CN108225557A - 一种测量紫外灯在水中的发射功率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其包括：将置于石英套管中的紫外灯放于水中，化学曝光计置于所述紫外灯的中垂线上；通过控制所述化学曝光计位于距离所述紫外灯不同距离的位置，记录所述化学曝光计采集到的紫外灯照射前后的吸光度值；系统计算出所述紫外灯随距离变化的辐射照度曲线；系统将所述辐射照度曲线与辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线进行拟合，得到所述紫外灯的发射功率。以及一种测量紫外灯在水中的发射功率的系统。本发明其可对水下紫外灯和石英套管组合的实际紫外线发射功率进行测量，且成本低，操作方法简单，在常规实验室即可进行，广泛应用于紫外灯领域。
Description
技术领域
本发明涉及紫外灯领域，具体应用于测量紫外线灯和石英套管组合在水等介质中实际的紫外线发射功率。
背景技术
目前对于紫外线灯在水下等其他介质中的紫外线输出功率，还没有测量方法。而对于水消毒，紫外线灯都是置于水下的。
紫外线灯在进行水体消毒应用时，是置于一个石英套管内，然后置于水体中。目前测量水下紫外线发射功率的方法只能测其相对值，用于不同灯之间的对比。对于应用紫外线进行水体消毒的反应器或工艺设计，需知道紫外灯和石英套管组合的实际紫外线发射功率的绝对值，然而目前还没有相应的方法。
因此，本技术具有必要性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种测量紫外灯在水中的发射功率的方法及系统。
本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其包括以下步骤：
将置于石英套管中的紫外灯放于水中，化学曝光计置于所述紫外灯的中垂线上；
通过控制所述化学曝光计位于距离所述紫外灯不同距离的位置，记录所述化学曝光计采集到的紫外灯照射前后的吸光度值；
系统计算出所述紫外灯随距离变化的辐射照度曲线；
系统将所述辐射照度曲线与辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线进行拟合，得到所述紫外灯的发射功率。
作为该技术方案的改进，所述紫外灯上任一点对在介质中的被辐射点的辐射照度为：
其中，I为辐射照度；Q为紫外灯释放的紫外线总功率；ρ为距被辐射点的距离；ρ0为辐射点和被辐射点的连线与石英套管交点距辐射点的距离；ε为介质对光的吸收系数。
作为该技术方案的改进，所述紫外灯对在介质中的被辐射点的辐射照度为：
其中，L为紫外灯有效弧长；H为被辐射点距灯中心竖向距离；z为灯上辐射点的竖向坐标；r为被照射点距灯轴线的距离；r0为石英套管的外径。
作为该技术方案的改进，所述紫外灯的辐射照度与所述紫外灯的发射功率成正比关系。
进一步地，所述化学曝光计为KI/KIO3化学曝光计。
另一方面，本发明还提供一种测量紫外灯在水中的发射功率的系统，其包括：
第一控制模块，用于执行步骤将置于石英套管中的紫外灯放于水中，化学曝光计置于所述紫外灯的中垂线上；
第二控制模块，用于执行步骤通过控制所述化学曝光计位于距离所述紫外灯不同距离的位置，记录所述化学曝光计采集到的紫外灯照射前后的吸光度值；
第三控制模块，用于执行步骤系统计算出所述紫外灯随距离变化的辐射照度曲线；
第四控制模块，用于执行步骤系统将所述辐射照度曲线与辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线进行拟合，得到所述紫外灯的发射功率。
本发明的有益效果是：本发明提供的测量紫外灯在水中的发射功率的方法及系统，可对水下紫外灯和石英套管组合的实际紫外线发射功率进行测量，且成本低，操作方法简单，在常规实验室即可进行。其中，在距紫外线灯L～2L范围内进行曲线拟合，测量误差小于2％，精度较高，其中L为紫外灯有效弧长。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明第一实施例的示意图；
图2是线型灯辐射的发射模型的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参照图1，是本发明第一实施例的示意图。本发明提供一种测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其包括以下步骤：
将置于石英套管中的紫外灯放于水中，化学曝光计置于所述紫外灯的中垂线上；
通过控制所述化学曝光计位于距离所述紫外灯不同距离的位置，记录所述化学曝光计采集到的紫外灯照射前后的吸光度值；
系统计算出所述紫外灯随距离变化的辐射照度曲线；
系统将所述辐射照度曲线与辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线进行拟合，得到所述紫外灯的发射功率。
作为一实施例，其包括：
1.测量过程：将化学曝光计置于紫外线灯中心垂线上，在距灯不同距离进行紫外线辐射照射，读取照射前后计量液如352nm吸光度值。通过化学曝光计原理计算出随距离变化的辐射照度曲线，同辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线，在适合的距离条件下进行拟合，可得到紫外线发射功率。
2.计算方法
基于发散模型的辐射照度计算公式，通过对发散模式进行推导，可得不同介质(吸光度不同)下辐射照度计算公式，如下式：
其中，I为辐射照度，mW/cm2；Q为灯释放的紫外线总功率；L为紫外灯有效弧长；H为被辐射点距灯中心竖向距离；z为灯上辐射点的竖向坐标；r为被照射点距灯轴线的距离；r0为石英套管的外径。
优选的，本方案采用常用的KI/KIO3化学曝光计，根据量子产率的原理，对照射后的计量液吸光度进行检测，通过检测值进行该位置辐射照度的计算。如下式：
其中：Abs352为254nm紫外线照射之前1cm光程所对应的352nm吸光度；Abs352’为254nm紫外线照射之后1cm光程所对应的352nm吸光度；V为化学曝光计的体积，mL；h为普朗克常数，6.62606896×10-34J·s；c为光在真空中的传播速度，299792458m/s；Na为阿伏伽德罗常量，6.02×1023；La为光程，1cm；Φ为量子产率，无量纲；λ为光波波长，nm；t为曝光照射时间，s；A为液体被曝光的照射面积，cm2。
作为一具体实施例，采用图1的测量系统，实际测量了一支灯丝间距离为23cm的紫外灯在水下的紫外线输出量。由于紫外灯在水下时是置于一个石英套管内，因此测量系统实质上测量的是紫外灯和石英套管组合的紫外线输出量。为进行对比，在两种不同吸光度水体内分别进行了测量。通过投加咖啡进行吸光度调节，对比辐射照度的测量结果和通过最小二乘法拟合的发散辐射模型计算的结果，得出在吸光度为0.02和0.05的水体中分别测到的紫外线输出量为3.41W和3.47W。两个结果非常接近，相对误差为1.73％。
综上，采用本方案的测量精度很高。
参照图2，是线型灯辐射的发射模型示意图。采用发散辐射模型，可以计算出水下的紫外线辐射量。在发散辐射模型的公式中：ε＝0时，紫外灯位于空气中。在水中时，ε不等于0。
其具体计算如下：
将一根直线型灯假设为由许多点源构成，相应的发散辐射模型见图2。从灯上一个点在与和灯垂直的线之间的夹角方向发射出的光束的能量与夹角成余弦关系(发散辐射模型)，即：
I＝Im×cosθ (1)
当介质对光的吸收系数ε为0时，经过围绕着一个点源的球面的总能量和点源放出的能量相等：
根据几何数学：
dS＝2×π×ρ×cosθ×ρdθ (3)
其中，ρ为辐射点距被辐射点的距离。
结合式(1)、式(2)和式(3)，积分可得：
其中，Q为灯释放的紫外线总功率。
在介质对光的吸收系数ε不为0时，I的衰减遵循朗伯比尔定律：
其中，ρ0为辐射点和被辐射点的连线与石英套管交点距辐射点的距离。
一个被辐射点在与灯平行的面上,通过的来自同一盏线型灯的辐射功率就是这一点的辐射照度。入射光应和发射点源遵循相同的辐射模式，式(5)需转换为：
将线性灯切割成许多点源，每个点源的总功率是“灯紫外线总功率/灯长×点源长度”。所有点源在一个被辐射点的加和就是这一点的辐射照度，转换成积分公式为：
其中，L为紫外灯有效弧长；H为被辐射点距灯中心竖向距离；z为灯上辐射点的竖向坐标；r为被照射点距灯轴线的距离；r0为石英套管的外径。式(7)即本方案所需的辐射照度计算公式。
其中凯兹方程是计算在空气中，ε约为0时，通过灯中心并与所述灯垂直的线上的点的辐射照度。此时，积分式(7)可转化为：
式(8)即为凯兹方程。
令：
则式(9)可简便地表达为：
其中式(10)即为国际紫外线协会推荐凯兹方程时的公式表达。由于ε＝0，因此其不能直接应用于有介质(如水体)的计算。
综上，在得到了紫外线发射功率Q后，可利用式(7)计算紫外线反应器内的辐射照度分布。知道辐射照度后，亦可反推计算Q。式(7)清晰显示，辐射场内的辐射照度与发射功率是正比关系。
本方案结合化学曝光计接收到的光子数来计算辐射照度，可获得在水下时，紫外线灯和石英套管组合中紫外线发射功率的绝对值；同时采用国际紫外线协会推荐的凯兹公式的机理—紫外线的发散模型，得出水下计算辐射照度的方法，实现发射功率的测量。
本方案的化学测量液体本身直接测量到进入的光子数目，测量准确；而普通紫外线测量仪需要用其它方法进行校准。
为了减小测量误差，本方案计算了容器表面的反射率、折射率等，且用同样方法在空气中测量两次：第一次采用密封容器，第二次采用容器不密封但完全相同，只是移除了石英玻璃。对比两者的相对比率。将该比率和反射、折射的计算结合，应用到水下测量，将相关误差降到最低。
本发明提供的测量紫外灯在水中的发射功率的方法及系统，其可对水下紫外灯和石英套管组合的实际紫外线发射功率进行测量，且成本低，操作方法简单，在常规实验室即可进行。其中，在距紫外线灯L～2L范围内进行曲线拟合，测量误差小于2％，精度较高，其中L为紫外灯有效弧长。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
将置于石英套管中的紫外灯放于水中，化学曝光计置于所述紫外灯的中垂线上；
通过控制所述化学曝光计位于距离所述紫外灯不同距离的位置，记录所述化学曝光计采集到的紫外灯照射前后的吸光度值；
系统计算出所述紫外灯随距离变化的辐射照度曲线；
系统将所述辐射照度曲线与辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线进行拟合，得到所述紫外灯的发射功率。
2.根据权利要求1所述的测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其特征在于，所述紫外灯上任一点对在介质中的被辐射点的辐射照度为：
其中，I为辐射照度；Q为紫外灯释放的紫外线总功率；ρ为距被辐射点的距离；ρ0为辐射点和被辐射点的连线与石英套管交点距辐射点的距离；ε为介质对光的吸收系数。
3.根据权利要求1或2所述的测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其特征在于，所述紫外灯对在介质中的被辐射点的辐射照度为：
其中，L为紫外灯有效弧长；H为被辐射点距灯中心竖向距离；z为灯上辐射点的竖向坐标；r为被照射点距灯轴线的距离；r0为石英套管的外径。
4.根据权利要求3所述的测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其特征在于：所述紫外灯的辐射照度与所述紫外灯的发射功率成正比关系。
5.根据权利要求1所述的测量紫外灯在水中的发射功率的方法，其特征在于：所述化学曝光计为KI/KIO3化学曝光计。
6.一种测量紫外灯在水中的发射功率的系统，其特征在于，其包括：
第一控制模块，用于执行步骤将置于石英套管中的紫外灯放于水中，化学曝光计置于所述紫外灯的中垂线上；
第二控制模块，用于执行步骤通过控制所述化学曝光计位于距离所述紫外灯不同距离的位置，记录所述化学曝光计采集到的紫外灯照射前后的吸光度值；
第三控制模块，用于执行步骤系统计算出所述紫外灯随距离变化的辐射照度曲线；
第四控制模块，用于执行步骤系统将所述辐射照度曲线与辐射照度计算公式所计算出的辐射照度曲线进行拟合，得到所述紫外灯的发射功率。
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