CN201666873U - 非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器 - Google Patents

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Abstract

非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，涉及一种用非脉冲紫外荧光法针对大气污染H2S、SO2气体进行实时连续监测的传感器。它包括气体传感器光学平台、电子测量控制系统、气体转化装置、以及外围接口。气体光学平台包括进、出气口、紫外光源、光学镜片、气体转换装置、紫外光传感器、光电传感器等。电子测量系统包括I/V转换及放大电路加热制冷等组成。气体转化装置将被测H2S气体转换成SO2气体。本实用新型采用了非脉冲紫外荧光、低噪声精密放大电路，气体转换装置加热和冷却器制冷，利用了H2S气体高温分解原理，可以实时连续监测大气污染物中的SO2、H2S气体，最低检测限达到1ppb级，降低了噪声，抗干扰能力强，测量精度大大提高，数据更稳定。

Description

非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器 
技术领域
新型实用涉及一种用非脉冲紫外荧光法针对大气污染H2S、SO2气体进行实时连续监测的光、机、电一体化传感器。 
背景技术
随着社会经济的发展和城市化工业化进程的加快，环境污染已经作为一个不可回避的重要问题，因此利用现代化科学技术手段对环境质量进行实时监测，及时反应污染状况，为环境标准的制定、污染减排、促进经济社会与环境协调发展和实施可持续发展战略具有积极的意义。 
目前，我国环境空气质量监测基本上处于仍以手动和半自动采样仪器为主，只有部分用户使用了自动监测。由于缺乏连续自动的空气质量监测仪器，影响并制约了我国环保执法和环境质量监督管理水平。发展自主知识产权的监测技术，形成环境监测仪器产业，可替代进口，节省外汇，满足当前我国对空气质量监测仪器的迫切需求，带动其它相关领域的发展；从长远看，可打破发达国家在这一技术领域的垄断，提高我国在环境监测仪器国际大市场中的竞争力，提高环境监测能力和环境监督执法现代化水平，响应国家号召大力发展环保产业。随着我国在环保方面投资的持续增加，环保产业将成为国民经济新的增长点。 
发明内容
本实用新型的目的是针对上述现状，旨在提供一种的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器。 
本实用新型目的的实现方式为，非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，光学平台与光电传感器连接，光学平台外有紫外光源，光学平台通过管道和恒流装置与碳烃剔除器的外管连接，气体转换装置分接三通、三通电磁阀，三通电磁阀与碳烃剔除器内管连接，碳烃剔除器内管与光学平台连接，碳烃剔除器的外管接抽气泵，光学平台通过光电传感器、放大电路、电子测量控制系统与标准信号输出等外围接口连接， 
光学平台的紫外光源固定在光源座上，光学平台装透镜，装透镜的透镜座与反应池连接，反应池有出气口，反应池上装锥形套、聚焦镜，聚焦镜与冷却器相连，冷却器内装光电倍增管PMT、光电倍增管PMT外有冷却器总成，冷却器外装散热片， 锥形套一边有进气口，锥形套上部装光电管， 
气体催化转化装置的马弗炉内装石英玻璃管，内壁有保温材料， 
光电倍增管PMT放大电路由OPA124DR低噪声精密运算放大器构成。 
本实用新型利用SO2分子吸收紫外光(UV)，在某个波长受到激励，然后衰减至较低的能量状态，在另一个不同的波长发射UV光。 
SO2+hv1→SO2*→SO2+hv2 
被测样气通过气路接口流经碳氢化合物剔除器，剔除器迫使碳氢化合物分子反渗透穿过管壁，将碳氢化合物从样品中去除。SO2分子经过碳氢化合物剔除器时不受影响。 
一定波长的非脉冲紫外光经过透镜总成，进入荧光反应室，受到激励的SO2分子衰减至较低的能量状态时，发射出另一波长的荧光，所发射的荧光光强与SO2浓度成比例；带通滤光片由经过激励的SO2分子发射的波长到达光电倍增管PMT被检测。位于荧光反应室后面的光电探测器持续监控紫外光源的光强，并连接到电路补偿光照强度里产生的波动。 
光电倍增管PMT将检测到的光信号转换成电流信号，再通过放大电路及低噪声精密运算放大器OPA124DR进行电流转电压并放大成0-5V的标准信号输出。 
H2S气体利用其高温分解的特性，恒温加热，分解成SO2+H2O，通过数字信号处理和阀组切换，先测量SO2，然后测量H2S、SO2的总和，再减去SO2的浓度，即为H2S的浓度。 
本实用新型采用了非脉冲紫外荧光、低噪声精密放大电路，气体转换装置加热和冷却器制冷，利用了H2S气体高温分解原理，可以实时连续监测大气污染物中的SO2、H2S气体，最低检测限达到1ppb级，降低了噪声，抗干扰能力强，测量精度大大提高，数据更稳定。 
附图说明
图1是本实用新型结构示意图， 
图2是光学平台结构示意图， 
图3是放大电路原理图， 
图4是制冷电路原理图， 
图5是加热电路原理图， 
图6是气体转换装置的马弗炉结构示意图。 
具体实施方式
本实用新型包括气体传感器光学平台、电子测量控制系统、气体转化装置、以及外围接口。 
下面参照附图详述本实用新型。 
参照图1，本实用新型光学平台6与光电传感器7连接，光学平台6外有紫外光源5，光学平台6通过管道和恒流装置11与碳烃剔除器4的外管连接，气体转换装置3分接三通1、三通电磁阀2，三通电磁阀2与碳烃剔除器4内管连接，碳烃剔除器4内管与光学平台6连接，碳烃剔除器4的外管接抽气泵12，光学平台6通过光电传感器7、放大电路8、电子测量控制系统9与标准信号输出等外围接口10连接， 
紫外光源6为开关电源供电的非脉冲紫外光，紫外光源6发出紫外光，进入光学平台6，由光电传感器7接收至放大电路8放大处理和标准信号输出等外围接口10。被测样气经三通1分两路：一路由三通电磁阀2到达碳烃剔除器4内管，另一路经过气体转换装置3，由三通电磁阀2到达碳烃剔除器4内管，再到达光学平台6，再经过恒流装置11流经碳烃剔除器4的外管经过抽气泵12排出。 
被测样气气体进口、抽气泵12的出气口采用316L不锈钢材料制作，主要是不与被测量物质发生反应，其次是耐腐蚀。反应池17、透镜座15、锥形套18等组件采用铝合金材料精密加工而成，保证其强度要求，且不易变形，同时须保证聚焦镜的焦距尺寸；表面均匀喷涂特富龙，防止与被测物质发生反应以及耐腐蚀；透镜采用石英玻璃材料，保证最大透过率，防止光散射和衰减。 
碳烃剔除器4采用反渗透Kicker管，内管为直径2mm、长70英寸的软管，外管为直径6×4mm的Teflon管。流体流向为：内管与外管成反向。外管气体对内管产生负向压力，即使碳氢分子反向渗透排除，也不损失样气中SO2的浓度。 
被测气体经过Kicker管过滤碳氢化合物，到达气体转换装置3，在非脉冲紫外光的激励下，呈激发态并瞬间返回基态发射出荧光，荧光被聚焦到光电倍增管PMT接收，荧光的光强与SO2的浓度的浓度成正比。光电管检测紫外光的强度并参与计算，补偿因为光源起伏对SO2的测量浓度的影响。气体浓度和电压输出通过标准气体传递，线性方程y＝ax+b拟合，式中：b为截距由零点浓度气体确定，a为斜率由满量程80％标准气体确定。 
参照图2，光学平台的紫外光源5固定在光源座14上，装透镜15的透镜座16与反应池17连接，反应池17有出气口18，反应池上装锥形套19、聚焦镜24，聚焦镜24与冷却器23相连，冷却器23内装光电倍增管PMT22、光电倍增管PMT外有冷却器器23，冷却器23外装散热片25，锥形套19一边有进气口20，锥形套上部装光电管21。 
反应池17表面喷涂Teflon，内部管路采用Teflon或316L不锈钢材料。 
紫外光源5发出紫外光，经过透镜15到达反应池17，激发SO2发出的荧光由PMT22接收，紫外光的光强由光电管21接收用于补偿由于光源起伏对测量的影响，冷却器总成23和散热片25用于对PMT22的制冷。样气由进气口20进入光学平台，由出气口13排出。 
如图3所示，紫外光源采用非脉冲直流电源供电，光电倍增管PMT放大电路由OPA124DR低噪声精密运算放大器构成。光电倍增管PMT22的信号输出到OPA124DR，由R1、R2、C1及OPA124DR组成电流转电压电路，经过R3到TLC2202进行放大至0-5V输出。 
参照图4，光电传感器7采用帕贴耳(Peltier)热电制冷器，恒定制冷7℃，使光电倍增管PMT工作在最稳定状态，将暗电流控制在最低，提高增益信号，测量精度更高。NTC输出到由R29分压，至U8A-TL082射级跟随器，由U8A-TL082射级跟随器输出至由U8B-TL082及R31、R33、C20组成的积分电路，再由4N30控制LT1083CP输出供电给帕贴耳(Peltier)热电制冷器。 
参照图5，气体转换装置3采用子弹式加热器，恒温加热50℃，防止样气冷凝导致测量误差。 
温度传感器输出至R15由U6-LTC1050、R16、R17放大输出至U7-TL494比较输出脉宽信号，经过电阻R27控制SSR给子弹式加热器供电。 
经过反应池17恒温加热和光电倍增管PMT冷却处理。 
本实用新型可以在不同的气候条件下正常工作，消除了环境、样品的温度和湿度变化带来的测量误差，具有很高的推广使用价值。 
如图6所示，气体转化装置3的马弗炉28内装石英玻璃管27，内壁有保温材料26。马弗炉炉体采用美国陶瓷纤维材料，升温速度快、保温性能好，升到1100℃炉体表面温度只有60℃(国家标准是100℃)左右，加热丝采用瑞典康泰尔公司的镍烙合金材料及硅钼棒和硅碳棒材料。加热温度均匀、升温速度快，使用寿命更长，升到650℃只要10-15分钟，节能性能好，是普通马弗炉能耗的40％左右，不掉粉尘、不掉渣，不会影响做试验的效果。被测样气在马弗炉内，加热至650℃，气体经过恒定高温催化分解，成为SO2+H2O，效率可达96％以上。 

Claims (6)

1.非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于光学平台与光电传感器连接，光学平台外有紫外光源，光学平台通过管道和恒流装置与碳烃剔除器的外管连接，气体转换装置分接三通、三通电磁阀，三通电磁阀与碳烃剔除器内管连接，碳烃剔除器内管与光学平台连接，碳烃剔除器的外管接抽气泵，光学平台通过光电传感器、放大电路、电子测量控制系统与标准信号输出外围接口连接，
光学平台的紫外光源固定在光源座上，光学平台装透镜，装透镜的透镜座与反应池连接，反应池有出气口，反应池上装锥形套、聚焦镜，聚焦镜与冷却器相连，冷却器内装光电倍增管PMT、光电倍增管PMT外有冷却器总成，冷却器外装散热片，锥形套一边有进气口，锥形套上部装光电管，
气体催化转化装置的马弗炉内装石英玻璃管，内壁有保温材料，
光电倍增管PMT放大电路由OPA124DR低噪声精密运算放大器构成，
紫外光源为开关电源供电的非脉冲紫外光。
2.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于反应池(17)表面喷涂Teflon，内部管路采用Teflon或316L不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于反应池(17)、透镜座(15)、锥形套(18)采用铝合金材料加工而成，表面均匀喷涂特富龙。
4.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于碳烃剔除器(4)采用反渗透Kicker管，内管为直径2mm、长70英寸的软管，外管为直径6×4mm的Teflon管。
5.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于光电传感器(7)采用帕贴耳(Peltier)热电制冷器。
6.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于被测样气气体进口、抽气泵(12)的出气口采用316L不锈钢材料制作。 
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