CN111551210A - 温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置 - Google Patents

温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置 Download PDF

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李博
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Abstract

本发明公开了温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置，包括：氘灯，产生紫外光；石英透镜，用于将氘灯发出的紫外光经过石英透镜后变成紫外平行光；被测区域，具有二氧化硫气体，二氧化硫气体用于吸收经过石英透镜射出的紫外光；聚焦石英透镜，用于将从被测区域射出的紫外光聚焦；光谱仪，用于将经过聚焦石英透镜射出的紫外光聚焦到光谱仪中，光谱仪采集光谱数据并将数据输入到计算机中；计算机，分析二氧化硫吸收光谱的特征并实时给出二氧化硫气体的温度和浓度信息。采用本装置在成本不变的情况下，又实现了温度测量功能，使测量系统功能多元化。

Description

温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置
技术领域
本发明涉及紫外吸收光谱及气体温度传感装置，特别是涉及温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置。
背景技术
目前，二氧化硫测量方法主要包括化学方法和光学方法。化学方法是单点测量，通常需要取样并通过化反应变化给出测量结果，测量精度高，如：申请人：李辉，申请号：CN201020292418.1，申请日：2010.08.06的中国专利公开的智能高稳定二氧化硫在线监测仪，申请号：CN201510018174.5，申请日：2015.01.14，申请人：成都海兰天澄科技有限公司的中国专利公开的一种二氧化硫在线监测方法，但这种侵入式测量方法易受二氧化硫吸附甚至腐蚀，设备寿命短，需要经常更换探头，长时间测量可靠性差。
光学方法具有非侵入测量优势，使用寿命长，并能评估被测区域内二氧化硫的平均浓度，更具代表性。光学测量方法主要包括：激光诱导荧光法，如：Y.Matsumi,H.Shigemori,and K.Takahashi,Laser-induced fluorescence instrument formeasuring atmospheric SO2,Atmos.Environ.39(2005)3177-3185(激光诱导荧光大气二氧化硫测量装置)，可调谐二极管激光吸收光谱法，如：T.Hieta,and M.Merimaa,Simultaneous detection of SO2,SO3and H2O using QCL spectrometer for combustionapplications,Appl.Phys B 117(2014)847-854.(利用量子级联激光器测量燃烧环境中的二氧化硫，三氧化硫和水)和紫外吸收光谱法Y.G.Zhang,H.A.Wang,G.Somesfalean,Z.Y.Wang,X.T.Lou,S.H.Wu,Z.G.Zhang,and Y.K.Qin,Broadband UV spectroscopysystem used for monitoring of SO2 and NO emissions from thermal power plants,Atmos.Environ.44(2010)4266-4271.(利用宽带紫外光谱系统测量锅炉中二氧化硫和一氧化氮气体。)。由于紫外吸收光谱法成本低廉，方法可靠，适用性强，是目前工业监测中最常用的方法。二氧化硫气体在紫外波段240-340nm处具有很强的吸收。在常温条件下，利用紫外吸收光谱技术可实现二氧化硫浓度的精确测量，其测量灵敏度可达ppm量级，如：申请号：200810064125.5，申请日：2008-03-17，申请人：张志国.的中国专利公开的同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法。然而，在大部分实际应用当中，被测区域温度通常是未知的，或者温度是实时变化的。如果不做相应的温度修正，那么二氧化硫浓度测量结果就会出现很大误差，误差产生的原因在于二氧化硫的吸收截面会随温度变化而变化。若不能准确的获得温度信息，就无法确定吸收截面的大小，更无法准确的给出浓度信息。目前，在非常温及变温条件下二氧化硫浓度测量必须外加温度测量设备。热电偶是最常用测量手段，然而作为一种侵入式测量，十分容易受环境的影响，尤其是二氧化硫具有很强的吸附性，遇水变硫酸又会有很强的腐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种使浓度测量结果更加精确，同时降低了开发成本和系统复杂性的温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置。
本发明通过如下技术方案予以实现。
本发明的温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置，包括：
氘灯，所述的氘灯作为测量系统的紫外光源产生紫外光；
石英透镜，所述的石英透镜用于将氘灯发出的紫外光经过石英透镜后变成紫外平行光；
被测区域，所述的被测区域中具有二氧化硫气体，二氧化硫气体用于吸收经过石英透镜射出的紫外光；
聚焦石英透镜，所述的聚焦石英透镜用于将从被测区域射出的紫外光聚焦；
光谱仪，所述的光谱仪用于将经过聚焦石英透镜射出的紫外光聚焦到光谱仪中，光谱仪采集光谱数据并将数据输入到计算机中；
计算机，所述的计算机用于读取光谱仪输出的光谱数据，分析二氧化硫吸收光谱的特征并实时给出二氧化硫气体的温度和浓度信息；
所述的二氧化硫气体的温度T和浓度N计算公式为：
T＝T0+Aexp(OP/t)
Figure BDA0002516501360000031
式中I1(λ)为经过二氧化硫吸收后光谱仪测量到的光谱，In(λ)为根据实验数据利用计算机拟合得到光谱，T为所测气体温度，OP为系统的光学参量，T0为标定时采用的二氧化硫气体的温度，A为根据标定实验数据得到的拟合系数，t为标定时采用二氧化硫气体的浓度，α(T0)为温度在T0摄氏度时二氧化硫的吸收线强，η(T)为吸收补偿系数，λ为二氧化硫吸收波长。
本发明具有的优点和积极效果是：
传统的基于紫外吸收光谱技术测量二氧化硫浓度通常需要抽取采样，并严格控制温度，才能获得较好测量精度。对于变温条件下测量需外加温度测量设备。本发明可根据被测区域内的二氧化硫吸收光谱同时获得被测区域的温度和浓度信息。其温度测量结果不仅可以准确的反应被测区域的温度场变化情况，同时也为浓度测量结果的校准提供准确的温度数据，从而使浓度测量结果更精确。本发明不需外加温度测量设备，测量系统更紧凑，便于小型化。在成本不变的情况下，又实现了温度测量功能，使测量系统功能多元化。
附图说明
图1为本发明的温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为能更好的理解本发明的发明内容、特点，下面结合附图和实施方案对本发明的技术作进一步的说明。
本发明的温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置，包括：
氘灯1，所述的氘灯作为测量系统的紫外光源产生紫外光；
石英透镜2，所述的石英透镜用于将氘灯1发出的紫外光经过石英透镜2后变成紫外平行光；
被测区域3，所述的被测区域3中具有二氧化硫气体，二氧化硫气体用于吸收经过石英透镜2射出的紫外光，所述的被测区域3可为密闭样品池，也可为开放环境；
聚焦石英透镜4，所述的聚焦石英透镜4用于将从被测区域3射出的紫外光聚焦；
光谱仪5，所述的光谱仪5用于将经过聚焦石英透镜4射出的紫外光聚焦到光谱仪5中，光谱仪5采集光谱数据并将数据输入到计算机6中；
计算机6，所述的计算机6用于读取光谱仪5输出的光谱数据，分析二氧化硫吸收光谱的特征并实时给出二氧化硫气体的温度和浓度信息；
所述的二氧化硫气体的温度T和浓度N计算公式为：
T＝T0+A exp(OP/t)
Figure BDA0002516501360000041
式中I1(λ)为经过二氧化硫吸收后光谱仪测量到的光谱，In(λ)为根据实验数据利用计算机拟合得到光谱，T为所测气体温度，OP为系统的光学参量，可通过采用已知浓度和温度的二氧化硫气体标定得到，T0为标定时采用的二氧化硫气体的温度，A为根据标定实验数据得到的拟合系数，t为标定时采用二氧化硫气体的浓度。α(T0)为温度在T0摄氏度时二氧化硫的吸收线强，可从nist标准数据库中获得，η(T)为吸收补偿系数，该补偿系数为常数，可以通过测量不同温度下的吸收线强变化率得到，λ为二氧化硫吸收波长。
本方法操作简单可靠，可实时在线自动化测量温度和二氧化硫浓度信息。
实施例1
紫外光源覆盖紫外光谱200-400nm波长范围，紫外光经石英透镜后变成平行光由样品池的一端照射进样品池，样品池内充满未知浓度和未知温度的二氧化硫气体，紫外光在样品池内被二氧化硫吸收后由样品池的另一端射出，射出光被石英透镜聚焦到光谱仪中，光谱仪所采集的光谱信息由光谱仪的USB数据线传输到电脑中。光谱信号中包含温度和二氧化硫浓度信息。通过已经编好的处理程序对光谱信号进行实时数据处理。
数据处理：首先根据光谱数据特征选取用于数据处理的波长范围为240-340nm，并在此波段处提取出与温度相关的光学参量OP，其表达式公式(1)所示。公式(1)中I1(λ)为经过二氧化硫吸收后的光谱，In(λ)为根据实验数据拟合后的光谱，I0(λ)为未经气体吸收的入射光谱，λ为二氧化硫吸收波长，波长范围为240nm-340nm。从公式(1)可以看出，光学参量OP是通过实验所得光谱数据I1(λ)、I0(λ)以及根据实验数据拟合所得光谱数据In(λ)计算得到，其数值只与温度相关，与二氧化硫浓度无关，因此可根据标定实验建立温度T与光学参量OP之间的关系，并得到温度T与光学参量OP拟合关系公式(2)。公式(2)中参数T0为标定实验时采用的二氧化硫气体的温度，为已知数；A为根据标定实验数据得到的拟合系数，为已知数；t为标定实验时采用二氧化硫气体的浓度，为已知数。因此，根据公式(2)可建立温度T和光学参量OP的一一对应关系曲线。对于未知温度的二氧化硫气体，通过测量其光学参量OP，结合公式(2)的关系曲线，即可获得其温度T。获得温度后，可根据温度结果得到经过温度修正后的浓度表达公式(3)。公式(3)中α(T0)为温度在T0摄氏度时二氧化硫的吸收线强，η(T)为温度为T时的吸收补偿系数，该补偿系数为常数，可通过标定实验获得。通过实时测量出射光谱I1(λ)和入射光谱I0(λ)，即可实时得到浓度N。本发明中，温度与二氧化硫浓度光谱数据可同时获得，并实时在线给出测量结果。
Figure BDA0002516501360000061
T＝T0+Aexp(OP/t) (2)
Figure BDA0002516501360000062
本发明温度测量范围为0-1200摄氏度，测量精度小于1％。浓度测量范围0-1500ppm，测量精度小于1％。
以上实施例仅用于说明本发明的技术而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.温度及二氧化硫气体浓度实时在线测量装置，其特征在于包括：
氘灯，所述的氘灯作为测量系统的紫外光源产生紫外光；
石英透镜，所述的石英透镜用于将氘灯发出的紫外光经过石英透镜后变成紫外平行光；
被测区域，所述的被测区域中具有二氧化硫气体，二氧化硫气体用于吸收经过石英透镜射出的紫外光；
聚焦石英透镜，所述的聚焦石英透镜用于将从被测区域射出的紫外光聚焦；
光谱仪，所述的光谱仪用于将经过聚焦石英透镜射出的紫外光聚焦到光谱仪中，光谱仪采集光谱数据并将数据输入到计算机中；
计算机，所述的计算机用于读取光谱仪输出的光谱数据，分析二氧化硫吸收光谱的特征并实时给出二氧化硫气体的温度和浓度信息；
所述的二氧化硫气体的温度T和浓度N计算公式为：
T＝T0+Aexp(OP/t)
Figure FDA0002516501350000011
式中I1(λ)为经过二氧化硫吸收后光谱仪测量到的光谱，In(λ)为根据实验数据利用计算机拟合得到光谱，T为所测气体温度，OP为系统的光学参量，T0为标定时采用的二氧化硫气体的温度，A为根据标定实验数据得到的拟合系数，t为标定时采用二氧化硫气体的浓度，α(T0)为温度在T0摄氏度时二氧化硫的吸收线强η(T)为吸收补偿系数,λ为二氧化硫吸收波长。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114184566A (zh) * 2021-11-15 2022-03-15 哈尔滨工业大学 一种基于紫外吸收光谱法适用于不同温度的硫酸根浓度测量模型及其验证方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1563946A (zh) * 2004-04-09 2005-01-12 哈尔滨工业大学 二氧化硫气体浓度监测系统及其监测方法
CN1869653A (zh) * 2005-05-26 2006-11-29 哈尔滨华瑞光电技术有限公司 在线二氧化硫气体浓度监测仪
CN101256140A (zh) * 2008-03-17 2008-09-03 哈尔滨工业大学 同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法
CN102435567A (zh) * 2011-11-22 2012-05-02 杭州微兰科技有限公司 基于差分吸收光谱的气体组分浓度反演算测定方法
CN105181615A (zh) * 2015-09-16 2015-12-23 燕山大学 一种二氧化硫和硫化氢气体浓度检测装置及其检测方法
CN106596444A (zh) * 2016-12-08 2017-04-26 哈尔滨工业大学 一种基于紫外宽带吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1563946A (zh) * 2004-04-09 2005-01-12 哈尔滨工业大学 二氧化硫气体浓度监测系统及其监测方法
CN1869653A (zh) * 2005-05-26 2006-11-29 哈尔滨华瑞光电技术有限公司 在线二氧化硫气体浓度监测仪
CN101256140A (zh) * 2008-03-17 2008-09-03 哈尔滨工业大学 同时监测二氧化硫和一氧化氮气体浓度的便携装置及测量方法
CN102435567A (zh) * 2011-11-22 2012-05-02 杭州微兰科技有限公司 基于差分吸收光谱的气体组分浓度反演算测定方法
CN105181615A (zh) * 2015-09-16 2015-12-23 燕山大学 一种二氧化硫和硫化氢气体浓度检测装置及其检测方法
CN106596444A (zh) * 2016-12-08 2017-04-26 哈尔滨工业大学 一种基于紫外宽带吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
QIANG GAO ETAL: "Gas Temperature Measurement Using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS)", 《SAGE JOURNALS》 *
高星: "吸收光谱法测量二氧化硫和一氧化氮气体浓度的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 *
黄书华等: "基于非分散红外光谱吸收法的SO_2检测系统研究", 《红外》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114184566A (zh) * 2021-11-15 2022-03-15 哈尔滨工业大学 一种基于紫外吸收光谱法适用于不同温度的硫酸根浓度测量模型及其验证方法
CN114184566B (zh) * 2021-11-15 2023-07-21 哈尔滨工业大学 一种基于紫外吸收光谱法适用于不同温度的硫酸根浓度测量模型及其验证方法

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