CN109001140A - 双光路紫外差分光谱气体分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双光路紫外差分光谱气体分析仪，包括：紫外光源、准直透镜、斩光轮、双光路气室、会聚透镜、紫外光谱仪、步进电机控制装置和MCU主控单元，其中，双光路气室包括上下设置的检测气室和参比气室；斩光轮呈圆盘状且可以以圆心转动，斩光轮上限定出内圆环区和外圆环区，外圆环区上具有第一通孔，第一通孔内嵌入有第一玻璃气囊；内圆环区上具有第二通孔，第二通孔内嵌入有第二玻璃气囊，其中，通过旋转斩光轮可使得第一玻璃气囊与检测气室形成检测光路，使得第二玻璃气囊与参比气室形成参比光路，且检测光路与对比光路不能同时形成。因此可以有效消除由于仪表特性造成的漂移，极大的提高测量数据的准确性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于烟气在线检测技术领域，具体而言，本发明涉及双光路紫外差分光谱气体分析仪。
背景技术
差分吸收光谱(DOAS)反演方法于上个世纪七十年代被提出，是利用气体分子在紫外到可见光范围内具有特征差分吸收结构的特征来鉴别气体种类，并根据吸收光谱强度反演待测气体浓度的方法，这种方法的原理和结构简单，相应速度快，监测精度高，可实现非接触和在线连续监测多种气态污染物，相比一些传统的监测方法，DOAS分析技术为环境监测提供了巨大的便利，经过光学研究的不断发展，到目前，差分吸收光谱反演方法已经被广泛应用于大气污染的研究和环境监测。紫外差分光谱气体分析仪是利用DOAS技术，主要用于在线污染源中S02和NO浓度检测，在长时间连续在线测量过程中，由于光路的污染和光源的衰减会造成测量误差，同时使用环境的影响以及仪表自身的固有变化都会导致仪表产生漂移。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够有效解决现有气体分析仪固有零点和量程漂移，不能实现自动标定的问题以及气体分析仪受背景条件干扰，容易引起误差，影响测试准确度的问题的双光路紫外差分光谱气体分析仪。
根据本发明的一个方面，本发明提出了双光路紫外差分光谱气体分析仪，根据本发明的具体实施例，该双光路紫外差分光谱气体分析仪包括：
紫外光源；
准直透镜，所述准直透镜设置在所述紫外光源的下游；
双光路气室，所述双光路气室设置在所述准直透镜的下游，所述双光路气室包括上下设置的检测气室和参比气室，所述检测气室具有待测气体进口和待测气体出口，所述参比气室内密封有氮气；
斩光轮，所述斩光轮设置在所述准直透镜与所述双光路气室之间，所述斩光轮呈圆盘状且可以以圆心转动，所述圆盘上限定出内圆环区和套设在所述内圆环区外的外圆环区，所述外圆环区上具有第一通孔，所述第一通孔内嵌入有第一玻璃气囊，所述第一玻璃气囊内密封有空气；所述内圆环区上具有第二通孔，所述第二通孔内嵌入有第二玻璃气囊，所述第二玻璃气囊内密封有待测气体，其中，通过旋转所述斩光轮可使得所述第一玻璃气囊与所述检测气室形成检测光路，使得第二玻璃气囊与所述参比气室形成参比光路，且所述检测光路与所述对比光路不能同时形成；
会聚透镜，所述会聚透镜设置在所述双光路气室的下游；
紫外光谱仪，所述紫外光谱仪通过紫外光纤与所述会聚透镜相连，以便将接收到的光信号转化为电信号；
MCU主控单元，所述MCU主控单元与所述紫外光谱仪连接，且适于对所述电信号进行处理，以便输出待测气体浓度数据，
步进电机控制装置，所述步进电机控制装置与所述斩光轮相连，以便适于控制所述斩光轮旋转；
其中，所述紫外光源、所述步进电机控制装置分别与所述MCU主控单元相连，以便通过所述MCU主控单元控制所述紫外光源的闪光频率和所述斩光轮的旋转速率。
由此，本发明上述实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪，改进了原有的单光路气室，增加了一路参比气室，并设计了与双光路气室匹配使用的斩光轮。斩光轮与步进电机控制装置连接，通过步进电机控制装置控制斩光轮同时通过MCU主控单元控制紫外光线交替进入检测气室和参比气室，斩光轮上嵌入有密封空气和特定气体浓度的玻璃气囊。因此，斩光轮每旋转一周可完成待测气体浓度检测同时进行了仪表零点及量程的标定，因此可以有效消除由于仪表特性造成的漂移，极大的提高测量数据的准确性和稳定性。
另外，根据本发明上述实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述外圆环区的宽度与所述检测气室的高度相同；所述内圆环区的宽度与所述参比气室的高度相同。
在本发明的一些实施例中，所述检测气室的高度与所述参比气室的高度相同。
在本发明的一些实施例中，所述第一通孔包括多个，每个第一通孔中嵌入有一个第一玻璃气囊，所述第二通孔包括多个，每个第二通孔中嵌入有一个第二玻璃气囊，所述第一通孔与所述第二通孔沿圆周方向上交替分布。
在本发明的一些实施例中，所述第一通孔包括四个，所述第二通孔包括四个。
在本发明的一些实施例中，每个所述第二玻璃气囊内密封有一种待测气体，所述待测气体为二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、硫化氢或者臭氧。
在本发明的一些实施例中，所述第一玻璃气囊和所述第二玻璃气囊均为可拆卸替换的。
在本发明的一些实施例中，所述MCU主控单元控制所述斩光轮每旋转一周，所述紫外光源闪光2次。
在本发明的一些实施例中，所述MCU主控单元控制所述斩光轮每旋转一周，所述紫外光源闪光8次。
在本发明的一些实施例中，所述MCU主控单元对所述电信号进行处理，以便输出待测气体浓度数据过程通过下列计算完成：
所述紫外光源闪光8次，所述MCU主控单元记录下闪光第1次至第8次时的光谱，并相应得到一组光强值，标记为I1-I8，其中，
I1、I3、I5、I7为样气光强值； ①
I2为本底光强值； ②
I4、I6、I8为标准气体光强值； ③
②/①为样气吸光度 ④
②/③为标准气体吸光度 ⑤
取④式及⑤式用最小二乘法拟合计算样气中各组分的浓度。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪的结构示意图。
图2是根据本发明另一个实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪的结构示意图。
图3是根据本发明一个实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪中斩光轮的结构示意图。
图4是根据本发明另一个实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪中斩光轮的结构示意图。
图5是根据本发明另一个实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪中斩光轮的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提出了双光路紫外差分光谱气体分析仪。下面参考图1-2对本发明具体实施例的双光路紫外差分光谱气体分析仪进行详细描述。
根据本发明的具体实施例，如图1-2所示，该双光路紫外差分光谱气体分析仪包括：紫外光源100、准直透200、双光路气室300、斩光轮400、会聚透镜500、紫外光谱仪600、MCU主控单元700和步进电机控制装置800。
根据本发明的具体实施例，紫外光源100用于发出紫外光束；准直透镜200设置在紫外光源100的下游，用于接收紫外光光源100发出的紫外光束，并对紫外光束进行准直后输出平行光。
根据本发明的具体实施例，双光路气室300设置在准直透镜200的下游，双光路气室300包括上下设置的检测气室310和参比气室320，检测气室310具有待测气体311进口和待测气体出口312，参比气室320内密封有氮气。双光路气室300用于对准直透镜200准直后的紫外光束进行吸收。由此通过增加参比气室320，将光路气室设计成双光路气室300，进而可以在检测待测气体时完成仪表零点和量程的标定，进而可以有效消除由于仪表特性造成的漂移，极大的提高测量数据的稳定性和准确性。
根据本发明的具体实施例，如图3所示，斩光轮400设置在准直透镜200与双光路气室300之间，斩光轮400呈圆盘状且可以以圆心转动，圆盘上限定出内圆环区420和套设在内圆环区外的外圆环区410，外圆环区410上具有第一通孔411，第一通孔内嵌入有第一玻璃气囊412，第一玻璃气囊412内密封有空气；内圆环区420上具有第二通孔421，第二通孔421内嵌入有第二玻璃气囊422，第二玻璃气囊422内密封有待测气体，其中，通过旋转斩光轮400可使得第一玻璃气囊412与检测气室310形成检测光路，使得第二玻璃气囊422与参比气室320形成参比光路，且检测光路与对比光路不能同时形成。
具体地，上述斩光轮400用于筛选光束进入双光路气室300，斩光轮400通过嵌入透明的第一玻璃气囊412和第二玻璃气囊422，并通过旋转斩光轮400使得一定时间段内光束同时穿过第一玻璃气囊412和检测气室310形成检测光路，接着一段时间内光束同时穿过第二玻璃气囊422和参比气室320形成参比光路，且检测光路与对比光路交替形成。进而可以分被测得待测气体和参比气体光强值，完成仪表零点和量程的标定，进而可以有效消除由于仪表特性造成的漂移，极大的提高测量数据的稳定性和准确性。本发明的重点在于巧妙地设计出了相互匹配应用的斩光轮400和双光路气室300，进而使得仪表零点和量程的标定能够得到有效实现。
根据本发明的具体实施例，理论上平行光经斩光轮400进入检测气室310和参比气室320的进光量应相等，为此斩光轮400选择速率应是固定的，并且第一玻璃气囊412和第二玻璃气囊422在斩光轮400旋转面上的截面积相同，进而使得通过检测光路和参比光路的光量相等。
另外，根据本发明的具体示例，外圆环区410的宽度与检测气室310的高度相同；内圆环区420的宽度与参比气室320的高度相同。由此可以保证穿过第一玻璃气囊412的光束能够全部进入检测气室310，穿过第二玻璃气囊422的光束能够全部进入参比气室320。
根据本发明的具体实施例，如图3所示，外圆环区410上具有的第一通孔411与内圆环区420第二通孔421的横截面积相同。由此可以保证进入检测气室310和参比气室320的光量相等。进一步地，所述外圆环区410的宽度与所述检测气室310的高度相同；所述内圆环区420的宽度与所述参比气室320的高度相同。由此，进而可以进一步保证进入检测气室310和参比气室320的光量相同。
根据本发明的具体实施例，如图4-5所示，所述第一通孔411可以包括多个，每个第一通孔411中嵌入有一个第一玻璃气囊412，所述第二通孔421包括多个，每个第二通孔421中嵌入有一个第二玻璃气囊422，所述第一通孔411与所述第二通孔421沿圆周方向上交替分布。通过设置多个第一通孔411和多个第二通孔421，并嵌入多个第一玻璃气囊和多个第二玻璃气囊，进而可以同时对多种气体进行检查，显著提高检测效率。
根据本发明的具体实施例，优选地，上述第一通孔411可以包括四个，第二通孔421包括四个，由此可以保证有足够的光束穿过第一玻璃气囊和第二玻璃气囊，保证检测的有效性。另外，第一通孔和第二通孔均设置四个还具有以下优点：(1)通孔设置四个均匀分布，可以避免斩光轮旋转时产生不平衡振动干扰；(2)理论上说，布置的通孔数量越多，斩光轮旋转一周可以检测样气的次数越多，响应时间越快，而分别设置四个数量上最佳；(3)取多次检测数据平均值作为检测结果，可以提高仪表的信噪比。第二通孔设置数量N则取决于需要检测的气体种类(N-1种气体，预留一个为空气)，必须圆周均匀分布。
根据本发明的具体实施例，每个所述第二玻璃气囊内密封有一种待测气体，所述待测气体为二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、硫化氢或臭氧，由此可以实现多种待测气体的检测，显著提高检测效率。另外，需要注意的是，当第二玻璃气囊有多个时，其中一个密封有空气，其他密封待测气体。由此将密封有空气的第二玻璃气囊与检测腔室形成的光路作为本底光，利用检测光路测得的样气光强值除以本底光强值即可以获得样气吸光度，利用参比光路测得的标准气体光强值除以本底光强值即可以获得标准气体吸光度，进而可以有效消除背景条件的干扰，提高检测准确度。
根据本发明的具体实施例，所述第一玻璃气囊和所述第二玻璃气囊均为可拆卸替换的。由此可以替换密封有不同待测气体的第二玻璃气囊，进而实现更多待测气体的检测，显著提高双光路紫外差分光谱气体分析仪的适用性以及应用范围。
根据本发明的具体实施例，会聚透镜500设置在双光路气室300的下游。具体地，会聚透镜500用于对所述双光路气室300射出的紫外光束进行会聚。
根据本发明的具体实施例，紫外光谱仪600通过紫外光纤610与会聚透镜500相连，以便将接收到的光信号转化为电信号。MCU主控单元700与紫外光谱仪600连接，且适于对电信号进行处理，以便输出待测气体浓度数据。
根据本发明的具体实施例，步进电机控制装置800与斩光轮400相连，以便适于控制斩光轮400旋转；其中，紫外光源100、步进电机控制装置800分别与MCU主控单元700相连，以便通过MCU主控单元700控制紫外光源100的闪光频率和斩光轮400的旋转速率。因此，斩光轮400旋转速率与紫外光源闪光频率是通过MCU主控单元700进行联控的。由此可以有效保证当检测光路或者参比光路形成时紫外光源发生闪光。
根据本发明的具体实施例，当外圆环区和内圆环区上都仅具有一个第一通孔和一个第二通孔时，即分被设置有一个第一玻璃气囊进和一个第二玻璃气囊时，MCU主控单元700通过步进电机控制装置800控制所述斩光轮每旋转一周，同时紫外光源100闪光2次。
根据本发明的具体实施例，当外圆环区和内圆环区上都分别具有四个第一通孔和四个第二通孔时，即分被设置有四个第一玻璃气囊进和四个第二玻璃气囊时，所述MCU主控单元通过步进电机控制装置800控制所述斩光轮每旋转一周，同时控制所述紫外光源闪光8次。
根据本发明的具体实施例，以斩光轮400具有四个第一玻璃气囊进和四个第二玻璃气囊，MCU主控单元通过步进电机控制装置800控制所述斩光轮每旋转一周，同时控制所述紫外光源闪光8次为例，下面对MCU主控单元对电信号进行处理，并输出待测气体浓度数据的计算过程进行描述：
具体地，图4-5所示，转光轮400上的四个第一玻璃气囊进和四个第二玻璃气囊分别标记为数字1-8号，并以紫外光源的第一次闪光穿过的1号第一玻璃气囊开始并顺次进行。即紫外光源闪光8次，MCU主控单元记录下闪光第1次至第8次时的光谱，并相应得到一组光强值，标记为I1-I8，其中，
I1、I3、I5、I7为样气光强值； ①
I2为本底光强值； ②
I4、I6、I8为标准气体光强值； ③
lg(②/①)为样气吸光度 ④
lg(②/③)分别对应待测气体的标准气体吸光度 ⑤
取④式及⑤式用最小二乘法拟合计算样气中各组分的浓度。
由此，通过采用本发明上述实施例的双光路紫外分差光谱气体分析仪并结合上述计算方法，可以有效实现对仪表零点和量程的标定，从理论上消除了仪表的零点漂移和量程漂移，提高了测量数据的准确性、稳定性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，包括：
紫外光源；
准直透镜，所述准直透镜设置在所述紫外光源的下游；
双光路气室，所述双光路气室设置在所述准直透镜的下游，所述双光路气室包括上下设置的检测气室和参比气室，所述检测气室具有待测气体进口和待测气体出口，所述参比气室内密封有氮气；
斩光轮，所述斩光轮设置在所述准直透镜与所述双光路气室之间，所述斩光轮呈圆盘状且可以以圆心转动，所述斩光轮上限定出内圆环区和套设在所述内圆环区外的外圆环区，所述外圆环区上具有第一通孔，所述第一通孔内嵌入有第一玻璃气囊，所述第一玻璃气囊内密封有空气；所述内圆环区上具有第二通孔，所述第二通孔内嵌入有第二玻璃气囊，所述第二玻璃气囊内密封有待测气体，其中，通过旋转所述斩光轮可使得所述第一玻璃气囊与所述检测气室形成检测光路，使得第二玻璃气囊与所述参比气室形成参比光路，且所述检测光路与所述对比光路不能同时形成；
会聚透镜，所述会聚透镜设置在所述双光路气室的下游；
紫外光谱仪，所述紫外光谱仪通过紫外光纤与所述会聚透镜相连，以便将接收到的光信号转化为电信号；
MCU主控单元，所述MCU主控单元与所述紫外光谱仪连接，且适于对所述电信号进行处理，以便输出待测气体浓度数据，
步进电机控制装置，所述步进电机控制装置与所述斩光轮相连，以便适于控制所述斩光轮旋转；
其中，所述紫外光源、所述步进电机控制装置分别与所述MCU主控单元相连，以便通过所述MCU主控单元控制所述紫外光源的闪光频率和所述斩光轮的旋转速率。
2.根据权利要求1所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述第一通孔与所述第二通孔的横截面积相同；所述外圆环区的宽度与所述检测气室的高度相同；所述内圆环区的宽度与所述参比气室的高度相同。
3.根据权利要求2所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述检测气室的高度与所述参比气室的高度相同。
4.根据权利要求3所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述第一通孔包括多个，每个第一通孔中嵌入有一个第一玻璃气囊，所述第二通孔包括多个，每个第二通孔中嵌入有一个第二玻璃气囊，所述第一通孔与所述第二通孔沿圆周方向上交替分布。
5.根据权利要求4所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述第一通孔包括四个，所述第二通孔包括四个。
6.根据权利要求5所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，每个所述第二玻璃气囊内密封有一种待测气体，所述待测气体为二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、硫化氢或者臭氧。
7.根据权利要求1-6任一项所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述第一玻璃气囊和所述第二玻璃气囊均为可拆卸替换的。
8.根据权利要求7所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述MCU主控单元控制所述斩光轮每旋转一周，所述紫外光源闪光2次。
9.根据权利要求7所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述MCU主控单元控制所述斩光轮每旋转一周，所述紫外光源闪光8次。
10.根据权利要求9所述的双光路紫外差分光谱气体分析仪，其特征在于，所述MCU主控单元对所述电信号进行处理，以便输出待测气体浓度数据过程通过下列计算完成：
所述紫外光源闪光8次，所述MCU主控单元记录下闪光第1次至第8次时的光谱，并相应得到一组光强值，标记为I1-I8，其中，
I1、I3、I5、I7为样气光强值； ①
I2为本底光强值； ②
I4、I6、I8为标准气体光强值； ③
②/①为样气吸光度 ④
②/③为标准气体吸光度 ⑤
取④式及⑤式用最小二乘法拟合计算样气中各组分的浓度。
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