CN107941730B - 一种测定大气中臭氧浓度的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测定大气中臭氧浓度的方法，包括如下步骤：检测待测气体的流量，若待测气体的流量不小于设定的阈值，将待测气体分为两路，分别称为第一路气体和第二路气体；将第一路气体中的O3催化还原生成O2，催化还原后的第一路气体称为第三路气体；分别用紫外光照射第二路气体和第三路气体；分别获取周期内紫外光照射第二路气体和第三路气体时的波动紫外信号数据；分别获取周期内紫外线照射第二路气体和第三路气体紫外信号预设时间后的均值紫外信号数据；计算以获取气体中臭氧的浓度。本发明通过测量气体被照射一段时间前后的紫外信号数据，剔除了因紫外光强度变化导致的误差，能够获取较为精准的臭氧浓度数据。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度计算领域，尤其涉及一种测定大气中臭氧浓度的方法和装置。
背景技术
一般来说，光线难于透过比它波长大的障碍物。因紫外线波长很小，而臭氧分子很大，紫外线波长正好小于臭氧分子而大于氧、氮等气体，导致紫外线无法穿过臭氧，而被吸收。
目前测量臭氧浓度方法为紫外线吸收法，主要是用紫外灯产生紫外线照射气体后测试紫外信号。在反应池中，先由紫外探测器测量未经臭氧氧化反应且吸收了紫外线的气体的紫外信号，再由紫外探测器测量经过臭氧氧化反应且吸收了紫外线的气体的紫外信号。通过两次测量的紫外信号比较，再经过数学模型的计算，就能得出臭氧浓度大小。
不足：此种测量法测量经过氧化反应的气体与未经过氧化反应的气体之间的紫外信号差别非常小，且在紫外灯光源强度发生改变时，紫外探测器会将紫外灯强度发生变化的信号耦合到测量系统的信号中，导致测量数据稳定性差，从而导致数据不精准。
发明内容
本发明针对现有方式的缺点，提出一种测定大气中臭氧浓度的方法和装置，用以解决现有技术存在的上述问题。
根据本发明的第一个方面，提供了一种测定大气中臭氧浓度的方法，包括如下步骤：
S101、检测待测气体的流量，若待测气体的流量不小于设定的阈值，将待测气体分为两路，分别称为第一路气体和第二路气体；
S102、将所述第一路气体中的O3催化还原生成O2，催化还原后的第一路气体称为第三路气体；
S103、在预设周期内用紫外光照射所述第二路气体；
获取周期内紫外线照射所述第二路气体时紫外线的波动紫外信号数据m2；
紫外线照射所述第二路气体预设时间后，获取周期内第二路气体的均值紫外信号数据M2；
S104、在预设周期内用紫外光照射所述第三路气体；
获取周期内紫外线照射所述第三路气体时紫外线的波动紫外信号数据m1；
紫外线照射所述第三路气体预设时间后，获取周期内第三路气体的均值紫外信号数据M1；
S105、计算以获取所述气体中臭氧的浓度△S：
S＝ln(m1/m2)·K，
S1＝ln(M1/M2)·K，
△S＝S1-S,
其中K为固定系数。
进一步的，所述将第一路气体中的O3催化还原生成O2是指，使用二氧化锰催化剂将所述第一路气体中的O3催化还原生成O2。
进一步的，还包括：测量步骤S101至S104中气体的温度，与预先设定的温度标准值对比以判断数据是否准确。
进一步的，还包括：测量步骤S101至S104中气体的气压，与预先设定的气压标准值对比以判断数据是否准确。
优选的，所述紫外光的波长为253.7nm。
根据本发明的第二个方面，提供了一种测定大气中臭氧浓度的装置，至少反应室、进气口、出气口、流量计、O3洗涤器、空气泵、UV灯、第一紫外探测器、第二紫外探测器及计算模块：
所述进气口通过进气管道连通反应室，所述进气管道包括前段、中段和后段，所述出气口通过出气管道连通反应室；
所述进气管道的中段由可将气体分为两路气体的第一管道和第二管道组成，所述第一管道和第二管道通过阀门与进气管道的后段连接；
所述流量计，设置在所述进气管道的前段；
所述O3洗涤器，设置在所述第一管道上；
所述空气泵，设置在出气管道上；
所述UV灯，设置在靠近所述进气管道与反应室连接处的反应室内；
所述第一紫外探测器，设置在靠近所述UV灯的反应室内，以探测周期内所述UV灯发出紫外线照射气体时紫外线的紫外信号数据；
所述第二紫外探测器，设置在靠近所述出气管道的反应室内，以探测周期内所述UV灯发出紫外线照射气体预设时间后气体的均值紫外信号数据；
所述计算模块，连接所述第一紫外探测器和第二紫外探测器，以接收数据并计算所述气体中臭氧的浓度。
进一步的，所述O3洗涤器中设置有将气体中的O3催化成O2的二氧化锰催化剂。
进一步的，还包括温度传感器，所述温度传感器设置在反应室内。
进一步的，还包括气压传感器，所述气压传感器设置在所述出气管道上。
优选的，所述UV灯发出波长为253.7nm的紫外光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过将原始气体分为两路气体，其中一路气体的O3催化还原生成O2，再获得紫外线分别照射两种气体(一路原始气体，一路经过催化还原的气体)时的两个紫外信号数据及分别获得紫外线分别照射了两种气体一段时间后的气体的两个紫外信号数据，再通过相关公式计算四个紫外信号数据而得出臭氧浓度的过程，因剔除了因紫外光强度变化导致的误差，可获得较为精准的数据；
2、通过测量反应室的温度和气压筛选出符合温度标准值和气压标准值的紫外信号数据，确保反应室是一个较为稳定的环境，更加确保了数据的精确性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一个实施例的一种测定大气中臭氧浓度的方法流程图；
图2为本发明第二个实施例的一种测定大气中臭氧浓度的装置结构图；
图3为本发明第二个实施例的一种测定大气中臭氧浓度的装置中部分元器件的电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分例，实施而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
大气臭氧浓度定义为：单位体积(1立方米)中臭氧的质量。
实施例一
如图1所示，提供了本发明一个实施例的一种测定大气中臭氧浓度的方法，包括如下步骤：
S101、检测待测气体的流量，若待测气体的流量不小于设定的阈值，将待测气体分为两路，分别称为第一路气体和第二路气体；
S102、将第一路气体中的O3催化还原生成O2，催化还原后的第一路气体称为第三路气体；
具体的，使用二氧化锰催化剂将第一路气体中的O3催化还原生成O2；
S103、在预设周期内用紫外光照射第二路气体；该紫外光为波长为253.7nm的紫外光。
获取周期内紫外线照射第二路气体时紫外线的波动紫外信号数据m2；
标准波动方程为：
因光在气流中传播，因此标量u会包含一个马赫因子，这种情况下，光的波动方程如下：
u(x,0)＝f(x)
由此推导出：
其中，u为待测量，c通常是一个固定常数，也就是传播速率，a是加速度。
紫外线照射第二路气体预设时间后，获取周期内第二路气体的均值紫外信号数据M2；
例如，预设周期为半个小时，预设时间为10秒，取值时间为每分钟一次，则获取了30个紫外信号数据，对这30个紫外信号数据取均值则可得到均值紫外信号数据。
S104、在预设周期内用紫外光所述第三路气体；该紫外光为波长为253.7nm的紫外光。
获取周期内紫外线照射第三路气体时紫外线的波动紫外信号数据m1；
紫外线照射第三路气体预设时间后，获取周期内第三路气体的均值紫外信号数据M1；
需要说明的是，步骤S103和S104是可独立或同时进行的，步骤的确定也只是为了说明的需要，因此，步骤S104也可在步骤S103之前。
S105、计算以获取气体中臭氧的浓度△S：
S＝ln(m1/m2)·K，
S1＝ln(M1/M2)·K，
△S＝S1-S,,
其中K为固定系数。
需要注意的是，一般情况下该气体可认为是理想气体，则其固定系数K就是定压比热容与定容比热容之比，即：K＝Cp/Cv。
而在实际情况中，对于气体来说，绝热指数与气体的种类、所受压力、温度有关。
在步骤S101至S104中，为了确保数据的准确性，还需如下操作：
测量各路气体的温度，与预先设定的温度标准值对比以判断数据是否准确，不准确的数据被弃用。
测量各路气体的气压，与预先设定的气压标准值对比以判断数据是否准确，不准确的数据被弃用。
获取各种紫外信号数据的次数可为多次获取，以剔除不准确的值，剔除可单个剔除，也可直接剔除一个周期内的数据，还可根据具体应用场景设置其他剔除条件。
实施例二
如图2所示，提供了本发明第二个实施例的一种测定大气中臭氧浓度的装置，该装置至少包括反应室201、进气口202、出气口203、流量计204、O3洗涤器205、空气泵206、UV灯207、第一紫外探测器208、第二紫外探测器209及计算模块210：
进气口202通过进气管道214连通反应室201，进气管道214包括前段2141、中段2142和后段2143，出气口203通过出气管道215连通反应室201；
进气管道214的中段2142由可将气体分为两路气体的第一管道21421和第二管道21422组成，第一管道21421和第二管道21422通过阀门213与进气管道2143的后段2143连接；
阀门213可以为三通阀213，在连通第一管道21421和进气管道214的后段2143时，阻塞第二管道21422连通进气管道214的后段；或者，在连通第二管道21422和进气管道214的后段2143时，阻塞第一管道21421连通进气管道214的后段2143；当然，变通的说，三通阀213还可按需求是否同时打开或阻塞第一管道21421、第二管道21422连通进气管214道的后段2143。
流量计204，设置在进气管道214的前段2141处，用于测量进气口202处气体的流量以控制气体是否流入；
O3洗涤器205，设置在第一管道21421上，用于将第一管道21421中气体中的O3进行催化还原生成O2；
具体的，O3洗涤器205中设置有将气体中的O3催化成O2的二氧化锰催化剂。
空气泵206，设置在出气管道215上，用于泵出反应室201的气体；
具体的，空气泵206对反应室201产生1L/min的气体流速。
UV灯207，设置在靠近进气管道214与反应室201连接处的反应室201处，用于发出能被O3吸收的紫外光；
优选的，UV灯207发出波长为253.7nm的紫外光；一般来说，光线难于透过比它波长大的障碍物。因紫外线波长很小，而臭氧分子很大，紫外线波长正好小于臭氧分子而大于氧、氮等气体，导致紫外线无法穿过臭氧，而被吸收。因波长为253.7nm的紫外光被臭氧吸收后最难穿透臭氧，实验室选择波长为253.7nm的紫外光。
第一紫外探测器208，设置在靠近UV灯207的反应室内，以探测周期内UV灯207发出紫外线照射气体时紫外线的波动紫外信号数据；
获取周期内紫外线照射第二路气体时紫外线的波动紫外信号数据m2；
获取周期内紫外线照射第三路气体时紫外线的波动紫外信号数据m1；
第二紫外探测器209，设置在靠近出气管道215的反应室201内，以探测周期内UV灯207发出紫外线照射气体预设时间后气体的紫外信号数据；
具体的，获取周期内紫外线照射第二路气体预设时间后第二路气体的均值紫外信号数据M2；
获取周期内紫外线照射第三路气体预设时间后第三路气体的均值紫外信号数据M1；
计算模块210，连接第一紫外探测器208和第二紫外探测器209，以接收数据并计算气体中臭氧的浓度△S：
S＝ln(m1/m2)·K，
S1＝ln(M1/M2)·K，
△S＝S1-S,
其中K为固定系数。
该装置还包括温度传感器211，温度传感器211设置在反应室201内，用于测量反应室201的温度，与预先设定的温度标准值对比以判断数据是否准确。
该装置还包括气压传感器210，气压传感器210设置在出气管道215上，用于测量反应室201的气压，与预先设定的气压标准值对比以判断数据是否准确。
如图3所示，提供了第二实施例一种测定大气中臭氧浓度的装置中部分元器件的电路图，左图是P2光电管(UV灯)在15V的压降下，对253.7nm的紫外光产生放大信号的电路；右图是紫外探测器探测到放大的紫外信号数据并输出相关数据的电路。
一种测定大气中臭氧浓度的装置的工作方式如下：
检测时，待测气体从进气口202进入，当气体进入到进气管道214的前段2141，流量计204开始检测待测气体的流量，若待测气体的流量不小于设定的阈值时，让待测气体通过第一管道214的前段2141；当待测气体通过了第一管道214的前段2141进入到进气管道214的中段2142，则待测气体分为两路气体分别流入进气管道214中段2142的第一管道21421和第二管道21422；因第一管道21421内设置有O3洗涤器205，因此进入到第一管道21421中的气体会经过催化还原反应，主要是O3洗涤器205中的二氧化锰将气体中的O3催化还原生成O2；在第一管道21421中气体进行催化还原反应时，可以先打开阀门213只让第二管道21422中的气体进入到反应室201(也可以等待第一管道21421中的气体经过了催化还原反应之后，分别获得待测数据)；当气体进入到反应室201时，打开UV灯207以让紫外线照射到气体，气体开始吸收紫外线，同时开始获取周期内该UV灯207发射紫外线的波动紫外信号数据m1，一段时间后，再获取相同周期内吸收了紫外线的气体的均值紫外信号数据M1，当然，在获取数据时，同时温度传感器211和气压传感器210分别监测反应室201的温度和气压，分别与预先设定的气压和温度标准值对比以判断数据是否准确，不准确的将被剔除；打开空气泵206抽出反应室201的气体，待气体抽完再打开阀门213以连通第一管道21421和进气管道214的后段，当气体进入到反应室201时，打开UV灯207以让紫外线照射到气体，气体开始吸收紫外线，同时开始获取周期内该UV灯207发射紫外线的波动紫外信号数据m12，一段时间后，再获取相同周期内吸收了紫外线的气体的均值紫外信号数据M2，当然，在获取数据时，同时温度传感器211和气压传感器210分别监测反应室201的温度和气压，分别与预先设定的气压和温度标准值对比以判断数据是否准确，不准确的将被剔除；当数据采集完毕，连接第一紫外探测器208和第二紫外探测器209的计算模块210依据如下公式计算出臭氧的浓度△S，
S＝ln(m1/m2)·K，
S1＝ln(M1/M2)·K，
△S＝S1-S,
其中K为固定系数。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，模块和相关工作单元的具体工作过程，可以参考前述
方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的2个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置和，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，所述器件或模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种测定大气中臭氧浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、检测待测气体的流量，若待测气体的流量不小于设定的阈值，将待测气体分为两路，分别称为第一路气体和第二路气体；
S102、将所述第一路气体中的O3催化还原生成O2，催化还原后的第一路气体称为第三路气体；
S103、在预设周期内用紫外光照射所述第二路气体；
获取周期内紫外线照射所述第二路气体时紫外线的波动紫外信号数据m2；
紫外线照射所述第二路气体预设时间后，获取周期内第二路气体的均值紫外信号数据M2；
S104、在预设周期内用紫外光照射所述第三路气体；
获取周期内紫外线照射所述第三路气体时紫外线的波动紫外信号数据m1；
紫外线照射所述第三路气体预设时间后，获取周期内第三路气体的均值紫外信号数据M1；
S105、计算以获取所述气体中臭氧的浓度△S：
S＝ln(m1/m2)·K，
S1＝ln(M1/M2)·K，
△S＝S1-S,
其中K为固定系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将第一路气体中的O3催化还原生成O2是指，使用二氧化锰催化剂将所述第一路气体中的O3催化还原生成O2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：测量步骤S101至S104中气体的温度，与预先设定的温度标准值对比以判断数据是否准确。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：测量步骤S101至S104中气体的气压，与预先设定的气压标准值对比以判断数据是否准确。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外光的波长为253.7nm。
6.一种测定大气中臭氧浓度的装置，其特征在于，至少包括反应室、进气口、出气口、流量计、O3洗涤器、空气泵、UV灯、第一紫外探测器、第二紫外探测器及计算模块：
所述进气口通过进气管道连通反应室，所述进气管道包括前段、中段和后段，所述出气口通过出气管道连通反应室；
所述进气管道的中段由可将气体分为两路气体的第一管道和第二管道组成，所述第一管道和第二管道通过阀门与进气管道的后段连接；
所述流量计设置在所述进气管道的前段；
所述O3洗涤器设置在所述第一管道上；
所述空气泵设置在出气管道上；
所述UV灯设置在靠近进气管道与反应室连接处的反应室内；
所述第一紫外探测器设置在靠近所述UV灯的反应室内，以探测周期内所述UV灯发出紫外线照射气体时紫外线的波动紫外信号数据；
所述第二紫外探测器设置在靠近所述出气管道的反应室内，以探测周期内所述UV灯发出紫外线照射气体预设时间后气体的均值紫外信号数据；
所述计算模块连接所述第一紫外探测器和第二紫外探测器，以接收数据并计算所述气体中臭氧的浓度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述O3洗涤器中设置有将气体中的O3催化成O2的二氧化锰催化剂。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器设置在反应室内。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括气压传感器，所述气压传感器设置在所述出气管道上。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述UV灯发出波长为253.7nm的紫外光。
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