CN101526472B - 智能紫外气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能紫外气体分析仪。该智能紫外气体分析仪由紫外光源、窄带干涉滤光片、测量气室、参比侧光电检测器和测量侧光电检测器组成，在紫外光源的出口处的侧边设有一可旋转的切光轮，在该切光轮的两端分别设有可通过切光轮的旋转而轮流置于紫外光源的出口处的气体滤光器和透紫玻璃。本发明可以对烟道主要构成气体SO₂、NO_x、H₂S的含量进行精确实时测量，实现0～100PPm的较低量程、较高灵敏度和较好的稳定性，该智能紫外气体分析仪的寿命可达8年～10年。

Description

智能紫外气体分析仪

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，具体地说，本发明是一种智能紫外气体分析仪。该智能紫外气体分析仪用于对排放到大气中的二氧化硫、硫化氢及氮氧化物的含量进行测量。

背景技术

目前，由于经济持续快速发展，导致电力和煤炭能源的需求不断上升，使得我国的二氧化硫、硫化氢及氮氧化物排放量也持续上升，排放到大气中的这些气体会对自然生态环境和人民生存环境造成直接的、严重的影响。

而每年我国为这些排放物造成的经济损失要付出上千亿元的代价，从可持续发展战略和改善民生环境的角度考虑，近年我国出台环保法规，规定了关于烟道气排放量的明确指标，并实行排污收费。因此，作为工厂和环保监测部门的眼睛-烟道气在线分析仪的研制就势在必行。

目前在工厂内运行的在线分析仪表主要是基于红外和紫外吸收以及紫外荧光等方式。

其中采用红外吸收检测原理的仪表，由于监测原理的限制，此种方法的检测出限较低，仪器稳定性较差，干扰能力尤其是抗背景气干扰能力较差，从而限制了红外线气体分析仪在某些特殊场合的应用。

中国实用新型专利第02265522.0号公开了一种双光束紫外检测仪，该双光束紫外检测仪由紫外光源、干涉滤光片、样品池和光电转换装置组成，光电转换装置包括一个样品光电转换器件和一个参比光电转换器件。紫外光源、干涉滤光片、样品池和光电转换器件均固定设置在一个仪器壳体中，干涉滤光片通过支架设置在紫外光源的前面，样品池设置在干涉滤光片和样品光电转换器件之间；在干涉滤光片和参比光电转换器件之间，设置有光的通道。本实用新型采用了双光束测量原理，所以有效地克服了由于温度变化、湿度变化、电源电压变化、滤光片变化等各种原因引起的测量结果的误差。

此实用新型的主要应用方向是色谱工作站的检测，主要讲述了仪器的硬件结构，没有对具体的双光路的理论算法进行说明，总的来说，尚没有成熟的、结构合理、安装方便、使用效果好、使用寿命长的紫外分析仪出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能紫外气体分析仪。该智能紫外气体分析仪具有结构合理，安装方便，使用效果好的特点。

为解决烟道气在线分析仪以上各种应用上的问题，本发明提出一种智能紫外气体分析仪，在可以获得原始入射光强的条件下进行气体浓度检测，数据的处理上采用双除法电路，直接获得与被测气体浓度有固定对应关系的电压或电流信号。仪器结构简单，成本较低，检测速度较快，检测限低，稳定性高，光源寿命长，软件实现和数据处理简单。

为了实现上述的发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能紫外气体分析仪，由紫外光源、干涉滤光片、测量气室、参比侧光电检测器和测量侧光电检测器组成，本发明的改进在于：在紫外光源的出口处的侧边设有一可旋转的切光轮，在该切光轮的两端分别设有可通过切光轮的旋转而轮流置于紫外光源的出口处的气体滤光器和透紫玻璃，该气体滤光器的内部充有被测气体。

所述的紫外光源采用氙气闪烁灯或者空心阴极灯，使用检测配合技术，采用脉冲调制供电方式，可使紫外光源寿命达到8~10年。

在所述的光分配器内设有用于对入射光进行比例分配的部分反射镜片。部分反射镜片将入射紫外光分成双光束，一部分进入测量边，一部分进入参比边，采用多反射少投射镜片，可以提高进入测量边的光强度，提高仪器灵敏度。

在所述的光分配器内设有将紫外光调整为平行光的调整透镜。调整透镜将紫外光源发出的紫外光调制成平行光进入测量边，可以使气体均匀吸收紫外光，提高灵敏度。

所述的参比侧光电检测器是参比边信号光电检测器，可以是光电倍增管或光电二极管阵列。

所述的测量侧光电检测器是用于测量边信号的光电检测器，可以是光电倍增管或光电二极管阵列。

本发明所述的仪器实现的理论基础如下：

基本原理采用Beer-Lambert（BL）定律，实际使用的均是修正过的BL吸收定律：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)\exp \left[(-L\left(\mathrm{\Σ}\left({\mathrm{\σ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)c_i\right)\right)+{\mathrm{\ϵ}}_R\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_M\left(\mathrm{\λ}\right))\right]$

其中ε_R(λ)为简化的瑞利散色（空气分子的散色）引起的消光系数；

ε_M(λ)为简化米（Mie）散色引起的消光（也就是气溶粒子。烟尘的散色）系数；

I₀(λ)为测量样品的入射光强；

I(λ)为测量样品的出射光强；

第i种物质的吸收系数和浓度分别用σ_i(λ)和c_i表示；

L表示吸收光程；

本发明是在可以获得I₀(λ)的情况下进行测量的。

首先，将第i种吸光物质的吸收截面σ_i(λ)分成两项：

σ_i(λ)=σ_i0(λ)+σ'_i(λ)

σ_io(λ)表示随波长变化缓慢变化的吸收截面的“宽带”光谱部分（低频）；第二项，即差分吸收截面积σ'_i(λ)，表示随波长变化快速变化的吸收截面“窄带”光谱部分(高频)，并且消光系数(Ryaleihg和Mie)也表现为随波长变化而慢速变化。

因此有下式成立：

$I\left(\text{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)\·\exp [-L\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_i^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)c_i]\·\exp [-L\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{i0}\left(\mathrm{\λ}\right)c_i]\·A\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中，A(λ)为光学系统的传递函数。

定义变量I′₀表示不包含差分吸时的光强:

${I_0}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)\exp [-L\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{i0}\left(\mathrm{\λ}\right)c_i}\right)]$

因此，I′₀(λ)是指透射光强中慢速变化的部分，即消光、烟气紊乱、气体的“宽带”吸收结构。将此式带入上式得出：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)\·\exp [-L\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)c_i\right)]\·[I_0^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)/I_0\left(\mathrm{\λ}\right)]$

进而可以得出下式：

$\frac{I\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}/\frac{I_0^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}=\exp [-L\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)c_i]$

可以通过测量

和推算被测气体浓度c_i。

本发明的主要优点：

对烟道主要构成气体SO₂、NO_x、H₂S的含量进行测量，实现0~100PPm的较低量程、较高灵敏度和较好的稳定性，该智能紫外气体分析仪的寿命可达8年~10年。只要经过单部件的更换就可以实现在紫外光波段具有明显吸收峰值的气体的检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：1.紫外光源；2.切光马达；3.气体滤光器；4.切光轮；5.透紫玻璃；6.调整透镜；7.窄带干涉滤光片；8.部分反射镜片；9.测量气室；10.参比侧光电检测器；11.测量侧光电检测器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的紫外分析仪由紫外光源1、窄带干涉滤光片7、测量气室9、参比侧光电检测器10和测量侧光电检测器11组成，在紫外光源1的出口处的侧边设有一可旋转的切光轮4，在该切光轮4的两端分别设有气体滤光器3和透紫玻璃5。气体滤光器3和透紫玻璃5可根据实际测量时进光的需要，通过切光轮4的旋转而轮流置于紫外光源1的出口处。切光马达2为切光轮4提供动力。

紫外光源1采用氙气闪烁灯。

在所述的测量气室9内设有用于增加反射光的部分反射镜片8。

在所述的测量气室9内设有将紫外光调整为平行光的调整透镜6。

仪器结构各部分的结构和功能如下：

紫外光源1：发送180nm~700nm波段紫外光，由闪烁氙灯或调制脉冲供电的空心阴极灯构成。

切光马达2：用于将滤光片在不同的时序切入光路中。

气体滤光器3：内部充有一定量的被测气体，用于吸收入射光有效部分，而将干扰部分透过。

切光轮4：气体滤光器的承载体。

透紫玻璃5：将紫外波段光透过，进入测量和参比室。

调整透镜6：将紫外光源发出的紫外光调制成平行光进入测量边，可以使气体均匀吸收紫外光，提高灵敏度。

窄带干涉滤光片7：用于滤出测量需要波段的紫外光。

部分反射镜片8：将入射紫外光分成双光束，一部分进入测量边，一部分进入参比边，采用多反射少投射镜片，可以提高进入测量边的光强度，提高仪器灵敏度。

测量气室9：作为测量气体的测量池，测量气室9布置于所述切光轮4、参比侧光电检测器10和测量侧光电检测器11之间。

参比侧光电检测器10：参比边信号光电检测器，在本实施例1中采用光电二极管阵列。

测量侧光电检测器11：测量边信号光电检测器，在本实施例1中采用光电二极管阵列。

由气体滤光器3和透紫玻璃5构成的切光轮4是本分析仪器正常工作的重要部件，当充有一定浓度的被测气体的气体滤光器3切入光路中时（记为T1时刻），由紫外光源1发射的光被气体滤光器3吸收，出射部分的光既是不包括差分吸收的光（I₀′），此时测量气室9的入射光强为F·I₀′（F为部分反射镜片的反射率），则需要测量的

同理当透紫玻璃5切入光路时（记为T2），可得出

进而得出以下结论：

$\frac{I\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}/\frac{I_0^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{I_{x1}/I_{x2}}{I_{y1}/I_{y2}}=\exp [-L\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)c_i]$

其中：I_x1与I_x2分别为T1时刻测量侧光电检测器11和参比侧光电检测器10的测量输出信号，I_y1和I_y1分别为T2时刻测量侧光电检测器11和参比侧光电检测器10的测量输出信号，均为可测量。由公式可以看出此气体浓度计算方法有以下优点：

将部分反射镜片8的反射率的不稳定性和不一致性消除，在很大程度上减小了系统误差。

在可以获得原始入射光强的条件下进行了差分吸收测量，灵敏度很高，检出限低。

对入射光强和出射光强在同一时刻进行采样，降低了由于光源随时间变化引起的误差。

电路中只需进行双除法电路设计，即可以满足电压或电流信号与气体浓度的对应计算公式。

实施例2

其它结构与实施例1相同，不同之处在于：紫外光源1采用空心阴极灯，参比侧光电检测器10和测量侧光电检测器11均采用光电倍增管。

本发明解决了现有紫外线烟道气在线分析仪紫外光源寿命短，测量结果受环境温度变换，气样灰尘干扰和非测量气体干扰严重的问题。

由于本发明独特的仪器测量原理，使得本发明的仪器无需采用光栅结构，光学结构较简单，同时保证较高可靠性和较低的检出限，仪器成本较低。

以上对本发明所提供的智能紫外气体分析仪进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种智能紫外气体分析仪，由紫外光源、窄带干涉滤光片、测量气室、切光轮、气体滤光器、透紫玻璃、参比侧光电检测器和测量侧光电检测器组成，所述紫外光源发送180nm-700nm波段紫外光，所述窄带干涉滤光片用于滤出测量需要波段的紫外光，所述测量气室为测量气体的测量池，所述测量气室布置于所述切光轮、参比侧光电检测器和测量侧光电检测器之间，其特征在于：在紫外光源的出口处的侧边设有一可旋转的所述切光轮，所述气体滤光器和透紫玻璃分别布置在该切光轮的两端，并可通过切光轮的旋转而轮流置于紫外光源的出口处，该气体滤光器的内部充有被测气体，用于吸收入射光有效部分，而将干扰部分透过。

2.根据权利要求1所述的智能紫外气体分析仪，其特征在于：所述的紫外光源是氙气闪烁灯或者空心阴极灯。

3.根据权利要求1所述的智能紫外气体分析仪，其特征在于：在所述的测量气室内设有用于对入射光进行比例分配的部分反射镜片。

4.根据权利要求1所述的智能紫外气体分析仪，其特征在于：在所述的测量气室内设有将紫外光调整为平行光的调整透镜。

5.根据权利要求1所述的智能紫外气体分析仪，其特征在于：所述的参比侧光电检测器是光电倍增管或光电二极管阵列。

6.根据权利要求1所述的智能紫外气体分析仪，其特征在于：所述的测量侧光电检测器是光电倍增管或光电二极管阵列。

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