值B、B1、B2通过串口通讯发送到激光器中，完成激光器波长调节，同时，分别将质谱电压一维数组S[XV]的质谱电压值E、E1、E2通过串口通讯发送到质谱仪设备中，完成质谱电压切换。

完成激光器波长调节和质谱电压切换后，需要进行多指示物峰面积计算和二噁英浓度求解，具体方法如下：

构建关于指示物的峰面积与二噁英浓度值相关的多指示物关联模型；

然后采集多指示物特征数据，获取在飞行时间区间内的峰面积；

采集多指示物特征数据的步骤如下：

S21，将标准指示物物质气体或液体连续进样到质谱仪；

S22，设定激光器的扫描起始波长、终止波长与步长，进行波长扫描；

S23，获取质谱电压特征值和最大峰峰值对应的飞行时间和激光电离波长特征值，具体如下：

S231，运行上位机系统，通过LabVIEW的“获取波形成分”函数获取板卡采集的输入信号的信号值一维数组，通过LabVIEW的“波峰检测函数”获取位置和振幅一维数组，通过“数组最大值和最小值”函数获取振幅一维数组的振幅最大值Z

S232，通过“搜索一维数组”函数搜索振幅最大值Z

S233，计算所述最大峰峰值对应的飞行时间，计算公式如下：

F＝L*sam

其中，F为飞行时间，L为所述振幅最大值所对应的位置，sam为采样率。

S234，采用Txt文本格式记录波长扫描过程中的激光电离波长值、振幅一维数组最大值Z

S235，将激光器电离波长设定为获取的激光电离波长特征值，设定质谱最小值电压、最大值电压、步长电压，进行质谱电压切换，通过Txt文本格式记录质谱电压切换过程中飞行时间值F处的信号检测值和质谱电压值，将信号检测值大于等于质谱仪设备检测限电压的2/3的临近值所对应的质谱电压作为该物质的特征值，避免信号超出检测限，同时能够保持较好的峰形，便于进行峰面积计算获取，从而获取到质谱电压特征值。

S24，将标准指示物物质气体或液体连续进样到气相色谱仪(标液或标气经过气相色谱仪分离后，进入到质谱仪中，激光器进行物质电离)，在上位机系统界面波形图中的所述飞行时间左右两侧设置两条游标基线(出峰后采用两条基线将峰形进行包裹，确定游标基线后，可通过系统进行左右基线保存，从而保证程序下一次运行时，左右游标基线自动定位)进行峰面积计算。将最大峰面积值对应的出峰时间值前几十S的时间点作为飞行时间起始读取时间值特征值，将出峰时间值后几十S的时间点作为飞行时间终止读取时间值特征值；从而获取到飞行时间起始读取时间值特征值和飞行时间终止读取时间值特征值并保存。

将获取的各物质飞行时间起始读取时间的前几十s(该时间不宜设置为过长时间，会影响到信号峰面积的获取)时间点设置为激光电离波长切换时间特征值(切换时间点处进行激光器波长切换和质谱电压切换)。

将记录的激光电离波长值、激光电离波长切换时间值、飞行时间起始读取时间值、飞行时间终止读取时间值和质谱电压特征值保存到数据库中。

采用TXT文本进行标气进样时飞行时间值、激光电离波长值、信号检测值、质谱电压值、峰面积值、出峰时间值数据测试数据保存，采用数据库方式进行激光电离波长值等特征值保存，采用数据库方式进行烟气采样时峰面积值、二噁英计算浓度值测试数据保存，波形图游标基线位置采用INI文件进行保存。

确定在飞行时间区间内的峰面积：

若为单指示物测试，则以该指示物在飞行时间区间内的最大峰面积作为该指示物的峰面积；若为多指示物，则记录每一种指示物在对应的飞行时间区间内的最大峰面积作为对应指示物的峰面积；具体的：

WG01：判断当前序列模式为单物质测试还是多指示物测试，请参阅图4，若为单指示物测试，则通过索引数组函数获取一维Double数组S[XR]和S[XE]的首个飞行时间起始读取时间数值tx0、飞行时间终止读取时间数值tx1，判断计时时间t0是否大于等于tx0，若符合则开始进行峰面积计算，然后继续判断计时时间t0是否大于等于tx1，若符合则停止峰面积计算，将tx0-tx1时间内，获取的最大峰面积值作为最终的峰面积值。同时，数据采集期间以TXT文本方式对参数数据进行数据保存。

WG02：请参阅图5，若为多指示物测试(以三种物质为例)，则分别索引一维Double数组S[XR]和S[XE]的第一个飞行时间起始读取时间数值tx0、飞行时间终止读取时间数值tx1，第二个飞行时间起始读取时间数值tx2、飞行时间终止读取时间数值tx3，第三个飞行时间起始读取时间数值tx4、飞行时间终止读取时间数值tx5，并依次计算飞行时间tx0-tx1、tx2-tx3、tx4-tx5时间区间内的最大峰面积值。同时，数据采集期间以TXT文本方式对参数数据进行数据保存。

将所述指示物的峰面积代入多指示物关联模型中进行计算，获取二噁英浓度值。

其中，飞行时间峰面积和二噁英浓度计算步骤如下：

WF01：请参阅图6，在上位机软件的波形图控件中的各指示物出峰时间位置两侧设立左右基线区间L

WF02：通过LabVIEW的“一元数值积分”函数采用梯形法则方法进行各指示物INC

(其中：LabVIEW“一元数值积分”函数的两个输入变量分别为高速板卡采集的Double信号值一维数组Y[N](N＝0,1,2……)和一维数组Y[N]中数据的采样步长dt；

其中：dt＝|(R

WF03：将计算获得的峰面积值代入多指示物关联模型中进行计算，获取二噁英浓度值：

所述多指示物关联模型如下：

其中，F

K

φ(O

φ‘(O

A

B

y表示计算获得的二噁英浓度值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。