CN109374536A - 臭氧浓度测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种臭氧浓度测定装置和测定方法，该检测装置包括入气口，所述入气口连接第一入气支路和第二入气支路，所述第一入气支路和第二入气支路连接至支路选通组件的入口，第二入气支路上设置有臭氧过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计采用紫外连续光谱光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算臭氧浓度。该测定方法，通过已知浓度的标准气体来确定定标系数，基于定标系数和气体的光强计算臭氧的浓度。该装置体积小、重量轻、方便携带、无污染，该方法为一种节能环保的检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种臭氧浓度测定装置和臭氧浓度测定方法。
背景技术
臭氧是大气中化学性质活泼的微量气体，具有强氧化性、温室效应以及紫外吸收特性，对气候、生态、环境等具有重要意义和影响。臭氧也是城市环境空气中最为重要的二次污染物之一，是酸雨、光化学烟雾、大气能见度下降等污染现象的主要成因之一，还会对人体造成严重的危害。臭氧是国家环境空气质量监测的必测项目之一。近几年臭氧已成为国内部分城市的首要空气污染物，臭氧监测已经受到广泛关注。需要加大监测频次和密度来确保足够多的监测数据，固定式的监测站和移动监测车由于点位太少，已不能满足快速增长的监测需求，体积小、重量轻、可随时随地检测的臭氧测定仪将会解决这一难题。
目前市面上用于环境空气臭氧监测的臭氧分析仪主要有美国Thermo公司的49i型臭氧分析仪和美国API公司的T400型臭氧分析仪等。这些产品在国内大量使用，已经成为国内环境空气臭氧监测的标准参考产品。这种环境空气臭氧分析仪均为机柜式，都需要供市电，体积很大，无法便携使用。上述产品均采用紫外光度法，紫外光度法也是我国环境空气臭氧测定的标准方法之一。
紫外光度法是利用臭氧分子在紫外谱段具有强烈吸收的特性，结合比尔-朗伯定律计算被测气体中的臭氧浓度，具有测定简单、快速、抗干扰能力强的特点。现在广泛使用的基于紫外光度法的环境空气臭氧分析仪存在以下问题：
采用低压汞灯作为光源，汞灯用于臭氧测定的谱线单一，抗干扰能力差；汞灯寿命较短，需要经常更换；汞灯中含有重金属汞，废弃后处理不当会对环境造成严重污染。
需要复杂的空气样气预处理，空气湿度较高时，被测空气气路和参比气路湿度不一致，会产生较大误差。
体积和功耗较大，并且需要稳定的工作环境来保证检测的准确性，常用与固定监测站或移动式监测车上，不能单独在户外使用。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提出了抗干扰能力强、节能环保、体积小、重量轻，使用方便的臭氧浓度测定装置，同时基于该装置，提供一种测量精确度高的臭氧浓度测定方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种臭氧浓度测定装置，包括入气口，所述入气口连接第一入气支路和第二入气支路，所述第一入气支路和第二入气支路连接至支路选通组件的入口，第二入气支路上设置有臭氧过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计采用紫外连续光谱光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算臭氧浓度。
优选的，所述处理器包括：
数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；
定标系数计算单元：用于基于标准臭氧气体的光度信息计算光度计定标系数，所述标准臭氧气体为已知浓度的臭氧气体；
臭氧浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算臭氧浓度。
优选的，所述臭氧浓度测定装置进一步包括温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器连接至光度计，用于测量光度计内的温度和压力。
优选的，所述臭氧浓度测定装置进一步包括气泵，所述气泵连接至光度计的出口。
优选的，所述臭氧浓度测定装置进一步包括流量计，设置在光度计出口和气泵之间的气路上。
优选的，所述臭氧浓度测定装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计之间气路上的湿度平衡管。
优选的，支路选通组件为三通电磁阀。
一种臭氧浓度测定方法，采用上述的臭氧浓度测定装置，包括以下步骤：
选择已知浓度Ck的臭氧作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号Ik0；
基于第一光强信号和第二光强信号，计算定标系数k，
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I0；
计算臭氧浓度：
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)采用深紫外LED光源或脉冲氙灯光源，光谱带宽大于10nm，谱线更宽，抗干扰能力更强；光源寿命长，可通过调制或脉冲方式工作，寿命在10年以上；深紫外LED和脉冲氙灯不含有重金属汞，不会造成环境污染。
(2)气路中设计了湿度平衡管，保证两路气体进入光度计气室之前湿度与环境空气湿度达到一致，不会因为两路气体的湿度存在差异导致气室壁反射率变化，进一步导致光能和等效光程发生变化，产生较大的测量误差。
(3)体积小、重量轻，方便携带；功耗低，可以采用锂电池供电，没有其他配套设施的需求。能够实现随时随地检测的目的。为轻量化便携式环境空气臭氧分析仪。
附图说明
图1为本发明臭氧浓度测定装置结构图；
图2光度计原理图；
图3为臭氧在紫外谱段的特征吸收光谱示意图；
图4为处理器结构示意图；
图5为本发明臭氧浓度测定方法流程图。
100-臭氧浓度测定装置，101-第二支路，102-第一支路，103-臭氧过滤器，104-三通电磁阀，105-湿度平衡器，106-光度计，1061-光源，1062-气室，1063-探测器，107-光度计入口，108-光度计出口，109-温度传感器，110-压力传感器，111-流量计，112-气泵。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明首先提供一种臭氧浓度测定装置，可用于臭氧浓度的测定。
一种臭氧浓度测定装置100，结构参考图1，包括入气口，入气口用于接入标准气体。入气口连接第一入气支路102和第二入气支路101，第一入气支路102和第二入气支路101连接至支路选通组件的入口，第二入气支路101上设置有臭氧过滤器103；进一步包括光度计106和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计入口107。其中，支路选通组件用于控制第一支路102或第二支路101与光度计106的接通，且同时，仅有一路支路的气体接入光度计106。本实施例中，支路选通组件采用三通电磁阀104，其可放置在气路一分二的位置或二合一的位置，也就是在臭氧过滤器103的前端或后端，采用PTFE阀体。通过电磁阀的控制，使得通过臭氧过滤器和没通过臭氧过滤器的气路交替连通。
上述气路中的气管采用不吸附臭氧的材料，如PTFE、PFA、FEP、PVDF、石英玻璃等材料。第二入气支路101上的臭氧过滤器103中装有与臭氧反应的颗粒，如二氧化锰、碘化钾等，能够仅消除掉臭氧成分，而不影响样气中的其他成分。
图3所示为臭氧在可见光谱段的特征吸收光谱，特征吸收的峰值在254nm左右，由于臭氧在230nm～280nm之间具有比较强的吸收，可以选择在此谱段进行臭氧的光度法检测，这样可以获得最大的信噪比，减小干扰，提高检测精度。
基于此，对本发明臭氧分析仪采用的光度计106进行如下设计。本发明提供的臭氧浓度测定装置的光度计106采用所述光度计采用紫外连续光谱光源；光度计的结构至少包括光源、气体吸收池和探测器，结构参考图2。例如，可以采用紫外LED灯、脉冲氙灯或作为光源；具体提供两种光度计106的实现形式。第一种实现形式：可选光源包括中心波长为254nm左右的深紫外LED或带滤光片的脉冲氙灯，探测器采用紫外响应增强的的硅光电二极管，如果采用深紫外LED作为光源，由于深紫外光光谱本身为窄带光谱，探测器前端不用加带通滤光片。第二种实现形式：采用脉冲氙灯光源，由于其为宽光谱，需要加窄带滤光片将工作波长范围限制在240-260之间，消除不需要的光能，窄带滤光片可以放置在光源出光口或在探测器的窗口处。气室的光程大约500mm，保证有足够快的冲洗频率。
数据处理器获取光度计采集的光度信息，并计算生成臭氧浓度。处理器具体包括：
数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；
定标系数计算单元：用于基于标准臭氧气体的光度信息计算光度计定标系数，所述标准臭氧气体为已知浓度的臭氧气体；
臭氧浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算臭氧浓度。
为了保证更精确的测量精度，臭氧浓度测定装置进一步包括温度传感器109和压力传感器110，温度传感器109和压力传感器110连接至光度计106，用于测量光度计106内的温度和压力，用于计算臭氧浓度。这种臭氧浓度的计算方法与本发明提供的方法属于冗余算法，属于现有技术中已知的计算方法，此处不再赘述。
为了保证气体通过测定仪的流畅性，臭氧浓度测定装置进一步包括气泵112，气泵112连接至光度计出口108。气泵112采用的为薄膜泵，在光度计106出口和气泵112之间的气路上设置流量计111，流量计111采用的为孔口流量计，用于控制气路中流量，确保流量稳定。
为了进一步降低气体湿度对测量精度的影响，臭氧浓度测定装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计106之间气路上的湿度平衡管105。上述湿度平衡管106为一种膜式渗透管，只能通过水分子氢氧基交换使的管壁内外的湿度达到平衡状态，其它气体不受影响。
上述臭氧浓度测定装置具有市电接口和锂电池接口，可采用市电供电，也可采用锂电池供电，使得可以随时随地使用。由于可采用锂电池供电，可进一步提高仪器的便携性，不受供电条件的使用限制。
本发明进一步提供一种臭氧浓度测定方法。
一种臭氧浓度测定方法，采用上述的臭氧浓度测定装置，包括以下步骤：
(1)计算定标系数
选择已知浓度Ck的臭氧作为标准气体，由于臭氧特性比较灵活，环境空气的臭氧极易被氧化，臭氧标准气体是通过臭氧发生器制造的，为了防止其被氧化，制造的标准气体将被存储在臭氧瓶中。
将臭氧瓶出口接通气体入口，将臭氧标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，除去标准气体中的臭氧，处理器采集第二光强信号Ik0；
基于第一光强信号和第二光强信号，标准气体的浓度与光强信号的关系，计算定标系数k，
气体的浓度与光强信号的关系为：
推算获得定标系数：
(2)计算臭氧浓度
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I0，经过第二支路后的气体，为去除臭氧之后的气体；
计算臭氧浓度：
本发明提供的臭氧浓度测定装置，光源不含有重金属汞，不会造成环境污染，该装置体积小、重量轻，方便携带；功耗低，可以采用锂电池供电。本发明提供的臭氧浓度测定方法进行臭氧浓度的测定，不需要复杂的气体预样处理，方法简单高效。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种臭氧浓度测定装置，其特征在于：包括入气口，所述入气口连接第一入气支路和第二入气支路，所述第一入气支路和第二入气支路连接至支路选通组件的入口，第二入气支路上设置有臭氧过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计采用紫外连续光谱光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算臭氧浓度。
2.如权利要求1所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述处理器包括：
数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；
定标系数计算单元：用于基于标准臭氧气体的光度信息计算光度计定标系数，所述标准臭氧气体为已知浓度的臭氧气体；
臭氧浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算臭氧浓度。
3.如权利要求1所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述臭氧浓度测定装置进一步包括温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器连接至光度计，用于测量光度计内的温度和压力。
4.如权利要求1所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述臭氧浓度测定装置进一步包括气泵，所述气泵连接至光度计的出口。
5.如权利要求4所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述臭氧浓度测定装置进一步包括流量计，设置在光度计出口和气泵之间的气路上。
6.如权利要求1所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述臭氧浓度测定装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计之间气路上的湿度平衡管。
7.如权利要求7所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述湿度平衡管为膜式渗透管。
8.如权利要求1所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：支路选通组件为三通电磁阀。
9.如权利要求1所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于：所述光源为紫外LED灯或脉冲氙灯。
10.一种臭氧浓度测定方法，采用权利要求1至7中任意一项所述的臭氧浓度测定装置，其特征在于，包括以下步骤：
选择已知浓度Ck的臭氧作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号Ik0，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号Ik；
基于第一光强信号和第二光强信号，计算定标系数k，
将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号I0，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号I；
计算臭氧浓度：
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