CN109781638A - 一种基于光腔技术测量no3过程中扣水汽干扰的装置和方法 - Google Patents

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秦敏
方武
梁帅西
唐科
孟凡昊
叶凯迪
谢品华
刘建国
刘文清
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Abstract

本发明公开了一种基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的装置和方法，包括LED光解光源、反光材料、采样管、直通接头以及控制模块。方法为：1.将该装置通过直通接头连接至NO3自由基测量设备的采样口；2.打开LED光解光源，NO3自由基迅速光解，NO3自由基测量设备获得不含NO3自由基吸收，含水汽吸收的背景谱；3.关闭LED光解光源，NO3自由基测量设备正常采样测量，NO3自由基测量设备获得含NO3自由基吸收和水汽吸收的测量谱，通过经典算法能够获得NO3自由基浓度。本发明利用NO3自由基易光解的特点，通过频繁测量不含NO3自由基吸收、含水汽吸收的背景谱以解决现有光腔技术测量大气NO3中水汽吸收干扰的问题，提高NO3自由基测量设备的探测灵敏度和精度。

Description

一种基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的装置和方法
技术领域
本发明涉及光腔技术测量痕量气体的技术领域，具体涉及一种基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的装置和方法。
背景技术
NO3自由基是夜间大气化学循环的关键痕量气体，控制了众多微量气体的氧化和去除过程，影响夜间二次有机气溶胶的形成，对NOx非光化学转化为HNO3或ClNO2及硝酸盐颗粒物的形成也起着关键作用。因此，测量大气NO3浓度对大气化学研究至关重要。
NO3易光解，正午时分的NO3自由基在大气的寿命仅为数秒，在白天浓度极低，可以忽略；在夜间，大气NO3自由基浓度在几个到几百个pptv范围内，因此要求大气NO3测量技术要有很高的探测灵敏度。而目前，采用光腔技术(主要包括腔增强吸收光谱技术和腔衰荡光谱技术等)是直接测量NO3自由基的主流方法。由于光腔技术通常基于朗伯比尔吸收定律，采用NO3自由基在约660nm波段的强吸收进行探测，但在该波段，除了大气NO3的吸收之外，大气中的水汽也存在很强的吸收。由于实际大气水汽浓度高，会产生非线性吸收现象，无法通过简单的光谱拟合等经典光谱计算方法进行扣除；另一方面，NO3自由基活性强，若直接应用除湿技术消除水汽的同时，NO3自由基基本上也消失殆尽。若起主导作用的水汽吸收结构无法从被测吸收光谱中扣除，大气NO3的吸收结构就会被掩盖，导致大气NO3自由基的探测灵敏度和精度会下降。因此，扣除水汽的吸收干扰目前是光腔技术测量NO3的难点问题，水汽干扰也成为光腔技术测量大气NO3最大的干扰源，影响NO3的探测灵敏度和精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种光腔技术测量NO3自由基过程中扣除水汽干扰的装置和方法，以解决现有光腔技术测量大气NO3中水汽吸收干扰的问题。
本发明提出的技术方案为：一种基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的装置，包括：多个LED光解光源1，反光材料2，采样管3，直通接头4以及控制模块5，多个LED光解光源的发光面紧贴着采样管，反光材料包裹着采样管和LED光源，控制模块用于LED光解光源的供电及控制；工作方法为：将本发明的装置通过直通接头连接至NO3自由基测量设备的采样口，在测量NO3自由基过程中，首先打开LED光解光源，NO3自由基迅速光解，NO3自由基测量设备获得不含NO3自由基吸收，但含水汽吸收的背景谱；其次，关闭LED光解光源，NO3自由基测量设备正常采样测量，NO3自由基测量设备获得含NO3自由基吸收和水汽吸收的测量谱，由于短时间内大气的水汽浓度几乎保持不变，相同的水汽吸收同时存在于背景谱和测量谱，通过经典光谱算法就能够有效消除水汽的影响，提高NO3自由基测量设备的探测灵敏度和精度。
所述的LED光解光源的波长小于630nm，能够有效光解NO3自由基。
所述的反光材料能够反射LED光，能够提高装置的光解效率。
所述的LED光解光源的数量及功率根据测量期间的NO3自由基浓度确定，确保NO3自由基能够光解殆尽。
所述的采样管为透明PFA材质，可以确保光解光源发出的光辐射可以穿透采样管。同时，该材质采样管具有极佳的化学惰性，最大程度上减少NO3自由基的碰撞损耗。
所述的控制电源模块，可以控制LED光解光源的通断。
本发明的优点与有益效果在于：
(1)本发明可以有效扣除光腔技术测量大气NO3自由基过程中水汽的干扰问题，提高NO3自由基的探测灵敏度和精度。
(2)本发明提出的方法不会对采样气流产生扰动，避免对NO3测量装置的干扰和影响。
(3)本发明装置简单，成本低，操作容易，易于安装，并能够实现全自动测量。
附图说明
图1为本发明多棱反射锥的示意图；
图中：1为多个LED光解光源，2为反光材料，3为采样管，4为直通接头，5为控制模块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明提出的一种基于光腔技术测量NO3自由基过程中扣除水汽干扰的装置，包括：多个LED光解光源1，反光材料2，采样管3，直通接头4以及控制模块5，多个LED光解光源1的发光面紧贴着采样管3，反光材料2包裹着采样管3和多个LED光解光源1，控制模块5用于多个LED光解光源1的供电及控制。具体方法为：将本发明的装置通过直通接头连接至NO3自由基测量设备的采样口，在测量NO3自由基过程中，首先打开LED光解光源，NO3自由基迅速光解，NO3自由基测量设备获得不含NO3自由基吸收，但含水汽吸收的背景谱；其次，关闭LED光解光源，NO3自由基测量设备正常采样测量，NO3自由基测量设备获得含NO3自由基吸收和水汽吸收的测量谱，由于短时间内水汽浓度几乎保持不变，相同的水汽吸收同时存在于背景谱和测量谱，通过经典光谱算法就能够有效消除水汽的影响，提高NO3自由基测量设备的探测灵敏度和精度。
所述的LED光解光源的波长小于630nm，能够有效光解NO3自由基。
所述的反光材料能够反射LED光，能够提高装置的光解效率。
所述的LED光解光源的数量及供电功率根据测量期间的NO3浓度确定，确保NO3自由基光解殆尽。
所述的采样管为透明PFA材质，可以确保光解光源发出的光辐射可以穿透采样管。同时，该材质采样管具有极佳的化学惰性，最大程度上减少NO3自由基的碰撞损耗。
所述的控制电源模块，可以控制LED光解光源的通断，以及传输运行状态至NO3测量系统。
以光腔技术中的宽带腔增强吸收光谱技术测量NO3自由基为例说明本实施方式。目前的宽带腔增强吸收光谱技术测量NO3自由基的设备主要包括：中心波长为660nm的高亮度发光二极管，约1米长的光学谐振腔，一对在640-680nm波段的镜片反射率优于0.9999高反镜片和光谱仪探测器，本发明提出的装置连接至NO3测量装置的采样管。具体实施步骤如下：
步骤1，首先进行宽带腔增强吸收光谱技术测量NO3自由基的设备的镜片反射率标定，分别将高纯氦气(99.9999％)和氮气(99.9999％)依次通入腔内，待光谱稳定后分别记录相应的光谱强度IHe(λ)和IN2(λ)，He和N2的瑞利散射系数(和)可参考文献(SHARDANAND,RAO A D P.Absolute Rayleigh scattering cross sections of gasesand freons of stratospheric interest in the visible and ultraviolet regions[J].NASA Technical Note,1977)，根据式(1)可计算出镜片反射率随波长变化曲线R(λ)。
其中，d为谐振腔腔长；
步骤2，打开采样泵，环境空气进入光学谐振腔。打开本发明装置的光解光源，采样气流中的NO3自由基迅速光解，而水汽浓度不受影响。光谱仪探测器获得不含NO3自由基吸收，但含水汽吸收的背景谱I0(λ)。
步骤3，完成采集不含NO3自由基吸收，但含水汽吸收的背景谱I0(λ)后，关闭本发明装置的光解光源，待含NO3自由基的环境空气充满谐振腔后，开始测量NO3自由基的吸收光谱I(λ)。
步骤4，获得了镜片反射率随波长变化曲线R(λ)，背景谱I0(λ)和吸收光谱I(λ)之后，NO3自由基的吸收系数α(λ)能够通过式2计算获得，其中，d为谐振腔腔长，αRay(λ)为采样气流的瑞利散射系数。
步骤5，对获取的α(λ)进行最小二乘法拟合可以获得NO3自由基的浓度。
重复步骤2-步骤5，可以不断获取NO3自由基的浓度，实现解决现有光腔技术测量大气NO3中水汽吸收干扰的问题，提高NO3自由基测量设备的探测灵敏度和精度。

Claims (3)

1.一种基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的装置，其特征在于：该装置包括多个LED光解光源(1)、反光材料(2)、采样管(3)、直通接头(4)以及控制模块(5)，多个LED光解光源的发光面紧贴着采样管，反光材料包裹着采样管和多个LED光解光源，控制模块用于多个LED光解光源的供电及控制；工作方法为：将该装置通过直通接头连接至NO3自由基测量设备的采样口，在测量NO3自由基过程中，首先打开LED光解光源，NO3自由基迅速光解，NO3自由基测量设备获得不含NO3自由基吸收，但含水汽吸收的背景谱；其次，关闭LED光解光源，NO3自由基测量设备正常采样测量，NO3自由基测量设备获得含NO3自由基吸收和水汽吸收的测量谱，能够获得NO3自由基浓度；由于短时间内水汽浓度几乎保持不变，相同的水汽吸收同时存在于背景谱和测量谱，通过经典光谱算法就能够有效消除水汽的影响，提高NO3自由基测量设备的探测灵敏度和精度。
2.根据权利要求1所述的基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的装置，其特征在于：所述的LED光解光源的波长小于630nm，能够有效光解NO3自由基，所述的反光材料能够反射LED光，能够提高装置的光解效率；所述的LED光解光源的数量及功率根据测量期间的NO3浓度确定，确保NO3自由基能够光解殆尽；所述的采样管为透明PFA材质，可以确保光解光源发出的光辐射可以穿透采样管；同时，该材质采样管具有极佳的化学惰性，最大程度上减少NO3自由基的碰撞损耗；所述的控制电源模块，可以控制LED光解光源的通断。
3.一种基于光腔技术测量NO3过程中扣水汽干扰的方法，其特征在于：将权利要求1或2所述的装置通过直通接头连接至NO3自由基测量设备的采样口，在测量NO3自由基过程中，首先打开LED光解光源，NO3自由基迅速光解，NO3自由基测量设备获得不含NO3自由基吸收，但含水汽吸收的背景谱；其次，关闭LED光解光源，NO3自由基测量设备正常采样测量，NO3自由基测量设备获得含NO3自由基吸收和水汽吸收的测量谱，能够获得NO3自由基浓度，由于短时间内水汽浓度几乎保持不变，相同的水汽吸收同时存在于背景谱和测量谱，通过经典光谱算法就能够有效消除水汽的影响，提高NO3自由基测量设备的探测灵敏度和精度。
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