CN101256140A - 同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法。本发明涉及气体浓度监测装置，它解决了只能测量单一种类气体浓度、测量浓度慢、反应不灵敏、操作复杂、成本较高、设备维护繁琐的问题。装置中的氘灯发射的紫外光束传输到准直透镜的光路输入端，准直透镜的光路输出端输出的平行光传输到样品池的光线入射窗口，样品池的光线出射窗口射出的光束照射到滤光片上，滤光片将光束反射到会聚透镜的光路输入端，会聚透镜的光路输出端输出的光束传输到光谱仪的光路接收端，光谱仪的数据信号输出端连接计算机的数据输入端。数据通过上述公式最后得到二氧化硫和一氧化氮气体的浓度。本发明具有浓度测量快、反应灵敏、维护简单和成本低的优点。

Description

同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种气体浓度监测装置，具体涉及应用宽带光谱技术同时监测两种气体浓度的便携装置。

背景技术

我国是一个煤炭拥有量的大国，同时也是一个煤炭消耗大国。我国的能源主要以煤炭为主，但是煤炭燃烧会产生大量的二氧化硫和氮氧化物，对环境造成严重危害。气体污染监测仪器有在线式和便携式两种。现有便携式监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的设备主要是基于电化学测量技术；应用电化学方法测量的气体浓度监测仪可以单独测量多种污染气体的浓度，但是由于是基于一系列化学反应的测量方法，因此存在着浓度测量慢、反应不灵敏、化学反应操作复杂、设备维护繁琐和投入成本较高等弊端。

发明内容

本发明是为了解决现有便携式电化学监测设备所存在的只能测量单一种类气体浓度，且测量浓度慢、反应不灵敏、操作复杂、成本较高的缺点、以及设备维护繁琐的问题，而提出的一种同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法。

同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置，它由氘灯1、准直透镜2、样品池3、滤光片4、会聚透镜5、光谱仪6和计算机7组成；氘灯1发射的紫外光束传输到准直透镜2的光路输入端，准直透镜2的光路输出端输出的平行光传输到样品池3的光线入射窗口，样品池3的光线出射窗口射出的光束照射到滤光片4上，滤光片4将光束反射到会聚透镜5的光路输入端，会聚透镜5的光路输出端输出的光束传输到光谱仪6的光路接收端，光谱仪6的数据信号输出端连接计算机7的数据输入端。

同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置的测量方法，其特征在于它的步骤如下：

步骤一、氘灯1发出紫外光经过准直透镜2后变为平行光线入射到含有二氧化硫和一氧化氮混合气体的样品池3，样品池3中的二氧化硫和一氧化氮吸收紫外光；

步骤二、从样品池3射出的剩余的紫外光经滤光片4反射到会聚透镜5上进行聚焦，聚焦后的反射光被光谱仪6接收，光谱仪6将光信号转换成电信号后送入计算机7；

步骤三、计算机7对光谱仪6送入的数据信号进行计算处理，根据公式：

$N_{{\mathrm{SO}}_2}=\frac{\mathrm{\Σ}\left|\ln C\right|}{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SO}}_2}-{\mathrm{\σ}}_0|L},$ $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{{\mathrm{SO}}_2}L};$

$N_{\mathrm{NO}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(-\ln C)}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NO}}\·L},$ $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{\mathrm{NO}}L};$

在公式 $N_{{\mathrm{SO}}_2}=\frac{\mathrm{\Σ}\left|\ln C\right|}{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SO}}_2}-{\mathrm{\σ}}_0|L}$ 中，N_SO2为被测二氧化硫气体的浓度，

为二氧化硫气体的吸收截面，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面，L是样品池的长度；C由公式 $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{{\mathrm{SO}}_2}L}$ 求得，其中I是光谱仪接收的光强度，I₀是氘灯发出的紫外光的原始强度，R是消光系数，N_SO2为被测二氧化硫气体的浓度，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面；在公式 $N_{\mathrm{NO}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(-\ln C)}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NO}}\·L}$ 中，N_NO为被测一氧化氮气体的浓度，σ_NO是一氧化氮气体的吸收截面，L是样品池的长度；C由公式 $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{\mathrm{NO}}L}$ 求得；其中I是光谱仪接收的光强度，I₀是氘灯发出的紫外光的原始强度，R是消光系数，N_NO为被测一氧化氮气体的浓度，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面；最后得到二氧化硫和一氧化氮气体的浓度。

本发明的有益效果：本发明具备的浓度测量快、反应灵敏和投入成本较低的优点，而且它利用一只氘灯做光源，单气室，和一个光谱仪，达到了同时监测两种气体浓度的目的，结构简单，容易操作，体积小、测量精度高和稳定性好的优异性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；图2为二氧化硫的吸收光谱；图3为一氧化氮的吸收光谱。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，它由氘灯1、准直透镜2、样品池3、滤光片4、会聚透镜5、光谱仪6和计算机7组成；氘灯1发射的紫外光束传输到准直透镜2的光路输入端，准直透镜2的光路输出端输出的平行光传输到样品池3的光线入射窗口，样品池3的光线出射窗口射出的光束照射到滤光片4上，滤光片4将光束反射到会聚透镜5的光路输入端，会聚透镜5的光路输出端输出的光束传输到光谱仪6的光路接收端，光谱仪6的数据信号输出端连接计算机7的数据输入端。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤如下：

步骤一、氘灯1发出紫外光经过准直透镜2后变为平行光线入射到含有二氧化硫和一氧化氮混合气体的样品池3，样品池3中的二氧化硫和一氧化氮吸收紫外光；

步骤二、从样品池3射出的剩余的紫外光经滤光片4反射到会聚透镜5上进行聚焦，聚焦后的反射光被光谱仪6接收，光谱仪6将光信号转换成电信号后送入计算机7；

步骤三、计算机7对光谱仪6送入的数据信号进行计算处理，根据公式：

$N_{{\mathrm{SO}}_2}=\frac{\mathrm{\Σ}\left|\ln C\right|}{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SO}}_2}-{\mathrm{\σ}}_0|L},$ $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{{\mathrm{SO}}_2}L};$

$N_{\mathrm{NO}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(-\ln C)}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NO}}\·L},$ $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{\mathrm{NO}}L};$

在公式 $N_{{\mathrm{SO}}_2}=\frac{\mathrm{\Σ}\left|\ln C\right|}{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SO}}_2}-{\mathrm{\σ}}_0|L}$ 中，N_SO2为被测二氧化硫气体的浓度，

为二氧化硫气体的吸收截面，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面，L是样品池的长度；C由公式 $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{{\mathrm{SO}}_2}L}$ 求得，其中I是光谱仪接收的光强度，I₀是氘灯发出的紫外光的原始强度，R是消光系数，N_SO2为被测二氧化硫气体的浓度，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面；在公式 $N_{\mathrm{NO}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(-\ln C)}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NO}}\·L}$ 中，N_NO为被测一氧化氮气体的浓度，σ_NO是一氧化氮气体的吸收截面，L是样品池的长度；C由公式 $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{\mathrm{NO}}L}$ 求得；其中I是光谱仪接收的光强度，I₀是氘灯发出的紫外光的原始强度，R是消光系数，N_NO为被测一氧化氮气体的浓度，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面；最后得到二氧化硫和一氧化氮气体的浓度。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同点在于步骤一中的氘灯1发射紫外光波长为190nm～400nm。其它参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同点在于步骤二中采用的滤光片4为反射波长为240nm以下全部紫外光，并反射30％波长为240nm以上紫外光的滤光片。其它参数与具体实施方式二相同。由于样品池3两侧的准直透镜2和会聚透镜5对210～230nm的紫外光吸收比较强烈，为了达到准确测量的目的，使用所述参数的滤光片进行调解，使光谱仪接收到的各波长的光强度基本一致，降低测量误差。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同点在于步骤二中光谱仪6为采集光谱210nm～320nm的光谱仪。其它参数与具体实施方式二相同。

工作原理：结合图2、图3说明本发明的工作原理，氘灯发出的紫外光通过被测二氧化硫和一氧化氮混合气体吸收后，紫外光在290～310nm波段出现明显减弱现象，此现象是由二氧化硫吸收产生的；紫外光在220～230nm波段之间也出现光强减弱现象，这是由于二氧化硫和一氧化氮吸收产生的，而一氧化氮主要吸收光强在226nm的紫外光。因此，我们可以通过紫外光在300nm附近波段的吸收情况测量二氧化硫的浓度，通过紫外光在226nm处的吸收情况和已测二氧化硫的浓度来测出一氧化氮的浓度。计算机内含有根据比尔-朗伯定律编写的程序软件。含有根据比尔-朗伯定律编写的程序软件能根据公式I(λ)＝RI₀(λ)e^-Nσ(λ)L，其中I(λ)是光谱仪接收的波长为λ的光强度，I₀(λ)是氘灯发出的波长为λ的光的原始强度，R是消光系数，N为气体的浓度，σ(λ)为气体在波长λ处的吸收截面，L为气体的长度，分析、计算并显示二氧化硫和一氧化氮气体的浓度；并且可以排除一氧化氮的测量中二氧化硫对一氧化氮的干扰。

Claims (5)

1、同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置，其特征在于它由氘灯(1)、准直透镜(2)、样品池(3)、滤光片(4)、会聚透镜(5)、光谱仪(6)和计算机(7)组成；氘灯(1)发射的紫外光束传输到准直透镜(2)的光路输入端，准直透镜(2)的光路输出端输出的平行光传输到样品池(3)的光线入射窗口，样品池(3)的光线出射窗口射出的光束照射到滤光片(4)上，滤光片(4)将光束反射到会聚透镜(5)的光路输入端，会聚透镜(5)的光路输出端输出的光束传输到光谱仪(6)的光路接收端，光谱仪(6)的数据信号输出端连接计算机(7)的数据输入端。

2、同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置的测量方法，其特征在于它的步骤如下：

步骤一、氘灯(1)发出紫外光经过准直透镜(2)后变为平行光线入射到含有二氧化硫和一氧化氮混合气体的样品池(3)，样品池(3)中的二氧化硫和一氧化氮吸收紫外光；

步骤二、从样品池(3)射出的剩余的紫外光经滤光片(4)反射到会聚透镜(5)上进行聚焦，聚焦后的反射光被光谱仪(6)接收，光谱仪(6)将光信号转换成电信号后送入计算机(7)；

步骤三、计算机(7)对光谱仪(6)送入的数据信号进行计算处理，根据公式：

$N_{{\mathrm{SO}}_2}=\frac{\mathrm{\Σ}\left|\ln C\right|}{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SO}}_2}-{\mathrm{\σ}}_0|L},$ $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{{\mathrm{SO}}_2}L};$

$N_{\mathrm{NO}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(-\ln C)}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NO}}\·L},$ $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{\mathrm{NO}}L};$

在公式 $N_{{\mathrm{SO}}_2}=\frac{\mathrm{\Σ}\left|\ln C\right|}{\mathrm{\Σ}|{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{SO}}_2}-{\mathrm{\σ}}_0|L}$ 中，N_SO2为被测二氧化硫气体的浓度，

为二氧化硫气体的吸收截面，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面，L是样品池的长度；C由公式 $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{{\mathrm{SO}}_2}L}$ 求得，其中I是光谱仪接收的光强度，I₀是氘灯发出的紫外光的原始强度，R是消光系数，N_SO2为被测二氧化硫气体的浓度，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面；在公式 $N_{\mathrm{NO}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(-\ln C)}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NO}}\·L}$ 中，N_NO为被测一氧化氮气体的浓度，σ_NO是一氧化氮气体的吸收截面，L是样品池的长度；C由公式 $C=\frac{I}{I_{0}R}{e}^{{\mathrm{\σ}}_0{N}_{\mathrm{NO}}L}$ 求得；其中I是光谱仪接收的光强度，I₀是氘灯发出的紫外光的原始强度，R是消光系数，N_NO为被测一氧化氮气体的浓度，σ₀为对290～310nm波段的吸收光谱进行多项式拟合后对应的吸收截面；最后得到二氧化硫和一氧化氮气体的浓度。

3、根据权利要求2所述的同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置的测量方法，其特征在于步骤一中的氘灯(1)发射紫外光波长为190nm～400nm。

4、根据权利要求2所述的同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置的测量方法，其特征在于步骤二中采用的滤光片(4)为反射波长为240nm以下全部紫外光，并反射30％波长为240nm以上紫外光的滤光片。

5、根据权利要求2所述的同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置的测量方法，其特征在于步骤二中光谱仪(6)为采集光谱210nm～320nm的光谱仪。

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