CN201837582U - 一体化光学臭氧产量检测装置 - Google Patents

Abstract

一种一体化光学臭氧产量检测装置，包括有设置在光学防震平台上的：光源；第一分束器，将光源分成两束光，其中一束光射在参考臂上，另一束光通过第一反射镜反射在样品臂上；第二反射镜；第二分束器；电荷耦合器件，设置在第二分束器的输出光路上；数据处理系统连接电荷耦合器件的输出端，用于处理接收到的数字信号；在第一分束器与第二反射镜之间的参考臂的光路上设置有固定体积的参比气室；在第一反射镜和第二分束器之间的样品臂的光路上设置有与臭氧发生器相通的样品气室，样品气室的体积随气体流速发生改变。本实用新型通过检测干涉条纹的改变同时实现臭氧的浓度和流量的检测，进而一体化实现了臭氧产量的直接测量。简化检验设备，适合完成高精度测量。

Description

一体化光学臭氧产量检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用光学方法检测臭氧产量的设备。特别是涉及一种可以同时检测臭氧发生器所产生的臭氧浓度和流量，进而计算出实际臭氧产量的一体化光学臭氧产量检测装置。

背景技术

臭氧发生器被广泛应用于水处理，食品保鲜，杀菌消毒等领域。目前为了准确控制臭氧发生器的臭氧产量，一般需要检测臭氧的浓度和流量，进而计算出臭氧产量。为了检测臭氧的浓度和流量，目前需要分别采用两类不同的设备：臭氧浓度计和气体流量计。

臭氧浓度检测一般采用化学分析法(碘量法，硼酸碘化钾吸光光度法，靛蓝二黄酸钠分光光度法)和仪器分析法(乙烯发光光度法，紫外吸光光度法)，其中以紫外吸光光度法最为常用。该法利用臭氧对254纳米波长的紫外线特征吸收的特性，依据朗伯-比尔定律测量紫外线通过臭氧的光强变化来检测臭氧浓度。

气体流量检测一般采用压差式，速度式或容积式流量计。压差式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表，由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。其测量精度受流量检测件的加工精度和安装误差影响加大，精确度难于提高，测量范围度窄，长期使用精度难以保证。速度式流量计易受管道震动影响，难于长期保持校准特性；流体物性对流量特性影响较大。容积式流量计结构复杂，体积庞大，被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，不适用于高、低温场合，会产生噪声及振动。

目前没有一种设备可以同时测量臭氧的浓度和流量，因此需要多种仪器分别检测臭氧的浓度和气体的流量，进而计算出臭氧产量，方法过于繁琐，操作不便，精度有待提高。

马赫-曾德干涉仪是根据振幅干涉原理研制的。有两个分束器和两个平面镜。从光源发出的光经分分束器I的前表面分为两束平行光，经过平面镜反射，到第二个分束器后相遇产生干涉。一般来说，两个平面镜是可调的，这种干涉仪的特点是两光束分得很开，虽然制造工艺和调节方面比较困难，但用途很广泛，特别在空气动力学中研究气流的折射率的变化很有价值。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够简化检测设备，提高检测精度，实现同时检测臭氧发生器所产生的臭氧浓度和流量，基于马赫-曾德干涉仪的一体化光学臭氧产量检测装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种一体化光学臭氧产量检测装置，包括有设置在光学防震平台上的：光源；第一分束器，将光源分成两束光，其中一束光射在参考臂上，另一束光通过第一反射镜反射在样品臂上；第二反射镜，接收参考臂上的光；第二分束器，分别接收第二反射镜的反射光和样品臂上的光；电荷耦合器件，设置在第二分束器的输出光路上，用于采集第二分束器的干涉条纹，并将采集到的干涉条纹图样转换为可处理的数字信号；数据处理系统连接电荷耦合器件的输出端，用于处理接收到的数字信号；其特征在于，在所述的第一分束器与第二反射镜之间的参考臂的光路上设置有固定体积的参比气室，所述的参比气室的内部抽成真空或充满折射率已知的气体或液体；在所述的第一反射镜和第二分束器之间的样品臂的光路上设置有与臭氧发生器相通的样品气室，所述的样品气室的体积随气体流速发生改变。

所述的光源采用紫外激光器，所述的紫外激光器采用250nm～270nm波长的连续或脉冲高相干性紫外激光器。

所述的第一分束器和第二分束器采用50/50的分光比例。

所述的样品气室为抗臭氧材料制成的，其横截面呈矩形，所述矩形的长轴方向的前、后气室壁上对应设置有进气口和出气口，样品气室的长轴与入射紫外光光轴垂直；所述样品气室沿光轴方向的两气室壁上设置有透射紫外光的入射口和与之对应的出射口，所述的入射口上设置有光学玻璃，所述的出射口上设置有沿光轴方向移动的窗体，该窗体上设置有光学玻璃。

所述的窗体与出射口处连接的部分设置有弹性装置，所述的弹性装置与出射口之间呈密封连接。

该一体化光学臭氧产量检测装置整体置于恒温箱内，或在构成该一体化光学臭氧产量检测装置的每一部件上均设置温控装置以保持温度恒定。

构成该一体化光学臭氧产量检测装置的每一部件上均镀有保证良好的光学透射特性，将光学信号损失减至最低的紫外增透薄膜。

本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置，通过检测干涉条纹的改变同时实现臭氧的浓度和流量的检测，进而一体化实现了臭氧产量的直接测量。代替分别的臭氧浓度计和气体流量计，简化检验设备，适合完成高精度测量。

附图说明

图1是本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置中的样品气室的结构示意图。

其中：

1；光源        2：第一分束器

3：参比气室    4：第二反射镜

5：第一反射镜  6：样品气室

7：第二分束器      8：电荷耦合器件

9：数据处理系统    10：进气口

11：出气口         12：入射口

13：出射口         14：窗体

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型一体化光学臭氧产量检测装置做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置，包括光学防震平台，在光学防震平台上设置有：光源1；第一分束器2，将光源1分成两束光，其中一束光射在参考臂上，另一束光通过第一反射镜5反射在样品臂上；固定体积的参比气室3，设置在第一分束器2与第二反射镜4之间的参考臂的光路上，所述的参比气室3内部抽成真空或充满折射率已知的气体或液体，参比气室3的作用在于通过改变内部折射率已知的气体或液体，从而增大光程差的调节范围，便于实验；第二反射镜4，位于参比气室3出射光光路上，接收参考臂上的光；可变体积的样品气室6，与臭氧发生器相通，设置在所述的第一反射镜5和第二分束器7之间的样品臂的光路上，所述的样品气室6的体积随气体流速发生改变；第二分束器7，分别接收第二反射镜4的反射光和和样品臂上的光；电荷耦合器件8，设置在第二分束器7的输出光路上，用于采集第二分束器7的干涉条纹，并将采集到的干涉条纹图样转换为可处理的数字信号；数据处理系统9连接电荷耦合器件8的输出端，用于处理接收到的数字信号；

本实用新型所述的光电耦合器，又称之为CCD，采用的是德国EHD IMAGING GMBH生产的型号为SC3401UV的光电耦合器，它的主要工作原理是1、感光元件负责将光信号转换为模拟电信号；2、数据接口卡负责将模拟电信号采样并量化为适合计算机处理的数字信号；3、信号处理软件负责将数字信号的幅值转换为光干涉条纹的亮度的灰度信号，并识别和记录光干涉条文中零级条纹的位置。

本实用新型所述的光源1、第一分束器2、参比气室3、第二反射镜4、第一反射镜5、样品气室6、第二分束器7和电荷耦合器件8共同组装一台改进的马赫-曾德干涉仪。构成本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置的每一部件上均镀有紫外增透薄膜，保证良好的光学透射特性，将光学信号损失减至最低。

所述的光源1采用紫外激光器，所述的紫外激光器采用250nm～270nm波长的连续或脉冲高相干性紫外激光器。本实施例采用的是254纳米或262纳米或264纳米左右。

所述的第一分束器2和第二分束器7采用50/50的分光比例。

如图2所示，所述的样品气室6为抗臭氧材料制成的，其横截面呈矩形，所述矩形的长轴方向的前、后气室壁上对应设置有进气口10和出气口11，样品气室6的长轴与入射紫外光光轴垂直；所述样品气室6沿光轴方向的两气室壁上设置有透射紫外光的入射口12和与之对应的出射口13，所述的入射口12上设置有光学玻璃，所述的出射口13上设置有沿光轴方向移动的窗体14，该窗体14上设置有光学玻璃。所述的入射口12和出射口13是对紫外光有良好透射性的窗口。

所述的窗体14与出射口13处连接的部分设置有弹性装置，所述的弹性装置与出射口13之间呈密封连接。该结构使得所述的窗体14可以随着气体流速变化不同沿光轴方向移动，而向样品气室6的内侧凹进，或向样品气室6的外侧凸出，从而改变样品气室的容积。因此，当气体通过样品气室6时，窗体14产生延光轴方向的微小位移ΔL，从而表现为干涉条纹位置的移动。因此通过检测干涉条纹位置的改变可以得出含有臭氧的待检气体的流量。

如图2中的虚线是表示气体流速变化时产生位移的窗体14。

在可变体积的样品气室6中，臭氧强烈吸收紫外激光器波长的紫外光，导致通过可变体积的样品气室6的这束紫外光强度降低。

所述的数据处理系统9为一台装有数据采集系统的计算机。计算机上运行的数据处理软件用于识别和检测线阵或面阵电荷耦合器件记录的干涉条纹，从而进一步判断出臭氧产量。

该一体化光学臭氧产量检测装置整体置于恒温箱内，或在构成该一体化光学臭氧产量检测装置的每一部件上均设置温控装置以保持温度恒定。

本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置进行臭氧浓度检测和臭氧流量检测的工作原理是：

1.臭氧浓度检测：根据朗伯-比尔定律(Lambert-Beer Law)，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，与其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。其数学表达式为：

A＝log(I_incidence/I_transmission)＝log(1/T)＝kbc，(1)

其中T为透射比，为透射光强度I_transmission与入射光强度I_incidence之比，k为比例系数。在公式(1)中，对于臭氧来说，其吸光度A可由物理化学手册得知，吸收层厚度b一定时，通过样品气室后的紫外光的光强I_transmission与臭氧的浓度c成正比例关系。根据光学干涉基本公式，

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\Φ},---\left(2\right)$

其中，I，I₁和I₂分别为干涉条纹光强，通过样品气室之后的紫外光光强和通过参比气室之后的紫外光光强，ΔΦ为通过样品气室之后的紫外光和通过参比气室之后的紫外光之间的相位差。根据公式(1)和(2)，

$I=I_1+\frac{I_{20}}{e^{\mathrm{kbc}}}+2\sqrt{I_1\frac{I_{20}}{e^{\mathrm{kbc}}}}\cos \mathrm{\Δ\Φ},---\left(3\right)$

其中I₂₀为通过样品气室之前的紫外光光强。由公式(3)可知，干涉条纹光强I随着通过样品气室后的紫外光光强I₂变化，从而反应出样品气室中的臭氧浓度c的变化，因为该公式中的余量均为已知量，因此通过检测臭氧气体的干涉条纹的光强I可以得出臭氧的浓度c；

2.臭氧流量检测：光学干涉原理表明，两束相干光间光程差δ的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程差δ是由它所通过的几何路程L或介质折射率n的变化引起的，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长(～10^-7米)，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，具有很高的测量精度。根据光学干涉基本公式(2)，其中ΔΦ为两束相干光的相位差。其与光程差δ的关系可以表示为，

$\mathrm{\Δ\Φ}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}=2\mathrm{\πn}\frac{\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\λ}},---\left(4\right)$

在马赫-曾德干涉仪中，若介质折射率n均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差ΔL发生变化所造成，根据公式(2)和(4)，

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\mathrm{coos}\left(2\mathrm{\πn}\frac{\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\right),---\left(5\right)$

因此根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。由于本实用新型所述的样品气室的容积可随臭氧待测气体的流速发生改变，因此当含有臭氧的待检气体流过时，根据流体力学的伯努利定律，可知流体的流速v与压强p有关。

$p+\mathrm{\ρgz}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2=C,---\left(6\right)$

其中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和速度；z为铅垂高度；g为重力加速度，C为常数。由于样品气室横截面积已知，待检气体流速v的变化会引起样品气室内压强p的改变，从而使样品气室的活动窗体随流速的改变，产生延光轴方向的微小位移ΔL，从而表现为干涉条纹位置的移动。因此通过检测干涉条纹位置的改变可以得出含有臭氧的待检气体的流速。

综上所述，臭氧的产量＝臭氧的浓度×臭氧待检气体的流量。

本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置在制作完成后需要通过仪器对标准样品进行标定，从而得到所述一体化光学臭氧产量检测装置的标准曲线，所述的标准曲线包括光强-浓度标准曲线和流速-位置标准曲线两种。所述的采用标准样品进行仪器标定，包括标定臭氧的浓度和标定臭氧的流量。

本实用新型的一体化光学臭氧产量检测装置的浓度-光强曲线和位置-流速曲线的标定方法，包括如下步骤：

1)打开恒温装置，稳定一段时间(稳定时间为30分钟)，等待温度升至预设温度(预设温度为25℃)；

2)打开紫外激光器，稳定一段时间(稳定时间为10分钟，直到激光器输出功率稳定)，微调第二反射镜，直到第二反射镜与第一反射镜平行，电荷耦合器件可以记录到干涉条纹为止；

3)电荷耦合器件自动记录一稳定的干涉条纹图样，作为基准图样，并将该基准图样的零级条纹的位置数据x₀传送至数据处理系统；电荷耦合器件同时记录下该基准图样的光强数据I₀，并将I₀传送到数据处理系统，所述的光强I₀为基准图样中的最大灰度值，所述的基准图样的干涉条纹是在没有通入任何检测气体时产生的；

4)数据处理系统收到电荷耦合器件传来的x₀和I₀后，将它们分别记录在位置数据库和光强数据库中待用；

5)采用外置的臭氧发生器生成一系列已知浓度为c₁，c₂……c_n的臭氧气体标准样品；

6)分数次将一系列已知不同浓度c₁，c₂……的臭氧气体标准样品以恒定流速v通入一体化光学臭氧产量检测装置中的样品气室6中；

7)电荷耦合器件依次自动记录对应已知不同浓度c₁，c₂……c_n的一系列光强不同的干涉条纹图样，即与浓度为c₁，c₂……c_n的臭氧气体标准样品相对应的干涉条纹A₁、A₂……A_n；并将所述的每个干涉条纹A₁、A₂……A_n的光强数据I₁、I₂、……I_n依次传送至数据处理系统。

8)数据处理系统将收到电荷耦合器件的光强数据I₁，I₂……l_n依次存入到光强数据库中；

9)数据处理系统运行的数据处理软件会建立干涉条纹光强I₁，I₂……l_n与臭氧气体标准样品的浓度c₁，c₂……c_n的关系曲线，该关系曲线横坐标为臭氧气体标准样品的浓度，纵坐标为干涉条纹光强，然后采用差值法得到平滑连续的浓度-光强曲线，所述的浓度-光强曲线的原点坐标为(0，I₀)；该干涉条纹光强与臭氧浓度的关系曲线在用于测量臭氧浓度时，根据干涉条纹光强I判断待测臭氧浓度c。

10)将步骤5中产生的浓度为c₁的臭氧标准样品，分别依次以已知的流速v₁、v₂、……v_n通入到样品气室(6)中；

11)电荷耦合器件会依次记录下浓度为c₁的臭氧气体，在v₁、v₂、……v_n流速产生的干涉条纹B₁、B₂、……Bn，作为基准图样，将该干涉条纹的零级条纹位置记为x₀；并将所述条纹B₁、B₂、……Bn零级条纹的位置信息x₁、x₂……x_n传送至数据处理系统；

12)数据处理系统根据收到的干涉条纹的位置信息，通过比较基准图样和臭氧气体干涉条纹B₁、B₂、……Bn的零级条纹位置，依次计算出B₁、B₂、……Bn的零级条纹偏离基准图样中零级条纹的条纹间隔个数|x₁-x₀|、|x₂-x₀|……|x_n-x₀|，将位于基准图样左侧的干涉条纹的间隔个数记为负数，位于基准图样右侧的干涉条纹的间隔个数记为正数，并将该位置数据依次记录在位置数据库中待用；

13)数据处理系统根据位置数据库中的位置数据和相应的流速数据，采用差值法建立横坐标为条纹间隔个数，纵坐标为流速v的平滑连续的位置-流速标准曲线图，所述的位置-流速曲线的原点(x₀，0)；

臭氧流量是通过公式：臭氧流量＝流速×样品气室的横截面积来获得。

通过反复多次的实验获得：利用本实用新型所述的一体化光学臭氧产量检测装置对臭氧标准样品进行标定时，浓度不同的臭氧气体在相同流速下，只会导致干涉条纹的光强变化，对干涉条纹位置的变化不产生影响，不同流速的臭氧气体只会导致干涉条纹位置的变化，对干涉条纹光强的变化也不产生影响，因此利用上述标定方法所获得的浓度-光强标准曲线图和流速-位置标准曲线图，均能够真实地反应臭氧的浓度和流速。

本实用新型的用于一体化光学臭氧产量检测装置的方法，包括如下步骤：

1)打开恒温装置，等待温度升至预设温度；

2)打开紫外激光器，稳定一段时间(稳定时间为10分钟，直到激光器输出功率稳定)，微调第二反射镜，直到第二反射镜与第一反射镜平行，电荷耦合器件可以记录到干涉条纹为止；

3)打开待测臭氧发生器，使待测臭氧发生器产生的臭氧匀速流过一体化光学臭氧产量检测装置中的样品气室；

4)电荷耦合器件自动记录步骤3中待测臭氧的干涉条纹图样，得到其零级条纹的位置信息X、光强数据I，并将X和I传送至数据处理系统中；

5)数据处理系统根据步骤4中的待测臭氧的干涉条纹的位置信息X，通过比较其与基准图样零级条纹位置，计算得出待测臭氧零级条纹偏离基准图样中零级条纹的条纹间隔个数|X-x₀|，并把位于基准图样左侧的干涉条纹间隔个数记为负数，位于右侧的干涉条纹间隔个数记为正数；

6)数据处理系统根据步骤5中得到的光强数据，利用光强-浓度曲线查找得到光强为I所对应待测臭氧气体的浓度；

7)数据处理系统根据步骤4得到的间隔个数及位置，通过位置-流速曲线查找得到间隔个数为|X-x₀|所对应待测臭氧气体的流速，利用公式流量＝流速×样品气室横截面积，得到待测臭氧气体的流量；

数据处理系统中运行的数据处理软件会根据标定标准样品时建立的干涉条纹光强与臭氧气体浓度关系曲线以及干涉条纹位置与臭氧流量的关系曲线判断得到待测臭氧浓度和流量。电荷耦合器件记录下明暗相间的条纹，条纹的最大值即干涉条纹光强。用测量得到的干涉条纹光强在“干涉条纹光强与臭氧气体浓度关系曲线”的横轴上查找对应的光强，其在曲线上对应点的纵坐标即臭氧气体的浓度；用测量得到的干涉条纹的零级条纹的位置在“干涉条纹位置与臭氧流量关系曲线”的横轴上查找对应的位置，其在曲线上对应点的纵坐标即臭氧气体的流速。

8)通过公式：臭氧的产量＝臭氧的浓度×含有臭氧的待检气体的流量得到臭氧产量。

Claims (7)

1.一种一体化光学臭氧产量检测装置，包括有设置在光学防震平台上的：光源(1)；第一分束器(2)，将光源(1)分成两束光，其中一束光射在参考臂上，另一束光通过第一反射镜(5)反射在样品臂上；第二反射镜(4)，接收参考臂上的光；第二分束器(7)，分别接收第二反射镜(4)的反射光和样品臂上的光；电荷耦合器件(8)，设置在第二分束器(7)的输出光路上，用于采集第二分束器(7)的干涉条纹，并将采集到的干涉条纹图样转换为可处理的数字信号；数据处理系统(9)连接电荷耦合器件(8)的输出端，用于处理接收到的数字信号；其特征在于，在所述的第一分束器(2)与第二反射镜(4)之间的参考臂的光路上设置有固定体积的参比气室(3)，所述的参比气室(3)的内部抽成真空或充满折射率已知的气体或液体；在所述的第一反射镜(5)和第二分束器(7)之间的样品臂的光路上设置有与臭氧发生器相通的样品气室(6)，所述的样品气室(6)的体积随气体流速发生改变。

2.根据权利要求1所述的一体化光学臭氧产量检测装置，其特征在于，所述的光源(1)采用紫外激光器，所述的紫外激光器采用250nm～270nm波长的连续或脉冲高相干性紫外激光器。

3.根据权利要求1所述的一体化光学臭氧产量检测装置，其特征在于，所述的第一分束器(2)和第二分束器(7)采用50/50的分光比例。

4.根据权利要求1所述的一体化光学臭氧产量检测装置，其特征在于，所述的样品气室(6)为抗臭氧材料制成的，其横截面呈矩形，所述矩形的长轴方向的前、后气室壁上对应设置有进气口(10)和出气口(11)，样品气室(6)的长轴与入射紫外光光轴垂直；所述样品气室(6)沿光轴方向的两气室壁上设置有透射紫外光的入射口(12)和与之对应的出射口(13)，所述的入射口(12)上设置有光学玻璃，所述的出射口(13)上设置有沿光轴方向移动的窗体(14)，该窗体(14)上设置有光学玻璃。

5.如权利要求4所述的一体化光学臭氧产量检测装置，其特征在于：所述的窗体(14)与出射口(13)处连接的部分设置有弹性装置，所述的弹性装置与出射口(13)之间呈密封连接。

6.根据权利要求1所述的一体化光学臭氧产量检测装置，其特征在于，该一体化光学臭氧产量检测装置整体置于恒温箱内，或在构成该一体化光学臭氧产量检测装置的每一部件上均设置温控装置以保持温度恒定。

7.根据权利要求1所述的一体化光学臭氧产量检测装置，其特征在于，构成该一体化光学臭氧产量检测装置的每一部件上均镀有保证良好的光学透射特性，将光学信号损失减至最低的紫外增透薄膜。

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