CN104155251B - 一种臭氧发生及监测模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种臭氧发生及监测模拟系统，包括支撑结构以及设置在支撑结构上的与气源连通的配气子系统、用于产生臭氧的高压放电装置、控制臭氧温度的温控子系统、用于对臭氧浓度进行监测的在线监测子系统以及电源模块，所述配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统之间依次通过密闭管路连接；所述电源模块分别通过导线与配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接。本发明结构简单、操作方便，适用于实验室中进行臭氧浓度的产生和实时在线监测。

Description

一种臭氧发生及监测模拟系统

技术领域

本发明涉及环境在线监测技术领域，特别是一种能够产生臭氧并对所产生的臭氧浓度进行在线监测的装置。

背景技术

臭氧是氧气的同素异形体，是一种具有特殊臭味的淡蓝色气体，在常温常压下稳定性较差，在常温下可分解为氧气。臭氧的功能很多，可用于净化食物、饮用水、空气，除臭，消毒灭菌，果蔬保鲜以及洗浴美容保健等；具体应用在医学领域中，可广泛应用于妇科治疗方面；应用在农业方面，可用于防治病虫害、清除食物上残留的农药等；应用在工业领域，可用于漂白面粉、纸浆、处理工业废物等；应用在电力系统领域，则可对高压开关柜等封闭箱体中的局部放电现象进行在线监测、以及时反映封闭箱体中各设备的绝缘状态，防止由于局部放电造成的设备绝缘劣化进一步导致电气设备故障现象的发生。

臭氧的制备多是借助无声放电作用从氧气或空气制备，臭氧发生器即是根据这一原理制造。臭氧在应用过程中，由于臭氧具有强烈的刺激性，吸入过量对人体健康有一定危害，因此需要对制造臭氧的浓度进行实时监测，体现在电力系统领域，则需要根据检测封闭箱体中臭氧的浓度来反应各设备的绝缘状态。

臭氧浓度的监测方法有化学法、物理法以及物理化学方法；其中化学法分为碘量法、比色法等；物理方法有紫外光吸收法等；物理化学方法有化学发光法以及IDS分光光度法等。化学法和物理化学法测量过程繁杂，应用受到限制，而物理方法中的紫外光吸收法是以Beer-Lambert定律为基础，利用臭氧在波长为253.7nm处具有最大的吸收值来对其浓度进行的监测，主要优点是可以进行非接触式监测，避免因为化学反应而降低监测的准确度，并且由于紫外光吸收法测量周期短，非常适用于实时在线监测。

尽管目前臭氧的制备技术以及臭氧浓度的监测技术都较为成熟，然而臭氧制备设备以及臭氧浓度监测设备则多为独立设置的设备，结构较为复杂、空间占用体积较大、操作也较为不便，使用时需要根据使用及监测环境进行现场组装，影响臭氧浓度监测的准确性。另外，在实验室中，目前还没有一种能够同时进行臭氧产生和模拟不同温度下臭氧浓度监测的设备。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便，适用于实验室的臭氧发生及监测模拟系统，用于实现对臭氧浓度的准确产生和实时在线监测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种臭氧发生及监测模拟系统，包括支撑结构以及设置在支撑结构上的与气源连通的配气子系统、用于产生臭氧的高压放电装置、控制臭氧温度的温控子系统、用于对臭氧浓度进行监测的在线监测子系统以及电源模块；所述配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统之间依次通过密闭管路连接；所述电源模块分别通过导线与配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接。

上述臭氧发生及监测模拟系统，所述配气子系统包括安装在支撑结构上的气泵以及用于控制气体流量的流量计；所述气泵通过进气嘴连通气源，流量计设置在气泵的输出管路上；所述电源模块的输出端分别与气泵和流量计的电源端连接。

上述臭氧发生及监测模拟系统，所述高压放电装置包括安装在支撑结构上的高压放电室以及风扇，所述风扇通过支撑架架设在高压放电室的上方；所述高压放电室的进气口通过封闭管路与配气子系统的输出管路连通。

上述臭氧发生及监测模拟系统，所述温控子系统包括水浴锅以及设置在水浴锅中心的封闭的水浴瓶，所述水浴锅内靠近侧壁的位置设置有通过密闭管路与高压放电室出气口连通的水浴进气管，水浴进气管在水浴锅内自水浴瓶底端向上环水浴瓶环绕设置，水浴进气管的底端伸入水浴瓶的底部；水浴瓶的端盖上设置有水浴出气管。

上述臭氧发生及监测模拟系统，所述在线监测子系统包括吸收池、数据采集器、光谱仪以及计算机，所述吸收池入气口通过封闭管路与温控子系统的水浴出气管连通，吸收池出气口连通大气；吸收池位于入气口的前端设置有光源，数据采集器设置在吸收池设置出气口的末端；所述吸收池的前端以及吸收池的末端分别设置一与光源射向吸收池的光线相垂直的透镜，所述透镜与吸收池密封连接，吸收池入气口和吸收池出气口均位于前端透镜与末端透镜之间；所述数据采集器通过RS232连接光谱仪配套使用，光谱仪通过RS232再与计算机连接。

本发明中使用的光谱仪为三光栅单色仪。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下：

本发明通过气泵提供气源，通过流量计控制气体流量，气体进入高压放电室后被电击产生臭氧，臭氧随后进入水浴锅，通过控制温度产生特定浓度的臭氧气体，后送入吸收池，通过光源和数据采集器相配合测定空气中臭氧的浓度，最后通过计算机进行分析和显示；具有结构简单、操作方便、测量精度高、测量速度快的特点。

附图说明

图1为本发明的测量原理框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明所述温控子系统的结构示意图；

图4为臭氧吸收截面变化曲线与标准谱线图。

图中各标号表示为：1、配气子系统，11、气泵，12、流量计，13、输出管路，2、高压放电装置，21、高压放电室，22、风扇，23、支撑架，3、温控子系统，31、水浴锅，32、水浴瓶，33、水浴进气管，34、水浴出气管，4、在线监测子系统，41、吸收池，42、数据采集器，43、计算机，44、光源，45、透镜，46、吸收池入气口，47、吸收池出气口，48、光谱仪，5、电源模块。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明应用在实验室中，用于产生臭氧并模拟不同温度下臭氧浓度的监测。臭氧发生及监测模拟系统包括支撑结构以及设置在支撑结构上的配气子系统1、高压放电装置2、温控子系统3、在线监测子系统4以及电源模块5，所述配气子系统与气源连通，用于向高压放电装置输送定量气体，气体可为大气或者氧气等；高压放电装置用于产生臭氧；温控子系统用于控制臭氧的温度；在线监测子系统用于对臭氧的浓度进行实时监测，电源模块用于为系统中的各用电设备供电，本发明中的配气子系统1、高压放电装置2、温控子系统3以及在线监测子系统4之间依次通过密闭管路连接；电源模块分别通过导线与配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接。本发明各设备间的连接关系如图1和图2所示。

本发明配气子系统1包括安装在支撑结构上的气泵11以及用于控制气体流量的流量计12，其中气泵通过进气嘴连通气源，流量计设置在气泵的输出管路13上。本发明电源模块的输出端分别与气泵11和流量计12的电源端连接，为气泵和流量计提供工作电源。本实施例中气泵采用德国CCI公司生产的型号为BY-208A的采样泵。

本发明高压放电装置2包括安装在支撑结构上的高压放电室21以及风扇22，风扇22通过支撑架23架设在高压放电室21的上方；高压放电室21的进气口通过封闭管路与配气子系统1的输出管路13连通。

本发明温控子系统3的结构如图3所示，包括水浴锅31以及设置在水浴锅31中心的封闭的水浴瓶32，水浴锅内靠近侧壁的位置设置有通过密闭管路与高压放电室出气口连通的水浴进气管33，水浴进气管33在水浴锅内自水浴瓶底端向上环水浴瓶环绕设置，水浴进气管的底端伸入水浴瓶的底部；水浴瓶的端盖上设置有水浴出气管34。水浴瓶的设置作用有二，其一会对产生的臭氧起到储存作用，以保证进入在线监测子系统的臭氧量充足，使该温度下的臭氧量足以充入吸收池内进行后续实验和数据采集，使检测结果稳定；其二是能够在很短时间内迅速将臭氧加热到预设温度值。

本发明在线监测子系统4包括吸收池41、数据采集器42、光谱仪48、计算机43、光源44以及透镜45，吸收池入气口46通过封闭管路与温控子系统的水浴出气管34连通，吸收池出气口47连通大气；光源44设置在吸收池41位于入气口的前端，数据采集器42和光谱仪48设置在吸收池41设置出气口的末端；计算机独立设置，并通过数据线连接数据采集器的输出端，数据采集器的输入端连接光谱仪的输出端；计算机还与光谱仪连接，用于根据设置的波段调整光谱仪的出射波长。透镜共设置两块，分别设置在吸收池41的前端以及吸收池的末端，透镜与光源射向吸收池的光线相垂直，透镜与吸收池内壁之间密封连接，吸收池入气口和吸收池出气口均位于前端透镜与末端透镜之间。

本实施例中的数据采集器采用北京赛凡光电仪器有限公司生产的型号为7IDA1的数据采集器，三光栅单色仪的型号为71SWS501。光源采用波段在200nm～300nm之间的高压氙气灯。

本发明的工作过程如下所述：

打开电源模块，系统开始工作，设定水浴锅的温度值；带温度稳定后，打开气泵，气体从室内进入气泵加压后输送至高压放电室。在气体进入高压放电室之前的气泵输出管路上设置的流量计可以对进入高压放电室的流量进行精确控制。

气体在高压放电室内被电击产生臭氧，臭氧通过密闭管路送入水浴锅的水浴进气管，在水浴锅内进行臭氧的温度控制。臭氧在预先设定的水浴锅内的温度环境下发生特定比例的裂解，产生特定浓度的臭氧，之后进入在线监测子系统等待被监测。

特定浓度的臭氧自吸收池入气口进入吸收池之后通过吸收池出气口排入大气。特定浓度的臭氧在吸收池经过时，高压氙气灯发出的光经透镜聚焦向吸收池发射，臭氧在波长为253.7nm光线照射下会被吸收；经过吸收池的光再经透镜聚焦，此时位于吸收池后端的三光栅单色仪即可采集到臭氧被吸收后的光谱。当一束复合光线进入三光栅单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)，利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝，此时，计算机能够根据事先设置的波段精确地控制三光栅单色仪的出射波长，然后再由数据采集器进行数据采集。数据采集器将光谱信息转换成计算机可以接收的信号后输入到计算机，计算机根据采集的实际数据依靠Matlab软件绘图，并基于此编写相应的Matlab程序，根据差分吸收光谱法(DOAS)对数据进行多项式拟合，得到臭氧吸收截面与吸光度变化曲线，将臭氧吸收截面变化曲线与标准谱线图(如图4所示)进行比较，确定该实验系统可行，并结合吸光度曲线进行计算即可得出特定温度下的臭氧浓度值。

差分吸收光谱法基于Beer-Lambert气体吸收定律，其表达式如下：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\left(\mathrm{\λ}\right)e^{\[{\Σ}_{i=0}\left(C_{i\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σ}}_i\right(\mathrm{\λ}\left)\right)L\]}---(1-1)$

其中I_o(λ)为光源发射的初始光强；I(λ)为通过一定长度的吸收池后的光强；C_iλ为在波长λ下的不同种类i气体的浓度；σ_i(λ)为混合气体中的一种气体在波长为λ处的吸收截面；L为吸收池的长度。

σ_i(λ)可从实验获得，也可以从文献上得到，只要获得σ_i(λ)，便可以根据某一波长的吸光度衡量气体的浓度：

${\Σ}_{i=0}\left(C_{i\mathrm{\λ}}{\mathrm{\σ}}_i\right(\mathrm{\λ}\left)\right)L=-\ln \left(\frac{I\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}\right)\≡D\left(\mathrm{\λ}\right)---(1-2)$

由于光源发光的不稳定以及在大气中一般存在着各种散射如米散射、瑞利散射等，很难得到稳定的初始光强I_o(λ)，因此可以将吸收截面分为随波长快变化部分和慢变化部分。

差分吸收截面定义为随波长快变化的部分，它主要是由气体分子的特征吸收造成的，可以通过模拟来得到初始光谱：

σ_i(λ)＝σ_i0(λ)+σ_i′(λ) (1-3)

其中σ_i0(λ)为随波长快变化的吸收截面，主要是由于瑞利散射和米散射以及分子对于光的慢变化吸收造成，而σ_i(λ)为差分吸收截面，主要是由分子的特征吸收造成。

D′(λ)＝L∑_i＝1σ_i(λ) C_iλ (1-4)

其中D′(λ)为差分吸光度，为随波光快变化部分的吸光度。

对臭氧吸收截面图进行多项式拟合分离出快变吸收部分，得到臭氧吸收截面与吸光度变化曲线。

本实施例中温控子系统设置的控制温度为20℃时，臭氧的产量和随时间变化的理论值以及测定结果如表1所示：

表1

由表1的测定结果可以看出，测定值与理论值基本一致。当时间越长臭氧浓度越小时，测量结果的偏差加大。

当然，本发明还可以通过改变温控子系统的温度值，去模拟监测不同温度环境中的臭氧浓度。

Claims (3)

1.一种臭氧发生及监测模拟系统，包括支撑结构以及设置在支撑结构上的与气源连通的配气子系统(1)、用于产生臭氧的高压放电装置(2)、控制臭氧温度的温控子系统(3)、用于对臭氧浓度进行监测的在线监测子系统(4)以及电源模块(5)；所述配气子系统(1)、高压放电装置(2)、温控子系统(3)以及在线监测子系统(4)之间依次通过密闭管路连接；所述电源模块分别通过导线与配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接；

所述配气子系统(1)包括安装在支撑结构上的气泵(11)以及用于控制气体流量的流量计(12)；所述气泵通过进气嘴连通气源，流量计设置在气泵的输出管路(13)上；所述电源模块的输出端分别与气泵(11)和流量计(12)的电源端连接；

其特征在于：所述高压放电装置(2)包括安装在支撑结构上的高压放电室(21)以及风扇(22)，所述风扇(22)通过支撑架(23)架设在高压放电室(21)的上方；所述高压放电室(21)的进气口通过封闭管路与配气子系统(1)的输出管路(13)连通；

所述温控子系统(3)包括水浴锅(31)以及设置在水浴锅(31)中心的封闭的水浴瓶(32)，所述水浴锅内靠近侧壁的位置设置有通过密闭管路与高压放电室出气口连通的水浴进气管(33)，水浴进气管(33)在水浴锅内自水浴瓶底端向上沿水浴瓶环绕设置，水浴进气管的底端伸入水浴瓶的底部；水浴瓶的端盖上设置有水浴出气管(34)。

2.根据权利要求1所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述在线监测子系统(4)包括吸收池(41)、数据采集器(42)、光谱仪(48)以及计算机(43)，所述吸收池入气口(46)通过封闭管路与温控子系统的水浴出气管(34)连通，吸收池出气口(47)连通大气；吸收池(41)位于入气口的前端设置有光源(44)，数据采集器(42)和光谱仪(48)设置在吸收池(41)出气口的末端；所述吸收池(41)的前端以及吸收池的末端分别设置一与光源射向吸收池的光线相垂直的透镜(45)，所述透镜与吸收池密封连接，吸收池入气口和吸收池出气口均位于前端透镜与末端透镜之间；所述数据采集器(42)通过RS232连接光谱仪配套使用，光谱仪通过RS232再与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述光谱仪为三光栅单色仪。