CN113916821B - 臭氧浓度测量系统及使用该系统测量臭氧浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种臭氧浓度测量系统及使用该系统测量臭氧浓度的方法，包括测量室、紫外光源、紫外光探测器、臭氧涤除器、零点调节模块和进气控制开关，需要测量臭氧浓度的样气由所述进气控制开关控制择一进入测量室或者进入臭氧涤除器；所述臭氧涤除器用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室；该测量系统在一个测量周期内进行样气测量和背景气测量；所述零点调节模块电连接所述紫外光探测器，其通过自身的电信号调节，使得该测量系统在每个测量周期的背景气测量时的输出浓度电压为固定值。所述臭氧浓度测量系统及使用该系统测量臭氧浓度的方法，克服较零误差，提高臭氧浓度测量精度，且测量臭氧浓度具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及臭氧浓度测量技术领域，具体涉及一种臭氧浓度测量系统，还涉及一种使用该系统测量臭氧浓度的方法。
背景技术
臭氧是大气中化学性质异常活泼的微量气体，具有强氧化性，是城市环境空气的污染物之一。目前国内外的臭氧浓度分析仪大多采用电化学法或紫外光度法。电化学法的臭氧分析仪寿命短且维护成本高，而紫外光度法的臭氧分析仪具有无毒、无腐蚀性、响应迅速、可连续在线监测等特点，成为臭氧监测的主流方法。
紫外光度法是利用臭氧分子在紫外光谱段具有强烈的吸收特性，需要测量臭氧浓度的样气和紫外光均接入测量室，在测量室内部分紫外光被样气中的臭氧吸收，通过紫外光探测器探测没有被臭氧吸收的紫外光强度，根据郎伯比尔定律就可以计算出样气中的臭氧浓度。
现有紫外光度法臭氧分析仪通过比较零空气通过测量室后的紫外光强度与样品空气通过测量室后的紫外光强度实现仪器较零，这里的零空气指不含臭氧、氮氧化物、碳氢化合物及任何产生紫外线吸收的其它物质。在实际检测过程中零点标准气源(即上述的“零空气”)一致性较差、且容易受到环境影响，造成分析仪较零误差，影响测量精度。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中紫外光度法臭氧浓度分析仪受到仪器较零误差影响造成测量精度低的问题，提供一种臭氧浓度测量系统及使用该系统测量臭氧浓度的方法，克服较零误差，提高臭氧浓度测量精度，且测量臭氧浓度具有良好的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种臭氧浓度测量系统，包括测量室、紫外光源和紫外光探测器，所述紫外光源用于向所述测量室内入射紫外光，所述紫外光探测器用于检测所述测量室出射的紫外光强度，其特征在于：还包括臭氧涤除器、零点调节模块和进气控制开关，需要测量臭氧浓度的样气由所述进气控制开关控制择一进入所述测量室或者进入所述臭氧涤除器；所述臭氧涤除器用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室；该测量系统在一个测量周期内进行样气测量和背景气测量；所述零点调节模块电连接所述紫外光探测器，其通过自身的电信号调节，使得该测量系统在每个测量周期的背景气测量时的输出浓度电压为固定值，实现该测量系统的自动较零。
在本发明的一个实施例中，所述零点调节模块包括电压放大器、电压调节器和运算放大器；所述电压放大器电连接所述紫外光探测器，用于放大所述紫外光探测器的输出电压至参比电压；所述电压调节器用于产生电压值可调的电压信号；所述电压放大器的输出端和所述电压调节器的输出端均连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端接地，其输出端配置为该测量系统的测量输出端。
在本发明的一个实施例中，每个测量周期的背景气测量时，调节所述电压调节器的输出电压，当所述参比电压、电压调节器的输出电压和所述运算放大器的输出电压三者的和为固定值时，完成该测量系统的自动较零。
在本发明的一个实施例中，所述电压调节器包括电压粗调调节器和电压细调调节器，所述电压粗调调节器和电压细调调节器的输出端均连接所述运算放大器的反相输入端。
在本发明的一个实施例中，所述电压调节器连接单片机，通过所述单片机编程控制调节所述电压调节器的输出电压值。
在本发明的一个实施例中，该测量系统还包括紫外光强调节模块，所述紫外光强调节模块用于通过调节所述紫外光源的电压，使得所述紫外光源的电流为恒定值。
在本发明的一个实施例中，所述紫外光强调节模块通过调节所述紫外光源的电压，使得所述紫外光源的电流恒定在10mA。
在本发明的一个实施例中，该测量系统还包括PTF补偿模块，所述PTF补偿模块连接所述测量室，其用于实时根据所述测量室内的压力、温度和样气流量，对臭氧浓度计算结果进行补偿。
在本发明的一个实施例中，所述进气控制开关配置为电磁阀。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种使用所述测量系统测量臭氧浓度的方法，包括以下步骤，
S01需要测量臭氧浓度的样气由进气控制开关控制择一进入测量室或者进入臭氧涤除器，所述臭氧涤除器用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室；通过所述进气控制开关控制在一个测量周期内交替接入样气和背景气至所述测量室，分别进行样气测量和背景气测量；
S02具有恒定光强的紫外光向所述测量室内入射，所述测量室内紫外光被臭氧吸收，没有被臭氧吸收的紫外光从所述测量室出射；
S03较零测量系统：调节零点调节模块的电信号，使得测量系统在每个测量周期的背景气测量时的输出浓度电压为固定值；
S04紫外光探测器探测从所述测量室出射的紫外光强度；
S05根据以下公式计算出样气中的臭氧浓度：
式(1)中a为臭氧在254nm紫外光的吸收系数；l为紫外光光程长度；T为样气温度；P为样气压力；L为臭氧损失的校正因子；I为样气测量下测得的紫外光强度；I0为背景气测量下测得的紫外光强度。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的臭氧浓度测量系统及使用该系统测量臭氧浓度的方法，测量周期内样气和背景气交替接入测量室，实际的臭氧浓度为接入样气时测得的臭氧浓度减去接入背景气时测得的臭氧浓度，一方面使用臭氧涤除器去除掉样气中的臭氧获得一致性极好的背景气，利于提高测量精度；另一方面，接入零点调节模块，在每个测量周期的背景气周期调节相关电信号，使得在每个测量周期的背景气周期内系统输出电压浓度均为固定值，由此实现测量系统零误差自动较零，提高臭氧浓度测量精度，且测量臭氧浓度具有良好的稳定性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明优选实施例中臭氧浓度测量系统的结构框图；
图2为本发明优选实施例中零点调节模块的电路原理图；
图3为本发明优选实施例中紫外光强调节模块的电流采样单元电路原理图；
图4为本发明优选实施例中紫外光强调节模块的第二部分电路原理图。
说明书附图标记说明：
2-测量室，4-紫外光源，6-紫外光探测器，8-臭氧涤除器，10-零点调节模块，12-进气控制开关，14-紫外光强调节模块，141-电流采样单元，16-PTF补偿模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图1所示，本发明公开一种臭氧浓度测量系统，包括测量室2、紫外光源4、紫外光探测器6、臭氧涤除器8、零点调节模块10和进气控制开关12，所述紫外光源4向所述测量室2内入射紫外光，需要测量臭氧浓度的样气由所述进气控制开关12控制择一进入所述测量室2或者所述臭氧涤除器8，所述进气控制开关12优选配置为电磁阀；所述臭氧涤除器8用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室2，由所述进气控制开关12控制在一个测量周期内交替向所述测量室2内接入所述样气和所述背景气，分别进入样气周期和背景气周期，所述测量室2内臭氧吸收紫外光，没有被吸收的紫外光从所述测量室2内出射进入所述紫外光探测器6，所述紫外光探测器6检测没有被吸收的紫外光强度；通常，所述紫外光探测器6输出电信号(电压或者电流)，通过分析该电信号计算臭氧浓度；所述零点调节模块10电连接所述紫外光探测器6，其通过自身的电信号调节，使得该测量系统在每个测量周期的背景气周期输出浓度电压为固定值，实现该测量系统的自动较零。
所述的臭氧浓度测量系统，测量周期内样气和背景气交替接入测量室2，实际的臭氧浓度为接入样气时测得的臭氧浓度减去接入背景气时测得的臭氧浓度，一方面使用臭氧涤除器8去除掉样气中的臭氧获得一致性极好的背景气，利于提高测量精度；另一方面，接入零点调节模块10，在每个测量周期的背景气周期调节相关电信号，使得在每个测量周期的背景气周期内系统输出电压浓度均为固定值，由此实现测量系统零误差自动较零，提高臭氧浓度测量精度，且测量臭氧浓度具有良好的稳定性。
具体的，参照图2所示，所述零点调节模块10包括电压放大器、电压调节器和运算放大器U4；所述电压放大器电连接所述紫外光探测器6，用于放大所述紫外光探测器6的输出电压至参比电压；本实施例技术方案中，所述电压放大器包括电压跟随器U1、数字电位计U2和隔离运放U3，所述紫外光探测器6的输出端连接所述电压跟随器U1的正相输入端，所述电压跟随器U1的负相输入端连接其输出端，所述电压跟随器U1的输出端连接数字电位计U2，所述数字电位计U2连接单片机，由单片机根据所述电压跟随器U1的输出电压编程控制所述数字电位计U2的输出电阻，所述数字电位计U2的输出端连接隔离运放U3的正相输入端，所述隔离运放U3的负相输入端接地，其输出端连接滤波器件后连接其负相输入端，由单片机根据所述电压跟随器U1的输出电压编程控制所述数字电位计U2的输出电阻，最终实现隔离运放U3的输出3.0V～3.2V的参比电压。
所述电压调节器用于产生电压值可调的电压信号。本实施例技术方案中，所述电压调节器由单片机编程控制调节输出电压值。进一步的，所述电压调节器包括电压粗调调节器和电压细调调节器，所述电压粗调调节器和电压细调调节器均用于产生电压值可调的输出电压，其中，所述电压粗调调节器的调幅较大，所述电压细调调节器的调幅较小，两者配合能够产生多种精细的输出电压。所述电压粗调调节器和电压细调调节器的输出端均连接所述运算放大器U4的反相输入端，由单片机编程控制调节所述电压粗调调节器和电压细调调节器的输出电压。具体的，所述电压粗调调节器的电压粗调引脚和所述电压细调调节器的电压细调引脚均连接单片机，两引脚的另一端分别连接电阻后均连接至所述运算放大器U4的反相输入端。所述电压放大器的输出端连接所述运算放大器U4的反相输入端，所述运算放大器U4的正相输入端接地，其输出端配置为该测量系统的测量输出端，输出测量电压。
所述测量系统运行过程中，在每个测量周期的背景气周期，粗调或/和细调所述电压调节器的输出电压值，直至所述参比电压、电压调节器的输出电压和运算放大器U4的输出电压三者的和为固定值时，完成系统的自动较零，即自动调节零点电压。
考虑到紫外光源的强度会随着时间及外部环境的变化而衰减，为了克服该技术问题，本实施例技术方案中，利用光电流和光强度成正比，通过调节紫外光电压维持紫外光电流至恒定值，使得紫外光强度保持恒定。所述测量系统还包括紫外光强调节模块14，所述紫外光强调节模块14用于通过调节所述紫外光源4的电压，使得所述紫外光源4的电流为恒定值。具体实施过程中，调节所述紫外光源4的电流恒定在10mA。具体的，参照图3、4所示，本实施例中，所述紫外光强调节模块14包括电流采样单元141、滑动数字电位计U5和电压跟随器U6，所述电流采样单元141采集紫外光源电流，经过AD转换成数字电压信号，该数字电压信号给到单片机，单片机根据该数字电压信号调节滑动数字电位计U5的输出电阻值，所述滑动数字电位计U5的输出端连接电压跟随器U6的正相输入端，所述电压跟随器U6的反相输入端连接器输出端，所述电压跟随器U6的输出调节后的紫外光源电压，该紫外光源电压作为供电电压提供给紫外光源。由此，通过单片机编程控制调节紫外光源电压，直至紫外光源的电流恒定在10mA，实现紫外光源光强恒定。
所述的臭氧浓度测量系统，根据朗伯比尔定律计算出臭氧的浓度，其计算公式如下：
式(1)中a为臭氧在254nm紫外光的吸收系数；l为紫外光光程长度；T为样气温度；P为样气压力；L为臭氧损失的校正因子；I为样气测量下测得的紫外光强度；I0为背景气测量下测得的紫外光强度。
由以上公式一可知，所述测量室2内的温度、压力和氧气流量均会对臭氧浓度产生影响，本实施例技术方案中，为了减少环境因素的干扰，所述臭氧浓度测量系统还包括PTF补偿模块，所述PTF补偿模块连接所述测量室，其用于实时根据所述测量室内的压力、温度和样气流量，对臭氧浓度计算结果进行补偿，提高测量精度。
实施二
本发明实施例还公开一种使用所述臭氧浓度测量系统测量臭氧浓度的方法，包括以下步骤，
S01需要测量臭氧浓度的样气由进气控制开关控制择一进入测量室或者进入臭氧涤除器，所述臭氧涤除器用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室；通过所述进气控制开关控制在一个测量周期内交替接入样气和背景气至所述测量室，分别进行样气测量和背景气测量；
S02具有恒定光强的紫外光向所述测量室内入射，所述测量室内紫外光被臭氧吸收，没有被臭氧吸收的紫外光从所述测量室出射；
S03较零测量系统：调节零点调节模块的电信号，使得测量系统在每个测量周期的背景气测量时的输出浓度电压为固定值；
S04紫外光探测器探测从所述测量室出射的紫外光强度；
S05根据以下公式计算出样气中的臭氧浓度；
式(1)中a为臭氧在254nm紫外光的吸收系数；l为紫外光光程长度；T为样气温度；P为样气压力；L为臭氧损失的校正因子；I为样气测量下测得的紫外光强度；I0为背景气测量下测得的紫外光强度。
所述臭氧浓度测量方法，实时在线调节零点调节模块的电信号，实现测量系统的零误差自动较零，克服较零误差，提高臭氧浓度测量精度，且测量臭氧浓度具有良好的稳定性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种臭氧浓度测量系统，包括测量室、紫外光源和紫外光探测器，所述紫外光源用于向所述测量室内入射紫外光，所述紫外光探测器用于检测所述测量室出射的紫外光强度，其特征在于：还包括臭氧涤除器、零点调节模块和进气控制开关，需要测量臭氧浓度的样气由所述进气控制开关控制择一进入所述测量室或者进入所述臭氧涤除器；所述臭氧涤除器用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室；该测量系统在一个测量周期内进行样气测量和背景气测量；所述零点调节模块电连接所述紫外光探测器，其通过自身的电信号调节，使得该测量系统在每个测量周期的背景气测量时的输出浓度电压为固定值，实现该测量系统的自动较零；
所述零点调节模块包括电压放大器、电压调节器和运算放大器；所述电压放大器电连接所述紫外光探测器，用于放大所述紫外光探测器的输出电压至参比电压；所述电压调节器用于产生电压值可调的电压信号；所述电压放大器的输出端和所述电压调节器的输出端均连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端接地，其输出端配置为该测量系统的测量输出端；
每个测量周期的背景气测量时，调节所述电压调节器的输出电压，当所述参比电压、电压调节器的输出电压和所述运算放大器的输出电压三者的和为固定值时，完成该测量系统的自动较零。
2.根据权利要求1所述的臭氧浓度测量系统，其特征在于：所述电压调节器包括电压粗调调节器和电压细调调节器，所述电压粗调调节器和电压细调调节器的输出端均连接所述运算放大器的反相输入端。
3.根据权利要求1所述的臭氧浓度测量系统，其特征在于：所述电压调节器连接单片机，通过所述单片机编程控制调节所述电压调节器的输出电压值。
4.根据权利要求1所述的臭氧浓度测量系统，其特征在于：该测量系统还包括紫外光强调节模块，所述紫外光强调节模块用于通过调节所述紫外光源的电压，使得所述紫外光源的电流为恒定值。
5.根据权利要求4所述的臭氧浓度测量系统，其特征在于：所述紫外光强调节模块通过调节所述紫外光源的电压，使得所述紫外光源的电流恒定在10mA。
6.根据权利要求1所述的臭氧浓度测量系统，其特征在于：该测量系统还包括PTF补偿模块，所述PTF补偿模块连接所述测量室，其用于实时根据所述测量室内的压力、温度和样气流量，对臭氧浓度计算结果进行补偿。
7.根据权利要求1所述的臭氧浓度测量系统，其特征在于：所述进气控制开关配置为电磁阀。
8.基于权利要求1-7任一项所述测量系统测量臭氧浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S01需要测量臭氧浓度的样气由进气控制开关控制择一进入测量室或者进入臭氧涤除器，所述臭氧涤除器用于去除样气中的臭氧，输出不含臭氧的背景气，该背景气接入所述测量室；通过所述进气控制开关控制在一个测量周期内交替接入样气和背景气至所述测量室，分别进行样气测量和背景气测量；
S02具有恒定光强的紫外光向所述测量室内入射，所述测量室内紫外光被臭氧吸收，没有被臭氧吸收的紫外光从所述测量室出射；
S03较零测量系统：调节零点调节模块的电信号，使得测量系统在每个测量周期的背景气测量时的输出浓度电压为固定值；
S04紫外光探测器探测从所述测量室出射的紫外光强度；
S05根据以下公式计算出样气中的臭氧浓度；
式（1）中
为臭氧在254nm紫外光的吸收系数；
为紫外光光程长度；T为样气温度；P为样气压力；L为臭氧损失的校正因子；I为样气测量下测得的紫外光强度；
为背景气测量下测得的紫外光强度。
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