CN100592074C - 臭氧浓度测量仪 - Google Patents

Abstract

一种指示空气中臭氧浓度的测量装置，尤其是采用光学吸收原理测量臭氧浓度的仪器。它所采用的技术方案由光学和电学两部分构成：光学部分见图1：由依次排序同轴安装的反射镜(1)、紫外光源(2)、透紫外透镜(3)、可调狭缝(4)、装有透紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)、在臭氧容器内部安装反射标准具(10)、光快门(6)和光电管(7)光学连接构成光学系统。电学部分：由依次排序安装的光电管、电流智能处理装置和显示装置电连接组成仪器的电学部分。本发明的有益效果是不用配备专用试剂，仪器操作人员可以是非化学专业人员，操作简单，可以连续测量。本发明的有益效果还有仪器制造成本低，使用费用少，仪器维护费用少，便于携带的优点，欢迎有关厂家选用。

Description

臭氧浓度测量仪

所属技术领域

本发明涉及一种指示空气中臭氧浓度的测量装置，尤其是采用光学吸收原理测量臭氧浓度的仪器。

背景技术

目前，公知的臭氧浓度测量仪是基于用电化学原理测量臭氧的浓度：将含臭氧的空气(臭氧浓度≥1ppb)通入标定浓度的碘化钾溶液中，其反应为：

O₃+2KI+H₂O→I₂+2KOH+O₂反应生成的碘分子数量与臭氧的含量成正比。在溶液中加入正(铂)负(银)电极和一个外电势后，回路中的电流正比于碘分子数。所以由测得的电流，可以得到臭氧的浓度含量。这种电化学方法测量臭氧的浓度困难之处是需要专业的化学工作者来操作，并不时更换标定浓度的碘化钾溶液，不能连续测量。

发明内容

为了克服电化学方法测量臭氧浓度的不便，本发明提供了一种采用光学吸收原理测量臭氧浓度的仪器。

本发明解决其技术问题所采用的技术原理是光学吸收测量原理(比尔定律I＝I₀e^-ACl)。技术原理是选择最大的A和最小的l，即要选择一种单色光源，其波长刚好位于臭氧分子的吸收峰值，且远离其它空气分子的吸收峰。根据本发明人的实验结论和查阅有关资料，汞灯的253.7nm的紫外光，刚好就在臭氧分的吸收峰值A最大(参见物理杂志1996.11期本发明人的论文“253.7nm紫外光光解臭氧的实践”)。详细叙述如下：

光学吸收测量原理是光的吸收原理。它的表示公式是郎伯定律：

${\∫}_{I_0}^I\frac{\mathrm{dI}}{I}=-{\mathrm{\α}}_0{\∫}_0^l\mathrm{dx}$

光在同一吸收物质内通过同一距离时，到达该处的光能量中将有同样百分比的光能量被该层物质所吸收。可定义α为吸收系数。对于给定波长的光，吸收系数α可以认为是不变的。上式积分后可得

$I=I_0{e}^{{-\mathrm{\α}}_{0}l}$

物质的厚度l以等差级数增加时，光的强度以等比数列减弱。物质的厚度l等于1/α时的薄层时，1＝I₀/e，可使光强减少到e分之一。实验证明，这个规律在光强变化非常大时(10²)，都是正确(参见姚启钧，光学教程p410页)。实验又表明：在稀溶液中(空气中的臭氧类似稀溶液的溶质)，溶液的吸收系数与溶液的浓度C有关，即α₀＝AC。式中A是与浓度无关的常数，A＝f(λ)，它表征吸收物质的特性。因此上式又表示为

I＝I₀e^-ACl

上式又称为比尔定律。该定律仅在物质分子的吸收本领不受四周临近分子的影响才正确。由比尔定律I＝I₀e^-ACl可知，在l一定时，其光强只与AC有关。A是波长的函数。选择合适的波长λ₀，A_max＝f(λ₀)，才能有最大的A_max，光强I变化才最明显，以便于精确测量。同样，A一定时，要选择比较大的l，光强I变化才最明显，便于精确测量。

考查在正常情况下，空气中氧气含量占21％，氮气含量占78.9％。只有0.1％为惰性气体和二氧化碳气体。根据有关资料和本人的多次实验均证明，253.7nm的紫外光远离了上述这些气体分子的吸收峰。这些气体分子与臭氧相比吸收峰要小两个数量级以上。因此选择波长为253.7nm的紫外光，既远离了其它分子的吸收峰，又得到了最大的吸收系数A，比尔定律成立。

由比尔定律I＝I₀e^-ACl可知，最大的吸收系数A确定以后，便要选择较长的光程l，以利于测量光强的变化。为了得到较长的光程l，本发明人设计了反射标准具(10)。反射标准具(10)类似光学中的法布里-珀罗标准具，是由两块平行放置的高反射镜组成。假设两块平行放置的高反射镜为左右放置，在左边高反射镜的左上角留有一个紫外窗口，右边高反射镜的右下角留有一个紫外窗口。如图1所示，一束平行的紫外光以很小的入射角由左上角紫外窗口进入反射标准具后，在反射标准具内部多次来回反射，获得较长的光程l后，由右下角紫外窗口射出。假定较长的光程l全部在含臭氧气体中，由比尔定律I＝I₀e^-ACl，当入射光强I₀(253.7nm)，吸收系数A和气体溶液的光程l相对较大时，可以精确测量透射光强，便可以得出空气(溶液)的臭氧浓度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案由光学和电学两部分构成：光学部分见图1：由依次排序安装的反射镜(1)，紫外光源(2)，紫外透镜(3)，可调狭缝(4)，装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)，在装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)内部安装的反射标准具(10)，光快门(6)和光电管(7)光学连接构成光学系统。在由起点反射镜(1)到终点光电管(7)的光路中，紫外光源(2)位于反射镜(1)的球心处，且在紫外透镜(3)的物方焦平面处安装。经紫外透镜(3)射出后为一束紫外平行光。可调狭缝(4)位于紫外透镜(3)和装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)之间。装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)是立方体状气密式空腔体，该立方体状气密性空腔体的左侧左上角装有一个紫外窗口，右侧右下角装有一个紫外窗口，上侧装有一个进气口，同时下侧装有一个出气口。在该立方体气密式空腔体即装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)内部安装反射标准具(10)。反射标准具(10)类似光学中的法布里-珀罗标准具，是由两块平行放置的高反射镜组成。假设两块平行放置的高反射镜为左右放置，在左边高反射镜的左上角和右边高反射镜的右下角各留有一个紫外窗口。一束平行的紫外光以小的入射角由左上角紫外窗口进入反射标准具后，在反射标准具的内部多次来回反射，获得较长的光程l后，由右下角紫外窗口射出。使用时，选择光束与反射标准具法线的夹角(入射角)，可选择不同的光程l，从而选择不同的测量灵敏度。左边高反射镜的左上角的紫外窗口在紫外光源(2)、紫外透镜(3)和可调狭缝(4)的光轴上。紫外平行光穿过装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)后，到达光快门(6)上。光快门(6)采用触动式快门装置。工作时打开光快门(6)紫外平行光到达光电管(7)上。此时光电管(7)产生反映与臭氧浓度成反比的光电流。电学部分见图2：由依次排序安装的光电管(7)，电流智能处理装置(8)和显示装置(9)电连接组成仪器的电学部分。光电管(7)的电流输出端接电流智能处理装置(8)的输入端。电流智能处理装置(8)的输出端接显示装置(9)的输入端。显示装置(9)的输出端显示臭氧浓度值。电子镇流器提供253.7nm紫外光源(2)的恒流恒压供电。小气泵把含有臭氧的空气样品按恒流方式送入装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)中。支持电源供给光电管(7)，电流智能处理器(8)和显示装置(9)等元件的用电要求。

附图说明：

图1是本发明的光学系统图：图1中1.反射镜，2.紫外光源，3.紫外透镜，4.可调狭缝，5.装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器，10.反射标准具，6.光快门，7.光电管。由依次排序同轴安装的反射镜(1)、紫外光源(2)、紫外透镜(3)、可调狭缝(4)、装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)、在装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)内部安装的反射标准具(10)、光快门(6)、光电管(7)光学连接构成本发明的光学系统部分。图2是本发明的电路连接图：图2中7.光电管，8.电流智能处理装置，9.显示装置。由依次排序安装的光电管(7)，电流智能处理装置(8)和显示装置(9)电连接组成本发明的电学部分。

具体实施方式

在图1光学系统图中，由起点反射镜(1)到终点光电管(7)的光路中，253.7nm紫外光源(2)采用点状或棒状汞灯光源，且位于反射镜(1)的球心处或柱心处。反射镜(1)根据紫外光源(2)的形状相应采用球面反射镜或柱面反射镜。253.7nm紫外光源(2)在紫外透镜(3)f＝50mm的物方焦平面处安装。由紫外透镜(3)射出后为一束紫外平行光。可调狭缝(4)取0.1-3mm，且在紫外透镜(3)和装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)之间安装。紫外平行光通过可调狭缝(4)后，变成细细的一束紫外平行光。装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)是立方体状气密式空腔体。该立方体状气密性空腔体的左侧左上角装有一个紫外窗口，右侧右下角装有一个紫外窗口，上侧装有一个进气口，同时下侧装有一个出气口。在立方体状气密式空腔体即装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)内部安装反射标准具(10)。反射标准具类似光学中的法布里-珀罗标准具，是由两块平行放置的高反射镜组成。假设两块平行放置的高反射镜为左右放置，在左边高反射镜的左上角和右边高反射镜的右下角各留有一个紫外窗口。一束平行的紫外光以很小的入射角由左上角紫外窗口进入反射标准具后，在反射标准具内部多次来回反射，获得较长的光程1后，由右下角紫外窗口射出。两块平行放置的反射镜之间的距离取20cm，反射镜高度取10cm。反射标准具法线与光束的夹角，由装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)外部的转柄调整(校正后平时固定)。使用时，选择光束与反射标准具法线的夹角为1°，反射次数可达30次，光程1可达6m。左边高反射镜的左上角的紫外窗口在紫外光源(2)，紫外透镜(3)，可调狭缝(4)的光轴上。透过可调狭缝的细细一束紫外平行光在反射标准具内部多次(30次)反射后，由右下角的紫外窗口射出。这束紫外平行光穿过装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)后，到达光快门(6)上。光快门(6)采用触动式快门装置。工作时打开光快门(6)紫外平行光到达光电管(7)上，同时联动开关给光电管(7)加上电源，产生光电流。紫外平行光透过光电管的受光窗口，到达光电管(7)内部的电极上，产生反映与臭氧浓度成反比的光电流。光电管(7)采用紫外专用光电管。在图2电学部分中，由依次排序安装的光电管(7)、电流智能处理装置(8)和显示装置(9)电连接组成仪器是电学部分。光电管(7)电流输出端接电流智能处理装置(8)的输入端。电流智能处理装置(8)的输出端接显示装置(9)的输入端。光电管(7)产生反映与臭氧浓度成反比例的光电流。光电管(7)的光电流经过电流智能处理装置(8)处理后，显示装置(9)显示臭氧浓度值。电子镇流器提供253.7nm紫外光源(2)的恒流恒压供电。小气泵把含有臭氧的待测空气样品按恒流方式送入装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)中。支持电源供给光电管(7)，电流智能处理装置(8)和显示装置(9)等元件的用电要求。上述光学，电学元件固定在仪器箱体中。

本发明的有益效果是不用配备专用试剂，仪器操作人员可以是非化学专业人员，操作简单，可以连续测量。本发明的有益效果还有仪器制造成本低，使用费用少，仪器维护费用少，便于携带的优点。

Claims (5)

1、一种用光学吸收法测量空气中臭氧浓度的装置，其特征是：该装置由光学和电学两部分组成，其中光学部分由依次排序同轴安装的反射镜(1)、253.7nm紫外光源(2)、紫外透镜(3)、可调狭缝(4)、装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)、在装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)内部安装的反射标准具(10)、光快门(6)、光电管(7)光学连接构成；在由起点反射镜(1)到终点光电管(7)的光路中，253.7nm紫外光源(2)位于反射镜(1)的球心处，且在紫外透镜(3)的物方焦平面处安装；可调狭缝(4)位于紫外透镜(3)和装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)之间；光快门(6)在装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)和光电管(7)之间安装；光快门(6)采用触动式快门装置；电学部分由依次排序安装的光电管(7)，电流智能处理装置(8)和显示装置(9)电连接组成；光电管(7)的电流输出端接电流智能处理装置(8)的输入端：电流智能处理装置(8)的输出端接显示装置(9)的输入端。

2、根据权利要求1所述的用光学吸收法测量空气中臭氧浓度装置，其特征是：装有紫外窗口和进出气口的气密性臭氧容器(5)是立方体状气密性空腔体；该立方体状气密性空腔体的左侧左上角装有一个紫外窗口，右侧右下角装有一个紫外窗口，上侧装有一个进气口同时下侧装有一个出气口。

3、根据权利要求1所述的用光学吸收法测量空气中臭氧浓度装置，其特征是：反射标准具(10)是由两块平行放置的高反射镜组成；两块平行放置的高反射镜为左右放置，在左边高反射镜的左上角留有一个紫外窗口，在右边高反射镜的右下角留有一个紫外窗口。

4、根据权利要求1所述的用光学吸收法测量空气中臭氧浓度装置，其特征是：该装置中的253.7nm紫外光源(2)采用253.7nm的汞灯光源。

5、根据权利要求1所述的用光学吸收法测量空气中臭氧浓度装置，其特征是：该装置中的253.7nm紫外光源(2)采用点状或棒状汞灯光源，且位于反射镜(1)的球心处或柱心处；反射镜(1)根据253.7nm紫外光源(2)形状采用球面或柱面反射镜。

Images