CN107782689B - 臭氧气浓度检测装置及臭氧气浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种臭氧气浓度检测装置及方法，其特征在于，包括：一个长条形状的气体流通管道，第一紫外光检测器，所述第一紫外光检测器的紫外光发射器设置在所述气体流通管道的一端，所述第一紫外光检测器的光接收感应器设置在所述气体流通管道的另一端；所述管道侧面设置有第二紫外光检测器和第三紫外光检测器，所述第二紫外光检测器和第三紫外光检测器与所述第一紫外光检测器的光线方向正交；所述气体流通管道的有效长度为第一距离，所述第二紫外光检测器与所述第三紫外光检测器相距第二距离，所述第一距离不小于所述第二距离。本发明的臭氧气浓度检测装置结构简单，检测方法快捷有效，能够实现臭氧浓度在线快速高精度检测。
Description
【技术领域】
本发明涉及气体浓度检测领域，尤其涉及紫外光检测臭氧气浓度的装置。
【背景技术】
臭氧是一种略带臭味的气体，能自动分解为氧气，具有很强的氧化性。利用臭氧的强氧化性，可以杀菌消毒、除甲醛、除异味，在水处理、食品加工、卫生医疗等领域应用广泛。在一些应用场合中，需要对臭氧气的浓度进行测量。
常用的检测臭氧浓度的方法中，被认为最准确的是碘量法，而且碘量法也是被列入很多国家的臭氧检测的标准文件中。但是碘量法检测臭氧，所需化学试剂多、操作仪器步骤复杂，操作时间长，无法做到实时检测。
紫外线吸收法是一种较新的检测方法。它利用臭氧对紫外线吸收的特性，依据朗伯比尔定律测定紫外线吸收强度，从而测定臭氧气的浓度。使用紫外吸收法检测臭氧浓度的装置，通常会使臭氧气流过一个检测通道，在气体流动的过程中完成检测。紫外线照射臭氧后会使部分臭氧气分解，造成检测结果与实际流出的臭氧气浓度存在一定的偏差。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明提供一种臭氧气浓度检测装置，令臭氧气在流动的过程中可以准确检测出浓度。采用以下技术方案：
臭氧气浓度检测装置，包括：一个长条形状的气体流通管道，第一紫外光检测器，该第一紫外光检测器具有紫外光发射器和光接收感应器，且紫外光发射器设置在气体流通管道的一端，光接收感应器设置在气体流通管道的另一端；紫外光发射器发出的紫外光穿过长条形状的气体流通管道，被光接收感应器接收。气体流通管道的侧面设置有靠近入口端的第二紫外光检测器和靠近出口端的第三紫外光检测器，第二紫外光检测器的光线方向和第三紫外光检测器的光线方向都与第一紫外光检测器的光线方向正交。气体流体通道的入口端与出口端之间的相距第一距离Dz，第二紫外光检测器与第三紫外光检测器相距第二距离D2，第二距离D2不大于第一距离Dz。
进一步的，臭氧气以速度V匀速流通经过气体流通管道，第二紫外光检测器测得浓度值C1，第三紫外光检测器测得浓度值C2，第三紫外光检测器到出口端的距离为第三距离D3，出口端浓度值C3以下式计算：
进一步的，第一紫外光检测器的紫外光发射器具有第一发射功率，第二紫外光检测器的紫外光发射器与第三紫外光检测器的紫外光发射器具有相等的第二发射功率；第一发射功率不小于第二发射功率。
进一步的，第一紫外光检测器测得浓度值Cd，校正后的出口端浓度值C3a以下式计算：
进一步的，第一发射功率与第二发射功率的比值在[1,100]之间。
本发明的另一方面是提供一种臭氧气浓度检测方法，该方法包括：令臭氧气以速度V匀速流通经过长度为第一距离Dz的通道，在所述通道的一端设置第一紫外光发射器，所述通道的侧面设置有第二紫外光检测器和第三紫外光检测器，所述第二紫外光检测器的光线方向和第三紫外光检测器的光线方向都与所述第一紫外光发射器的光线方向正交；所述第二紫外光检测器与所述第三紫外光检测器相距第二距离D2，第二距离D2不大于第一距离Dz，所述第三紫外光检测器到所述通道出口的距离为D3，所述第二紫外光检测器测得浓度值C1，所述第三紫外光检测器测得浓度值C2，出口端浓度值C3以下式计算：
进一步的，在所述通道的另一端设置第一光接收感应器，与所述第一紫外光发射器组合成第一紫外光检测器，测得浓度值Cd，第一紫外光检测器的紫外光发射器具有第一发射功率，第二紫外光检测器的紫外光发射器与第三紫外光检测器的紫外光发射器具有相等的第二发射功率；校正后的出口端浓度值C3a以下式计算：
进一步的，第一发射功率与第二发射功率的比值在[1,100]之间。
有益效果：本发明的臭氧气浓度检测装置结构简单，检测方法快捷有效，能够实现臭氧浓度在线快速高精度检测。
【附图说明】
附图1为本发明的臭氧气浓度检测装置的结构示意图。
附图2为本发明的臭氧气浓度检测装置内的臭氧气浓度-时间曲线示意图。
附图3为本发明的臭氧气浓度检测装置的浓度校正计算示意图。
附图4为本发明的臭氧气浓度检测装置的一个实施例的装配结构图。
附图5为本发明的臭氧气浓度检测装置的一个实施例的剖面图。
附图6为本发明的臭氧气浓度检测装置的一个实施例的流体通道示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
参照附图1，臭氧气浓度检测装置，包括：一个长条形状的气体流通管道100，第一紫外光检测器200，该第一紫外光检测器200具有紫外光发射器200a和光接收感应器200b，且紫外光发射器200a设置在气体流通管道100的一端，光接收感应器200b设置在气体流通管道100的另一端；紫外光发射器200a发出的紫外光穿过长条形状的气体流通管道100，被光接收感应器200b接收。气体流通管道100的侧面设置有靠近入口端101的第二紫外光检测器201和靠近出口端102的第三紫外光检测器202，第二紫外光检测器201的光线方向和第三紫外光检测器202的光线方向都与第一紫外光检测器200的光线方向正交。气体流体通道100的入口端101与出口端102之间的相距第一距离300，第二紫外光检测器201与第三紫外光检测器202相距第二距离302，第二距离302不大于第一距离300。第三紫外光检测器202与气体流通管道100的出口端102相距第三距离303。
第一紫外光检测器200的紫外光发射器200a发射波长为286nm的紫外光，该紫外光穿过气体流通管道100，被气体流通管道100内的臭氧气吸收，使部分臭氧气分解，并在光接收感应器200b被检测。
臭氧气在气体流通管道100内暴露在紫外光照中，部分臭氧气被分解，其浓度与时间的关系曲线400参照附图2所示。臭氧气体在气体流通管道100内以速度V流动，总运动距离Dz即为第一距离300，其在气体流通管道100内的总时间为tz＝Dz/V，臭氧气从进入气体流通管道100的入口端101运动到第二紫外光检测器201的距离为D1，时间为t1＝D1/V，在第二紫外光检测器201位置处的第一浓度为C1；从第二紫外光检测器201运动到第三紫外光检测器202的距离为D2，时间为t2＝D2/V，在第三紫外光检测器202位置处的浓度为C2；从第三紫外光检测器202运动到气体流通管道100的出口端102的距离为D3，时间t3＝D3/V，在气体流通管道100的出口端102处的浓度为C3；在气体流通管道100的入口端101位置处的初始浓度为C0。
第一紫外光检测器200所检测到的臭氧气浓度作为平均浓度Cd；第二紫外光检测器201所检测到的臭氧气浓度作为C1；第三紫外光检测器202所检测到的臭氧气浓度作为C2。
初始浓度为C0的臭氧气在紫外光环境下催化分解，以T为紫外光照射情况下臭氧的半衰期，则臭氧气浓度C与时间t的函数关系为公式(1)：
第二紫外光检测器201的检测结果C1代入公式(1)，则有算式(2)：
第三紫外光检测器202的检测结果C2代入公式(1)，则有算式(3)：
根据算式(2)(3)求解出曲线中紫外光照射情况下的臭氧半衰期T：
入口端101位置处的初始浓度C0为
出口端102位置处的浓度C3为：
在一般情况下，出口端102位置处的浓度值C3已满足准确度需求；在一些特殊情况下，需要更高准确度时，应当考虑第二紫外光检测器201和第三紫外光检测器202发出的紫外光对臭氧气浓度的直接影响，并根据该影响对输出值进行校正。校正计算方法参照附图3所示。曲线400为真实的浓度时间曲线，曲线401为不考虑第二紫外光检测器201和第三紫外光检测器202时计算的浓度时间曲线。在t1时间点，臭氧气受到第二紫外光检测器201的紫外光照射，浓度轻微下降，浓度差402的值为Ca；在t2时间点，臭氧气受到第三紫外光检测器202的紫外光照射，浓度轻微下降，在第二紫外光检测器201的紫外光发射器201a与第三紫外光检测器202的紫外光发射器202a具有相同发射功率的情况下，浓度差403的值为同样为2Ca。校正值Ca可采用面积法进行计算：曲线401下方的面积减去曲线400下方的面积，由此计算出的面积差，与校正值Ca具有正比关系。
根据指数函数均值公式，计算可知臭氧气在气体流通管道100中的tz时间内的平均浓度为：
其中tz＝t1+t2+t3。
校正值Ca为：
校正后的输出浓度为：
C3a＝C3-2Ca (9)
最终的输出浓度计算式为：
第一紫外光检测器200的紫外光发射器200a具有第一发射功率，第二紫外光检测器201的紫外光发射器201a与第三紫外光检测器202的紫外光发射器202a具有第二发射功率。第一发射功率不小于第二发射功率。第一发射功率与第二发射功率差异越大，则校正值Ca越小。但是第一发射功率与第二发射功率也不能差异过大，一方面过大的第一发射功率可能使过多的臭氧气被分解，另一方面过小的第二发射功率可能使第二紫外光检测器201与第三紫外光检测器202测值不准确。在一些实施例中，第一发射功率等于第二发射功率。在一些实施例中，第一发射功率10倍于第二发射功率。在一些实施例中，第一发射功率50倍于第二发射功率。在一些实施例中，第一发射功率100倍于第二发射功率。
具体的，一个较佳实施例参照附图4、附图5所示，该实施例采用横截面为方形的玻璃材质的气体流通管道100-1，两端用钛金属材质制作的入口端101-1和出口端102-1夹紧。入口端101-1与出口端102-1使用两根螺栓103连接。第二紫外光检测器201的紫外光发射器201a-1和光接收感应器20b-1安装在入口端101-1的侧面，且位于气体流通管道100-1的相对的两侧。第三紫外光检测器202的紫外光发射器202a-1和光接收感应器202b-1安装在出口端10-1的侧面，且位于气体流通管道100-1的相对的两侧。在本实施例中，第一紫外光检测器200的紫外光发射器200a-1设置在出口端102-1的端部，光接收感应器200b-1设置在入口端101-1的端部。出口端102-1的端部采用玻璃材质的滤光片104将紫外光发射器200a-1与气体流通管道100-1通道隔离开。入口端10-1的端部采用玻璃材质的平面玻片105将光接收感应器200b-1与气体流通管道100-1通道隔离开。参照附图6，横截面为方形的玻璃材质的气体流通管道100-1，其侧面的外表面涂覆黑色不透光涂层106，并在需要安置紫外光发射器201a-1的位置、光接收感应器201b-1的位置、紫外光发射器202a-1的位置、光接收感应器202b-1的位置处设置通光窗口107，通光窗口107具有与滤光片104相同的滤光涂层，可对紫外光进行过滤，保留波长为286nm的紫外光。
参照附图5，该实施例的入口端101-1与出口端102-1之间的第一距离300-1为60mm；第二紫外光发射器201a-1与第三紫外光发射器202a-1之间的第二距离301为30mm；第三紫外光发射器202a-1与出口端102-1之间距离为15mm。
在该实施例中，气体流通管道100-1的内截面为5mm×5mm的方形，臭氧气体的流量为0.6ml/s，则其在气体流通管道100内的平均流动速度V＝0.6/(0.5*0.5)*10＝24mm/s。臭氧气的总运动距离D1即为第一距离300-1，其在气体流通管道100-1内的总时间为t0＝D1/V＝60/24＝2.5s。臭氧气从进入气体流通管道100-1的入口端101-1运动到第二紫外光检测器201的时间为t1＝(D1-D2-D3)/V＝(60-30-15)/24＝0.625s。从第二紫外光检测器201运动到第三紫外光检测器202的时间为t2＝D2/V＝30/24＝1.25s。从第三紫外光检测器202运动到气体流通管道100的出口端102的时间t3＝D3/V＝15/24＝6.25s。
在该实施例中，第一发射功率10倍于第二发射功率。
在本发明另一实施例中，第一距离300等于第二距离302，即D1＝0，D3＝0，Dz＝D2。在该实施例中，第三紫外光检测器202所检测到的臭氧气浓度值C2即为出口端102处的浓度C3。
在本发明另一实施例中，第一距离300大于第二距离302，第二紫外光检测器201设置于入口端101处，即D1＝0，Dz＝D2+D3。在该实施例中，第二紫外光检测器201所检测到的臭氧气浓度值C1即为初始浓度C0。最终输出的浓度值使用公式(6)或公式(10)计算。
在本发明另一实施例中，第一距离300大于第二距离302，第三紫外光检测器202设置于出口端102处，即D3＝0，Dz＝D1+D2。在该实施例中，第三紫外光检测器202所检测到的臭氧气浓度值C2即为出口端102处的浓度C3。
Claims (4)
1.一种臭氧气浓度检测方法，所述检测方法采用如下装置，所述装置包括一个长条形状的气体流通管道，第一紫外光检测器，所述第一紫外光检测器具有紫外光发射器和光接收感应器，且所述紫外光发射器设置在所述气体流通管道的一端，所述光接收感应器设置在所述气体流通管道的另一端；所述气体流通管道的侧面设置有第二紫外光检测器和第三紫外光检测器，第二紫外光检测器的紫外光发射器和光接收感应器安装在气体流通管道的入口端的侧面，且位于气体流通管道的相对的两侧，第三紫外光检测器的紫外光发射器和光接收感应器安装在气体流通管道的出口端的侧面，且位于气体流通管道的相对的两侧，所述第二紫外光检测器的光线方向和所述第三紫外光检测器的光线方向都与所述第一紫外光检测器的光线方向正交；所述气体流通管道的入口端与出口端相距第一距离Dz，所述第二紫外光检测器与所述第三紫外光检测器相距第二距离D2，所述第二距离D2不大于所述第一距离Dz，所述第三紫外光检测器到所述气体流通管道的出口端的距离为D3；所述检测方法包括：令臭氧气以速度V匀速流通经过长度为第一距离Dz的气体流通管道，所述第二紫外光检测器测得浓度值C1，所述第三紫外光检测器测得浓度值C2，出口端浓度值C3以下式计算：
2.如权利要求1所述的臭氧气浓度检测方法，其特征在于，所述第一紫外光检测器的紫外光发射器具有第一发射功率，所述第二紫外光检测器的紫外光发射器与所述第三紫外光检测器的紫外光发射器具有相等的第二发射功率；所述第一发射功率不小于所述第二发射功率。
3.如权利要求1-2任一所述的臭氧气浓度检测方法，其特征在于，所述第一紫外光检测器测得浓度值Cd，校正后的出口端浓度值C3a以下式计算：
4.如权利要求2所述的臭氧气浓度检测方法，其特征在于，所述第一发射功率与所述第二发射功率的比值在1-100之间。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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