CN105486653A - 一种二氧化硫红外探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二氧化硫红外探测装置及方法。二氧化硫红外探测装置包含红外光源、双元热释电红外探测器、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、气室、湿度传感器、主控电路板。安装于气室一端的红外光源发出的红外光经二氧化硫气体吸收后，导致安装于气室另一端的热释电红外探测器的输出信号下降。与现有技术相比，采用本发明的二氧化硫红外探测装置和方法，可以大幅度降低水汽对二氧化硫红外探测装置的影响，提高系统灵敏度，大幅度降低化工企业二氧化硫实时在线监测系统的成本，有利于进一步扩大二氧化硫实时在线监测的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及气体排放的污染监测，具体涉及二氧化硫红外探测装置及方法。
背景技术
二氧化硫SO2是大气中主要污染物之一，是衡量大气是否遭到污染的重要指标。随着环保意识的不断提高，对大气中二氧化硫SO2气体的浓度进行实时在线监测已越来越必要。由于二氧化硫SO2气体在大气中的含量较低，因此要求二氧化硫SO2气体传感器的灵敏度很高。目前较为普遍使用的二氧化硫监测系统通常基于电化学传感器来探测二氧化硫浓度，虽然目前出现了能够检测ppm甚至ppb级的二氧化硫SO2传感器，但灵敏度越高越易中毒，可靠性和重复性很差，性能不稳定，即使传感器不使用，也会因存放期较长而失效。由此，基于红外光谱吸收原理的非分光红外二氧化硫传感器逐渐开始应用于二氧化硫气体的实时在线监测系统中。
基于红外光谱吸收原理的非分光红外二氧化硫传感器的测量原理为，二氧化硫在红外中心波长7300nm附近，对红外光具有吸收峰，当光通量恒定的、中心波长7300nm的红外光通过含有二氧化硫气体的空气时，被二氧化硫吸收，光通量被衰减，测出衰减光通量，即可求出二氧化硫的浓度。基于该方法进行二氧化硫浓度监测的方式是在理想环境状态下的二氧化硫浓度监测和计算方式。在实际应用中，空气中的水汽对7300纳米附近的红外光同样具有吸收特性，水汽和环境干扰导致的红外光通量的衰减量往往超过二氧化硫气体导致的红外光通量的衰减量，若简单地将理想的实验室环境下可以准确探测二氧化硫的装置和浓度计算方法应用到实际空气中二氧化硫浓度的实时在线监测中，将导致监测结果远远偏离实际的情况出现。正是这一原因，现有的二氧化硫实时在线监测系统需配有复杂和高成本的对被检测气体进行干燥、除尘、洁净化处理的预处理系统，这在很大程度上提高了二氧化硫实时在线监测系统的造价和维护成本，制约了二氧化硫实时在线监测的应用范围。
发明内容
为解决以上问题，本发明用红外技术原理提出了一种二氧化硫红外探测装置及方法。
本发明的技术方案是：一种二氧化硫红外探测装置，包含红外光源、双元热释电红外探测器、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、气室、湿度传感器、主控电路板，其特征在于，所述湿度传感器安装于气室中紧靠热释电红外传感器一侧，所述湿度传感器的输出端口与主控电路板输入端口相连接，所述第一窄带滤光片的通带中心波长为7.30微米，所述第一窄带滤光片通带的半波峰宽度为80纳米，所述第二窄带滤光片的通带中心波长为3.90微米，所述第二窄带滤光片通带的半波峰宽度为80纳米，所述双元热释电红外探测器，对应于第一窄带滤光片的第一探测单元为气体通道单元，对应于第二窄带滤光片的第二探测单元为参比通道单元，所述双元热释电红外探测器的两个单元紧密排列封装于一个金属外壳之中。
本发明的二氧化硫红外探测装置，所述红外光源波长范围在2000纳米至8000纳米，所述红外光源安装于气室一端，第一窄带滤光片、第二窄带滤光片紧密并排压接或粘结在双元热释电红外探测器窗口之上，所述双元热释电红外探测器安装于气室另一端，所述气室的进气口为二氧化硫气体进气端口，所述气室的出气口为二氧化硫气体出气端口，所述主控电路板的光源调制输出端与红外光源的输入端相连接，所述双元热释电红外探测器的输出端与主控电路板的输入端相连接。
采用本发明的二氧化硫红外探测装置计算二氧化硫浓度的方法，其特征在于，依据以下步骤计算二氧化硫浓度：
步骤1对权利要求1所述二氧化硫红外探测装置用纯N2气体充入气室，对双元热释电红外探测器气体通道输出值采样，所得AD值存储为Vsd0；
步骤2对权利要求1所述二氧化硫红外探测装置用水蒸气充入气室，记录不同时刻气室相对湿度和对应该相对湿度的双元热释电红外探测器气体通道输出值，所得AD值存储为Vsd1,Vsd2,Vsd3……Vsdi；
步骤3根据步骤1、2得到不同相对湿度sd1,sd2,sd3......sdi下，双元热释电红外探测器气体通道输出电压值Vsd1,Vsd2,Vsd3……Vsdi的相对湿度—双元热释电红外探测器气体通道输出电压值关系表，以数据表方式存储；
步骤4对目标气体进行采样，所得双元热释电红外探测器气体通道输出值存储为Vso21，参比通道输出值存储为V0，记录对应以上输出值的相对湿度值Sdi；
步骤5据相对湿度值Sdi采用线性插值方法从相对湿度—双元热释电红外探测器气体通道输出电压值关系表求出纯水汽条件下双元热释电红外探测器气体通道输出电压值Vsdi；
步骤6依据公式V1=Vso21-Vsdi计算除去水汽影响的双元热释电红外探测器气体通道输出电压值V1；
步骤7依据公式C1=βLOG(V0/V1)计算SO2气体浓度（β：气室几何系数）；
步骤8显示二氧化硫浓度，延时并返回步骤4。
与现有技术相比，采用本发明的二氧化硫红外探测装置和方法，可以大幅度降低水汽对二氧化硫红外探测装置的影响，提高系统灵敏度，大幅度降低化工企业二氧化硫实时在线监测系统的成本，有利于进一步扩大二氧化硫实时在线监测的应用范围。
附图说明
图1为本发明的二氧化硫红外探测装置的原理框图。
图2为本发明的二氧化硫红外探测装置的红外光源、双元热释电红外探测器、滤光片、气室以及气室进气端口、气室出气端口之间连接和位置关系的结构剖面图。
图3为利用本发明的二氧化硫红外探测装置计算二氧化硫气体浓度的方法步骤流程图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的二氧化硫红外探测装置的原理框图。如图所示，本发明的二氧化硫红外探测装置包含红外光源3、双元热释电红外探测器1、双元热释电红外探测器1的气体通道单元11、双元热释电红外探测器1的参比通道单元12、第一窄带滤光片21、第二窄带滤光片22，气室4、气室进气端口5、气室出气端口6、主控电路版7、湿度传感器8。
在本发明实施例中，通带中心为7300纳米，半波峰宽度为80纳米的第一滤光片21紧密粘结于双元热释电红外探测器1的气体通道单元11上；通带中心为3900纳米、半波峰宽度为80纳米的第二滤光片22紧密粘结于双元热释电红外探测器1的参比通道单元12上，薄膜钽酸锂型（LiTaO3）双元热释电红外探测器1安装于气室4的一端；波长范围为2000—8000纳米的红外光源3安装于气室4的另一端；双元热释电红外探测器1中气体通道单元11输出信号通过信号线70与主控电路板7的输入端口71连接；双元热释电红外探测器1中参比通道单元12输出信号通过信号线75与主控电路板7的输入端口72连接，主控电路板的红外光源调制信号端口73经信号线31与红外光源3的输入引脚连接。红外光源3发出的红外光经过气室4径直照射到第一滤光片21和第二滤光片22上，经过滤光片的滤光作用，仅有窄带范围内特定波长的红外光可以通过滤光片照射到双元热释电红外探测器1的气体通道单元11和参比通道单元12上。被探测气体经气室进气端口5进入到气室再经由气室出气端口6逸出。当被探测气体中含有二氧化硫气体时，双元热释电红外探测器1的气体通道单元11输出的电压将产生下降，参比通道单元12输出的电压保持不变；与此同时，在不同相对湿度的条件下，由于水汽的作用，双元热释电红外探测器1的气体通道单元11输出的电压也将因水汽的作用而出现不同程度的下降，但水汽对参比通道单元12的输出电压不产生影响，双元热释电红外探测器1的参比通道单元12输出的电压并不发生变化。利用本发明的二氧化硫红外探测装置和相应的二氧化硫浓度计算方法，可大幅度降低水汽的影响，给出最为接近真实浓度的计算结果。
图2是利用本发明的二氧化硫红外探测装置计算二氧化硫气体浓度的方法步骤流程图。该图显示了利用本发明装置计算二氧化硫气体浓度的方法步骤。
步骤1对本发明的二氧化硫红外探测装置用纯N2气体充入气室4，对双元热释电红外探测器1的气体通道单元11输出值采样，所得AD值存储为Vsd0；
步骤2对本发明的二氧化硫红外探测装置用水蒸气充入气室4，记录不同时刻气室4相对湿度和对应该相对湿度的双元热释电红外探测器1气体通道单元11的输出值，所得AD值存储为Vsd1,Vsd2,Vsd3……Vsdi；
步骤3根据步骤1、2得到不同相对湿度sd1,sd2,sd3......sdi下，双元热释电红外探测器1气体通道单元11输出电压值Vsd1,Vsd2,Vsd3……Vsdi的相对湿度—双元热释电红外探测器1气体通道单元11输出电压值关系表，以数据表方式存储；
步骤4对目标气体进行采样，所得双元热释电红外探测器1气体通道单元11输出值存储为Vso21，参比通道单元12输出值存储为V0，记录对应以上输出值的相对湿度值Sdi；
步骤5据相对湿度值Sdi采用线性插值方法从相对湿度—双元热释电红外探测器1气体通道单元11输出电压值关系表求出纯水汽条件下双元热释电红外探测器1气体通道单元11输出电压值Vsdi；
步骤6依据公式V1=Vso21-Vsdi计算除去水汽影响的双元热释电红外探测器1气体通道单元11输出电压值V1；
步骤7依据公式C1=βLOG(V0/V1)计算SO2气体浓度（β：气室几何系数）；
步骤8显示二氧化硫浓度C1，延时并返回步骤4。
本发明的二氧化硫红外探测装置所述主控电路板7包含有输入信号调理模块、AD转换模块、红外光源调制信号输出模块、电源模块、触摸屏输入输出模块以及声音输出报警模块。以上模块均为公知技术模块，不再赘述。
Claims (3)
1.一种二氧化硫红外探测装置及方法，包含红外光源、双元热释电红外探测器、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、气室、湿度传感器、主控电路板，其特征在于，所述湿度传感器安装于气室中紧靠热释电红外传感器一侧，湿度传感器的输出端口与主控电路板输入端口相连接。
2.权利要求1所述的二氧化硫红外探测装置，其特征在于，所述红外光源波长范围在2000纳米至8000纳米，所述主控电路板的光源调制输出端与红外光源的输入端相连接，所述红外光源安装于气室一端，所述双元热释电红外探测器安装于气室另一端，所述双元热释电红外探测器的输出端与主控电路板的输入端相连接。
3.一种使用权利要求1所述二氧化硫红外探测装置计算二氧化硫浓度的方法，其特征在于，依据以下步骤计算二氧化硫浓度：
步骤1对权利要求1所述二氧化硫红外探测装置用纯N2气体充入气室，对双元热释电红外探测器气体通道输出值采样，所得AD值存储为Vsd0；
步骤2对权利要求1所述二氧化硫红外探测装置用水蒸气充入气室，记录不同时刻气室相对湿度和对应该相对湿度的双元热释电红外探测器气体通道输出值，所得AD值存储为Vsd1,Vsd2,Vsd3……Vsdi；
步骤3根据步骤1、2得到不同相对湿度sd1,sd2,sd3......sdi下，双元热释电红外探测器气体通道输出电压值Vsd1,Vsd2,Vsd3……Vsdi的相对湿度—双元热释电红外探测器气体通道输出电压值关系表，以数据表方式存储；
步骤4对目标气体进行采样，所得双元热释电红外探测器气体通道输出值存储为Vso21，参比通道输出值存储为V0，记录对应以上输出值的相对湿度值Sdi；
步骤5据相对湿度值Sdi采用线性插值方法从相对湿度—双元热释电红外探测器气体通道输出电压值关系表求出纯水汽条件下双元热释电红外探测器气体通道输出电压值Vsdi；
步骤6依据公式V1=Vso21-Vsdi计算除去水汽影响的双元热释电红外探测器气体通道输出电压值V1；
步骤7依据公式C1=βLOG(V0/V1)计算SO2气体浓度（β：气室几何系数）；
步骤8显示二氧化硫浓度，延时并返回步骤4。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160413 |