CN209485975U - 一种气体浓度分析装置及其测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气体浓度分析装置及其测量设备。测量设备包括：光源、光学分束器、测量光池、测量端检测器和参比端检测器；测量光池用于容纳待测样气；测量端检测器用于测量光源发出的光束经过光学分束器形成的第一光束经过测量光池后的第一光强度；参比端检测器用于测量所述光源发出的光束经过所述光学分束器形成的第二光束的第二光强度。该测量设备和气体浓度分析装置用于根据朗伯‑比尔定律计算出第一光强度和第二光强度之间的函数关系或曲线关系，进而得到样气中目标待测气体的浓度。

Description

一种气体浓度分析装置及其测量设备

技术领域

本实用新型属于环境监测领域，涉及一种气体组分浓度分析测定装置，用于环境气体或固定污染源排放废气中气体污染性气体的浓度的测定，同时也适用于实验室相关气体浓度的测定。

背景技术

无论是环境空气质量评价还是固定污染源排放废气监测，都会涉及到气体浓度测定，气体浓度测定直接关系环境质量评价、污染物排放浓度及排放总量计量测算。

气体浓度的测定方法有很多种，有化学吸收法、定电位电解法、红外光谱吸收法、紫外光谱吸收法等，方法各有优缺点，但随着污染源排放气体浓度的降低，紫外光谱吸收法的优势逐渐体现，分辨率高，测量稳定，抗干扰能力强。

实用新型内容

本实用新型针对紫外光谱吸收方法在实际应用中存在的问题，如体积重量大，使用机械调谐组件抗震动冲击能力差，测量气室大导致响应时间长。另外，通常紫外原理气体测量配置测量气室和参比气室，再利用机械斩波方式调制测量信号和参比信号，已达到测量的准确稳定，存在结构复杂，抗振动差，结构复杂，气密性不易保证等缺点。目前，紫外光谱的检测器一般为光电倍增管或光电二极管阵列，但综合考虑到固态检测器具有量子化效率、噪声、线性范围、使用寿命、可同时检测多信号等方面的优势，本实用新型采用固态检测器。

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型采用多中心频段窄带点光源，通过光学分束器对紫外光进行分束，一束紫外光经过测量气室到测量检测器，一束经折射后照射参比透镜光路到参比检测器，利用分时发射光源方式，通过中心控制板的电子调谐电路将两路信号调制成高频交流信号，实现紫外光谱吸收法的多组分单光池测量。

本实用新型第一方面提供了一种气体浓度分析装置用测量设备，测量设备包括：光源、光学分束器、测量光池、测量端检测器和参比端检测器；

光源为吸收光谱法用光源；

光学分束器用于将光源发出的光束分为第一光束和第二光束；

测量光池用于容纳待测样气；

测量端检测器用于测量第一光束经过测量光池后的第一光强度；

参比端检测器用于测量第二光束的第二光强度。

在一些实施方式中，测量设备还包括：样气进口和样气出口；

样气进口连接在测量光池的一端；样气出口连接在测量光池的另一端；

可选，光学分束器是分光比例为1:1的光学分束器；优选光学分束器是两块石英玻璃三棱镜构成的透射分束器。

在一些实施方式中，测量设备还包括：压力测量模块；

压力测量模块设置在样气进口与测量光池之间。

在一些实施方式中，光源为紫外光源；

可选，紫外光源为窄带多点光源；优选，窄带多点光源用于根据时序产生不同中心频率的光源；

可选，光源的发光波长或波长范围是可调节的；

更优选，紫外光源为LED灯或EDL灯。

在一些实施方式中，测量设备还包括：保温盒壳体、温度传感器和温度控制模块；

保温盒壳体内部容纳有光源、光学分束器、测量光池、测量端检测器、参比端检测器、温度传感器和温度控制模块；

温度传感器用于测量保温盒壳体内部的温度；

温度控制模块用于控制保温盒壳体内部的温度；

可选，温度控制模块为加温模块；

加温模块用于给保温盒壳体内部加温，以使保温盒壳体内部温度高于环境温度；可选，测量设备还包括：均温器，均温器用于使保温盒壳体内部温度均匀。

本实用新型第二方面提供了一种气体浓度分析装置，气体浓度分析装置包括：

本实用新型第一方面的测量设备和中心控制板；

中心控制板用于使用朗伯-比尔定律对第一光强度、第二光强度和光源的波长进行处理得到所述待测样气中目标气体的浓度。

本发明的有益效果如下：

1.采用光谱波长在200nm～760nm的多中心频率窄带点光源LED(Light EmittingDiode)或EDL(Electrode less Discharge Lamp)灯作为光源，比如，使用紫外光源，在这个频谱范围，不同组分的气体会在对应中心频段有吸收峰，根据吸收峰的中心频率选择对应中心频率的点光源，实现同时可测量多种类气体组分浓度的功能；采用窄带点光源LED或EDL紫外灯作为光源，替代传统的宽频谱汞灯、氘灯等，光谱带宽窄，信号漂移小，抗干扰能力强，使用寿命长；

2.使用高透射率光学分束器，优选两块石英玻璃三棱镜构成透射分束器，将紫外光半反半透分成两束垂直光线，一束经过测量池到测量检测器，一束经过无吸收透镜到参比检测器；采用三棱镜作为分束器，光强吸收稳定，将光束分成测量光束和参比光束，可以消除检测信号线上共模干扰，提高测量的稳定性和抗干扰能力；

3.通过振荡脉冲调制方式控制多点光源，顺序分时控制多点光源交替闪烁，根据不同中心频率的点光源闪烁顺序得出组分浓度对应的电信号；使用窄带点光源，通过电调谐周期振荡闪烁光源替代传统机械调谐斩波轮，大大增强了分析仪表抗振动能力，提高了现场使用适应性；采用点光源分时发光的方式，实现了非分散紫外吸收法通道的单光池多组分测量，使得设备体积重量大大缩小；

4.采用高精度控制立体加热模式，将整个传感器放置在高温恒温区域避免环境温度波动对电子器件造成温度漂移影响；增加温度、压力测量传感器，可以对进入分析仪表气体温度和压力参数进行测量，并将参数用于测量信号补偿，减少了不同温度不同流量情况下对仪表测量值的干扰；

当然，也可通过制冷来维持整个传感器的温度恒定，但是，在常规应用中，加热至一定温度并稳定控制，是比较容易实现的，也不会凝结环境空气中的水蒸气；但是如果制冷至某一温度并恒定控制，一旦目标温度低于环境温度容易冷凝环境空气中的水蒸气，不利于设备的保存和维护。

5.在仪表内部气路增加温度和压力传感器测量，并将温度和压力信号传输至控制板，对气体测量浓度进行温度和压力补偿，增强了不同流量、不同温度的工况适应性；采用细长型的不锈钢管镀疏水膜，使得光池容积大大减小，减少了管内气体置换时间，从而减少了仪表的响应时间，疏水膜可以减少吸附和抗腐蚀能力。

6.测量光池采用细长型不锈钢管(光池内部容积小)，相比传统的大光池几乎没有气体置换死角，大大缩短了仪表的响应时间，内部抛光处理并镀疏水层，防腐疏水，延长了光池的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的气体浓度分析装置的光学传感原理示意图；

图2为本实用新型的气体浓度分析装置的核心模块结构示意图；

在图1与图2中，1窄带多点光源、2光学分束器、3测量光池、4压力测量模块，5样气进口、6样气出口、7测量端检测器、8参比端检测器、9测量检测器信号线、10参比端检测器信号线、11光源控制信号线、12中心控制板、13对流窄带均温器、14温度传感器、15温度传感器信号线、16电发热体供电控制线、17电发热体、18温度检测控制线缆、19中心控制板供电线缆、20中心控制板信号输出线缆、21压力传感器信号线、22保温盒壳体。

图3为本实用新型光源控制时序示意图；

图4为拟合函数曲线示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型第一方面提供了一种气体浓度分析装置用测量设备，测量设备包括：光源、光学分束器、测量光池、测量端检测器和参比端检测器；

光源为吸收光谱法用光源；

光学分束器用于将光源发出的光束分为第一光束和第二光束；

测量光池用于容纳待测样气；

测量端检测器用于测量第一光束经过测量光池后的第一光强度；

参比端检测器用于测量第二光束的第二光强度。

当测量光池长度、气体对其有光吸收的光源发射波长与待测浓度某气体种类确定后，根据朗伯-比尔定律，由于该气体在该波长下的透光率是常数，把该种气体(或包含该种气体的混合气体)充入该测量光池后使光束纵向穿过该测量光池，则光线在该测量光池中的透光率与该气体的浓度呈定量关系。

同一束光不能够在穿过测量光池前后分别被测量，同一光源分别在穿过测量光池前后的入射光和出射光各测量一次，则两次光束之间存在误差。

本实用新型通过光学分束器把光源发出的光束分成两个光路，一个代表入射光经参比端检测器检测，另一个代表出射光经测量端检测器，通过两个检测器检测的光强度计算出透光率，进而就能够算出该气体浓度，这样通过相同来源的光分束后分别代表入射光和出射光，克服了现有技术中的不足，提高气体浓度测量效率。

在一些实施方式中，测量端检测器和参比端检测器为固态检测器。

在一些实施方式中，测量光池采用不锈钢管，如细长型不锈钢管，没有气体置换死角，大大缩短了仪表的响应时间。

在一些实施方式中，测量光池内部抛光处理并镀疏水层，防腐疏水，延长了光池的使用寿命。

在一些实施方式中，测量端检测器与中心控制板通过测量检测器信号线相连接，以便接收测量端检测器的信号。

在一些实施方式中，参比端检测器与中心控制板通过参比端检测器信号线相连接，以便接收参比端检测器的信号。

在一些实施方式中，测量设备还包括：样气进口和样气出口；样气进口连接在测量光池的一端；样气出口连接在测量光池的另一端，以便能够将待测气体通入测量光池，进行气体浓度测定。

在一些实施方式中，测量光池可以没有样气进口和样气出口，而是将样气封装在其中进行测试，比如，用测量光池把待检测气体在样气产生场景下封存，然后拿到其他地方组装起来测试。

在一些实施方式中，测量光池可以只有一个样气出入口，将测量设备整体放入气体产生环境，待出入口内外气体扩散平衡后，封堵或不封堵样气出入口，进行测试。

在一些实施方式中，测量光池可以有多个样气出入口，以便实现特定的应用目的，比如，两个入口中分别通入不同两种气体，两种气体在测量光池中参与反应，通过本测量设备测量生成物的浓度，以便研究反应动力学等参数。

在一些实施方式中，使用高透射率光学分束器，使得光束无吸收或接近无吸收地到达参比检测器，以便使第二光束几乎等于入射光光强。在一些实施方式中，光学分束器和光路可以具有一定的吸光性，通过标准样气的校准，能够通过计算来消除光路吸光所带来的误差。

在一些实施方式中，光学分束器是分光比例为1:1的光学分束器，以便使得第二光束的强度在数值上等于第一光束入射光的强度，进而与第一光束出射光的强度进行比较，计算气体浓度；

在一些实施方式中，光学分束器是分光比例为非1:1的光学分束器，通过标准样气的校准，能够通过计算来消除分光比例所带来的误差。

在一些实施方式中，光学分束器是两块石英玻璃三棱镜构成的透射分束器，光强吸收稳定，将光束分成测量光束和参比光束，可以消除检测信号线上共模干扰，提高测量的稳定性和抗干扰能力。

在一些实施方式中，第一光束和第二光束传播方向是垂直的。

在一些实施方式中，第一光束和第二光束传播方向是非垂直的，可根据光束分束后的方向设置测量端检测器和参比端检测器。

在一些实施方式中，测量设备还包括：压力测量模块；压力测量模块设置在样气进口与测量光池之间，以便检测测量光池中的压强，用于测量压强对气体浓度的影响，增强了不同流量工况适应性。

在一些实施方式中，压力测量模块设置在样气出口与测量光池之间，也能达到相同的用途。

在一些实施方式中，光源为紫外光源，用于测试在外光谱下有吸收的气体的浓度。

在一些实施方式中，紫外光源为窄带多点光源，通过电调谐周期振荡闪烁光源替代传统机械调谐斩波轮，大大增强了分析仪表抗振动能力，提高了现场使用适应性。

在一些实施方式中，窄带多点光源用于根据时序产生不同中心频率的光源；利用分时发射光源方式，通过电子调谐电路将两路信号调制成高频交流信号，实现紫外光谱吸收法的多组分单光池测量。电子调谐电路可以是中心控制板的电子调谐电路或者独立设置的电子调谐电路。

在一些实施方式中，窄带多点光源与中心控制板通过光源控制信号线相连接，以便控制光源的开启与选择或控制波长。

在一些实施方式中，光源的发光波长或波长范围是可调节的，以便增加可测试气体的范围。

在一些实施方式中，紫外光源为LED灯或EDL灯，信号漂移小，抗干扰能力强，使用寿命长。

在一些实施方式中，测量设备还包括：保温盒壳体、温度传感器和温度控制模块；

保温盒壳体内部容纳有光源、光学分束器、测量光池、测量端检测器、参比端检测器、温度传感器和温度控制模块；

温度传感器用于测量保温盒壳体内部的温度，增强了不同温度的工况适应性；

温度控制模块用于控制保温盒壳体内部的温度；

将参与浓度测定的部件放入恒温环境中并通过温度控制模块控制其中的温度恒定，避免环境温度波动对电子器件造成温度漂移影响，使测定更加准确，减少批次间误差。

在一些实施方式中，温度控制模块为制冷模块，使保温盒壳体内温度低于室温。

在一些实施方式中，温度控制模块为加温模块，加温模块用于给保温盒壳体内部加温，以使保温盒壳体内部温度高于环境温度；相对于制冷模块，加热模块不容易生成冷凝水，利于设备的保存和维护。

在一些实施方式中，测量设备还包括：均温器，均温器用于使保温盒壳体内部温度均匀。

本实用新型第二方面提供了一种气体浓度分析装置，气体浓度分析装置包括：

本实用新型第一方面的测量设备和中心控制板；

中心控制板用于使用朗伯-比尔定律对第一光强度、第二光强度和光源的波长进行处理得到所述待测样气中目标气体的浓度。

中心控制板的自动计算运行可直接得到气体浓度信息，而不需要再次根据本实用新型第一方面的测量设备所得数值进行再次计算。

在一些实施方式中，中心控制板还通过不同的线路分别控制其他部件的运行或收集其他部件产生的信号。

本实用新型第二方面的分析装置可用于执行气体浓度的校准，校准包括如下步骤：

S1-零点校准：将零气通入测量光池，对气体浓度分析装置所有部件进行校准零点；

S2-线性度校准：将各自梯度的浓度A的标准气体分别通入测量光池，得到气体浓度分析装置的显示值B；

S3-拟合函数：根据一一对应的浓度A和浓度B，得到浓度A和浓度B之间关系的拟合函数或浓度A与浓度B之间关系的标准曲线。

使用本实用新型第一方面的测量设备执行时，还需单独计算。

使用本实用新型第二方面的分析装置执行时，可通过中心控制板自动计算。

通过实际零气的使用，就能够计算出实际气体浓度与计算出的气体浓度之间的关系，进而整体消除系统误差，提高测量准确性。

在一些执行中，梯度的浓度指按照10％F.S.(量程)、20％F.S.、30％F.S.、40％F.S.、50％F.S.、60％F.S.、70％F.S.、80％F.S.、90％F.S分别独立进行测试。

在一些执行中，校准方法还包括：

重复步骤S1；多次重复使得测量结果更准确。

在一些实施方式中，拟合函数通过采用线性、二次函数或多项式方式用最小二乘法优化方法拟合得到；

本实用新型第二方面的分析装置执行气体浓度的校准时并不局限于前述计算方法，在一些执行中，可以采用经验曲线法，制作浓度A和浓度B之间关系曲线，或者实际浓度与透光率之间的关系曲线，实际测量中在曲线上找点。

在一执行中，通过目的气体浓度已知的待测样气，修正浓度A和浓度B之间关系的函数；

在一些执行中，通过不同温度和压强下气体的测定浓度A和浓度B，修正浓度A和浓度B之间关系的函数。

使用如本实用新型第二方面的分析装置可用于执行气体浓度的分析，分析包括如下步骤：

将待测样气通入测量光池；

启动光源；

使用测量端检测器获取由光源发出的光束经过光学分束器形成的第一光束通过测量光池后的第一光强度，使用参比端检测器获取由光源发出的光束经过光学分束器形成的第光二束的第二光强度；

根据第一光强度、第二光强度和光源的波长，计算得到待测样气中目标气体的浓度。

在一执行中，根据朗伯-比尔定律计算得到待测样气中目标气体的浓度。

在一些执行中，通过本实用新型第二方面的分析装置执行的气体浓度的校准得到的浓度A和浓度B之间关系的拟合函数或浓度A与浓度B之间关系的标准曲线校准待测样气中目标气体的浓度。

在一些执行中，目标气体选自二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮中的一种或多种。

在构思不变的情况下，本实用新型的局部部件可以分别独立更换成本领域已知的其他相同或相近功能的部件或添加附属功能的模块，在能够解决相同或相近技术问题的情况下，可以通过本领域中已知的其他算法进行计算。在本领域技术人员可以预期的范围内，可以把本实用新型的装置结合其他装置共同使用。

下面给出一个较优的实施方式。

本实用新型的气体浓度分析装置的核心模块流程和结构示意图如图1和图2所示，该分析装置包括窄带多点光源1、光学分束器2、测量光池3、压力测量模块4、样气进口5、样气出口6、测量端检测器7、参比端检测器8、测量端检测器信号线9、参比端检测器信号线10、光源控制信号线11、中心控制板12、对流窄带均温器13、温度传感器14、温度传感器信号线15、电发热体供电控制线16、电发热体17、温度检测控制线缆18、中心控制板供电线缆19、中心控制板信号输出线缆20、压力传感器信号线21、保温盒壳体22。

样气进口5设置在压力测量模块4的一端，压力测量模块4的另一端通过气管与测量光池3的一端进气口相连，测量光池3的另一端出气口与样气出口6相连接，这就构成了分析仪传感器部分的完成气路；

窄带多点光源1设置在光学分束器2的远离测量光池3的一端。

光学分束器2设置在测量光池3的一端，测量端检测器7设置在测量光池3的另一端；

测量端检测器7与中心控制板12通过测量检测器信号线9相连接；

参比端检测器8设置在光学分束器2的与光学分束器2与测量光池3连线相垂直的方向上；

测量端检测器7和参比端检测器8为固态检测器。

参比端检测器8与中心控制板12通过参比端检测器信号线10相连接；

窄带多点光源1与中心控制板12通过光源控制信号线11相连接。

对流窄带均温器13上通过温度传感器信号线15与温度传感器14相连。

对流窄带均温器13、将温度传感器14、压力测量模块4、压力传感器信号线21、发热体17、光学传感器套件(窄带多点光源1、光学分束器2、测量光池3、测量端检测器7、参比端检测器8、测量端检测器信号线9、参比端检测器信号线10、光源控制信号线11)置入保温盒壳体22中。

窄带多点光源1用于根据时序产生不同中心频率的光线，不同频率光线对应不同的测量组分；

光学分束器2，通常为立方体，由两块三棱镜按照一定角度拼接而成，通常为45°角，拼接面镀上反射涂层以得到所需的反射与透射比，用于将点光源产生的光线分成相互垂直的两束光线，一束沿着光池3方向到达测量端检测器7，另一束被折射成垂直于光池方向的光线到到参比端检测器8；

测量光池3用于形成光线照射气体的光学和气体通路，测量过程中，气体在测量光池3中流动，光线由测量光池3靠近分束器2的一端射向测量端检测器7的一端；

测量端检测器7用于检测光线经过样气吸收后的光强；

参比端检测器8用于检测光线在无吸收条件下的光强；

测量端检测器信号线9用于将测量端检测器7的测量信号传输至中心控制板12；

参比端检测器信号线10用于将参比端检测器8的参比信号传输至中心控制板12；

光源控制信号线11用于将中心控制板12的光源控制时序信号发送给窄带多点光源1，使得光源按照时序发光，并读取窄带多点光源1的工作状态；

中心控制板12用于控制窄带多点光源1的发光种类和时序，读取测量端检测器7、参比端检测器8、对流窄带均温器13、压力测量模块4的各路信号，并将信号根据相关公式计算成标准状态下气体浓度值；

对流窄带均温器13用于将整个保温盒壳体内的温度控制在中心控制板12所设定的温度值，并将温度信号反馈给中心控制板，对流窄带均温器13上配置对流风扇，使得保温盒壳体内部充分对流，达到均温效果。对流窄带均温器13集成了均温器的均温和温度控制模块的控温功能。

温度传感器14用于测量保温盒壳体内部温度，并反馈至对流窄带均温器13；

温度传感器信号线15用于将温度传感器信号传输给对流窄带均温器13

电发热体供电控制线16用于根据对流窄带均温器13的控制通断给发热体17供电；

电发热体17用于产生热量，一般采用加热膜或加热棒等电阻类材料；

温度检测控制线缆18用于将中心控制板12的控制、配置信号发送给对流窄带均温器13，并将温度信号从对流窄带均温器13传输至中心控制板12；

中心控制板供电线缆19用与中心控制板和整套分析装置供电一般为24VDC供电；

中心控制板信号输出线缆20用于将中心控制板12计算的气体浓度值，当前分析仪表的压力、温度等状态值通过数字通信孔传送给显示屏或其他数据采集装置；

压力传感器信号线21用于将压力测量模块测得的气路压力信号传输至中心控制板；

保温盒壳体22用于固定发热体(多片加热膜实现立体式加热)，固定保温材料、并实现电磁屏蔽效果。

本实用新型的分析装置的工作原理参照图1所示，待检测样气经过样气进口5进入压力测量模块4再进入测量光池3，最后从样气出口6排出，该装置测量测量光池3中的样气浓度。

采用多中心频段窄带点光源1，一个光源模块中含有多个点光源，每个点光源发出的光的中心频率不同，中心控制板12通过光源控制信号线11控制多频段窄带点光源1的不同中心频率灯的发光时序。

通过光学分束器2对多中心频段窄带点光源1发出的入射光进行分束，形成传播方向不变的第一束紫外光和经折射后得到垂直于光池3方向的第二束紫外光。

第一束光线经过测量光池3达到测量端检测器7，由于光池中存在对光线有吸收作用的气体，故第一束紫外光经过测量气室3时发生了对应频率段的光谱吸收，测量端检测器7测量光强信号并将光强信号通过测量检测器信号线9传输至中心控制板12。

第二束光线为照射参比透镜光路到参比端检测器8，通过参比检测器8测量参比光路的光强，再经过参比端检测器信号线10将第二束光线的光强传递到中心控制板12，由于选用了几乎对光线没有吸收作用的透镜作为参比光线的光路介质，所有参比端光强几乎没有衰减。

中心控制板12根据当前控制的中心频率点光源，计算与比较测量端检测器7的经过气体吸收的光线强度和参比端检测器没有气体吸收的光线强度，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，在根据压力温度补偿模型计算出对应光源频率的气体浓度。

利用分时光源发射方式，即不同频率的点光源按照一定顺序和持续时间发射光线，可根据测量组分选择不同频率的点光源集成在窄带多点光源1中，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，得到待测气体的浓度，通过中心控制板的电子调谐电路将两路信号调制成高频交流信号，实现紫外光谱吸收法的多组分单光池测量。

固定污染源排放监测中通常关注二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、等组分，这几种组分在紫外波段都有对应的特征吸收峰，根据吸收峰的频率可以确定种类，根据吸收光强的多少可以确定浓度。

仪表正常工作时，整个加热保温盒如图2所示，都处于温度稳定状态，一般比环境温度高15～20℃。

待检测样气经过样气进口5进入压力测量模块4再进入测量光池3，最后从样气出口6排出。

窄带多点光源1，一般由一到多个点光源构成，每种点光源发射的紫外频率不同，根据测量组分选择不同的点光源，由中心控制板12统一控制电光源的分时发射顺序，这样可以增加光源的使用范围，也可以对多种待测浓度的成分的混合气体中各自的浓度进行测定，而不需要分别更换光源。其中光源控制时序示意图参见图3。

常规污染源监测中一般关注的污染性气体为二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等，这几个污染气体在紫外光谱段或其他波长光谱都有特定的吸收峰，如SO₂的紫外中心吸收峰波长为250～330nm，二氧化氮的吸收峰波长在280～600nm，一氧化氮的吸收峰波长在200～230nm等，根据需要测量的组分选择特定频段的光源灯。

由中心控制板12发出光源控制信号，经过光源控制信号线11传送给窄带多点光源1，控制组分一光源亮起，发射特定频段紫外光线经过光学分束器2，分成两路垂直的光线，一路经过测量光池3到达测量端检测器7，产生测量信号，经过测量检测器信号线9到达中心控制板12，另一路经过无吸收的高透镜照射到参比端检测器8，产生参比信号，经过参比端检测器信号线10到达中心控制板12，中心控制板12根据接受到的测量信号、参比信号以及光源控制时序信息来判断组分一的浓度信号，整个计算过程都遵守朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，具体由光强产生的浓度信号的原理，本文中描述的中心控制板12已将朗伯-比尔定律公式写在信号处理算法中，并根据不同压力，不同温度下的测量值建立了补偿模型，最终实现中心控制板12计算出的信号值与通入的标准气体浓度值一一对应，并通过计算拟合成组分气体浓度值。

光通过光学分束器均匀分成两束，分别通过参比透镜和测量光池3得到光的检测信号的比，即透光率与气体中污染物的浓度相关，见式(1)

式中：Tr——光通过参比透镜(即光学分束器)和测量气室(即测量光池)得到光的检测信号的强度比值，即透光率；

I_o——光通过参比透镜(即光学分束器)后的强度；

I——光通过测量气室后的强度；

α(λ)——分子吸收率(与波长λ有关)，光源对应波长；

c——待测目的气体(比如，气体污染物)浓度；

l——光通过测量气室的长度。

由于参比透镜中对光强的吸收忽略不计，所以可得到

I_样品＝I₀e^-α(λ)cl

由此式可知污染物浓度C和测量气室的检测出的光强I样品一一对应，根据光强计算出污染物浓度。

最后我们调节不同流量(对应压力变化)和不同温度，对实际值进行简单线性模型修正，可得I_样品＝I₀e^-α(λ)cl+m*T+n*P，其中，m、n为修正系数，T为温度值，P为压力值。

复位，赋值、清零等操作都是中心控制板12内部软件自动完成。

仪表预热稳定后，具体分析仪表校准步骤如下：

步骤一：零点校准：将零气(高纯氮或洁净空气)充分通入测量光池3，流量稳定，所有点光源分时发光，根据各组分测量信号和参比信号以及光源时序信息，对所有通道的校准零点，发送校准零点命令时，中心控制板12软件执行系数k值复位1操作，k为满度修正系数；

针对二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等组分，选择不同的光源中心波长。

步骤二：线性度校准：由于单纯的物理器件的信号线性一般很难保证，所以需要分别对各通道信号进行线性化处理，将量程气使用标准气体发生器进行量程按照比例切割，例如按照10％F.S.、20％F.S.、30％F.S.、40％F.S.、50％F.S.、60％F.S.、70％F.S.、80％F.S.、90％F.S.分别进行标准气体发生，将气体通入分析仪表中至仪表输出信号稳定，并记录所有点的信号值(本例中以二氧化硫通道为例，量程F.S.选择100*10^-6(100ppm)，采用10点校准，也可根据精度要求，增加或减少线性校准点数)，结果参见表1。

表1线性度校准

步骤三：根据上表以校准前的输出值作为自变量，以标气值为因变量进行多点拟合，可以采用线性、二次函数、多项式等方式用最小二乘法等优化方法进行拟合，得到拟合函数A＝k·F(B)，其中k默认为1。拟合函数的曲线参见图4。

由表1所示试验可得A＝K*(2E^-05B³-0.004B²+1.2385B)，(R²＝0.9996，K＝1)。

步骤四：完成以上三个步骤后，重新再做步骤一，由中心控制板12上的屏幕或按键再次对中心控制板12发出校准零点命令，由中心控制板的软件对所有通道进行零点校准；

步骤五：由样气进口5通入量程80％～100％范围的气体，如例中，通入85ppm的二氧化硫气体对仪表进行满度标定，将85ppm数值通过人机接口输入至中心控制板12。此时，中心控制板12根据当前各信号总额计算浓度值B(80)与输入标气浓度值A(85ppm)，计算得到K＝A/B＝1.0625，并将此值带入公式，用于修正传感器的实时输出浓度值，在无温度和压力补偿的条件下仪表显示值即为A’＝K·F(B)＝1.0625*80＝85，完成满度标定。

为了提高测量精度，本方法还包括：

步骤六：增加压强和温度的补偿，A”＝k·F(B)+m*T+n*P,其中T为温度值，P为压强值，m、n为修正系数。

具体做法：一固定其他变量，只调节温度，观察并记录温度T与A的变化关系，确定m系数值；二固定其他变量，只调节不同流量，观察并记录压力(流量)与A的变化关系，确定压力P与A的变化关系，确定n值。完成线性模型修正系数。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (10)

1.一种气体浓度分析装置用测量设备，所述测量设备包括：光源、光学分束器、测量光池、测量端检测器和参比端检测器；

所述光源为吸收光谱法用光源；

所述光学分束器用于将所述光源发出的光束分为第一光束和第二光束；

所述测量光池用于容纳待测样气；

所述测量端检测器用于测量所述第一光束经过所述测量光池后的第一光强度；

所述参比端检测器用于测量所述第二光束的第二光强度。

2.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备还包括：样气进口和样气出口；

所述样气进口连接在所述测量光池的一端；所述样气出口连接在所述测量光池的另一端。

3.如权利要求2所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备还包括：压力测量模块；

所述压力测量模块设置在所述样气进口与所述测量光池之间。

4.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述光学分束器是分光比例为1:1的光学分束器。

5.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于，

所述光源为紫外光源。

6.如权利要求5所述的测量设备，其特征在于，所述紫外光源为LED灯或EDL灯。

7.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备还包括：保温盒壳体、温度传感器和温度控制模块；

所述保温盒壳体内部容纳有所述光源、所述光学分束器、所述测量光池、所述测量端检测器、所述参比端检测器、所述温度传感器和所述温度控制模块；

所述温度传感器用于测量所述保温盒壳体内部的温度；

所述温度控制模块用于控制所述保温盒壳体内部的温度。

8.如权利要求7所述的测量设备，其特征在于，

所述温度控制模块为加温模块；

所述加温模块用于给所述保温盒壳体内部加温。

9.如权利要求7或8所述的测量设备，其特征在于，

所述测量设备还包括：均温器，所述均温器用于使所述保温盒壳体内部温度均匀。

10.一种气体浓度分析装置，其特征在于，所述气体浓度分析装置包括：

权利要求1-9中任一项所述的测量设备和中心控制板；

所述中心控制板用于使用朗伯-比尔定律对所述第一光强度、所述第二光强度和所述光源的波长进行处理得到所述待测样气中目标气体的浓度。