CN211478058U - 一种气体光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气体光谱分析仪，包括紫外光源、透镜组、紫外多次反射池、自动校准池、紫外光纤、光纤光谱仪和传输控制单元；所述紫外光源、透镜组、紫外反射池以及自动校准池构成独特的紫外光谱探测结构；所述紫外光源依次经过透镜组、紫外多次反射池、自动校准池、紫外光纤和光纤光谱仪的扩束、多次反射、校准、传输和光纤光谱分析，得到气体光谱分析结果；所述的传输控制单元与光纤光谱仪通信，实现气体数据采集，分析，处理和上传。本实用新型使用小型紫外多次反射池极大的拓展了测量光程，实现了在保证测量结果高精度条件下的设备小型化，同时实现了光程范围内的线式测量，使得测量结果更具代表性，更可靠；采用多组份DOAS滤波算法，解决紫外波段环境及多组份交叉干扰问题，提高监测精度和准确度。

Description

一种气体光谱分析仪

技术领域

本发明属于光谱分析和气体监测技术领域，具体涉及一种气体光谱分析仪。

背景技术

随着工业及交通运输等事业的迅速发展，特别是煤和石油的大量使用，产生了大量有害物质，如烟尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等。这些有害物质持续不断地排放到大气中，当其含量超过环境所能允许的极限并持续一定时间后，就会改变大气，特别是空气的正常组成，破坏自然的物理、化学和生态平衡体系，从而危害人们的生活、工作和健康，损害自然资源及财产、器物等，这种情况即被称为大气污染或空气污染。大气环境是人类赖以生存和发展的必要条件，保护和改善大气环境质量对于促进人类社会、经济的发展以及保障人体健康都具有十分重要的意义，而对大气环境的保护与监督有赖于大气环境监测。

常用的污染源现场监测方法可以分为光学法和非光学法。光学方法包括紫外、红外光度法以及光谱分析法，非光学法主要有电化学法、色谱、质谱等。对于现场化工园区仪器，电化学法气体传感器体积小，可应用于便携现场测量，但其缺点是针对每种气体需要配置相应的气体传感器，只能进行当前位置的点式测量，并且寿命短，容易“中毒”导致测量失灵；色谱法对多组分化合物具有高效分离性，质谱法具有优越的结构鉴别和灵敏、准确的定量能力，但其时间分辨率较低、成本高、操作复杂，不宜于便携现场实时测量。国内开发的化工园区现场监测多是采用电化学法，相对于传统的电化学与气相色谱方法，光学方法具有快速，简单，准确的优点，其中紫外光谱法还具有可以同时测量多种气体组份、探测器件体积小等优点，是目前的发展趋势。而现有的光学监测仪器体积较大，或精度较低，不适合于监督性监测要求的化工园区需求，尚没有基于紫外吸收光谱技术的小型化高精度的在线气体监测产品。

差分吸收光谱法(DOAS)主要是利用吸收分子在紫外到可见光段的特征吸收来研究大气层的痕量气体成分。差分吸收光谱技术是利用空气中气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演气体的浓度，因此差分吸收光谱方法具有一些传统检测方法所无法比拟的优点。

实用新型内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种气体光谱分析仪，解决了现有的光学检测仪体积与精度不能兼容的问题，实现了体积小，精度高，安装方便，操作简单的现场实时测量。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种气体光谱分析仪，包括紫外光源、透镜组、小型紫外多次反射池、自动校准池、紫外光纤、光纤光谱仪和传输控制单元；

所述紫外光源、透镜组、小型紫外反射池以及自动校准池构成独特的紫外光谱探测结构；

所述紫外光源依次经过透镜组、小型紫外多次反射池、自动校准池、紫外光纤和光纤光谱仪；

所述紫外光源依次经过透镜组、小型紫外多次反射池、自动校准池、紫外光纤和光纤光谱仪的扩束、多次反射、校准、传输和光纤光谱分析，得到气体光谱分析结果；

所述的传输控制单元与光纤光谱仪通信，实现气体数据采集，分析，处理和上传。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的所述紫外光源为氘灯，光谱范围覆盖180～400nm的紫外光谱，发光面直径大小为Ф1mm，所述氘灯具有多翅状铝合金外壳。

上述的所述的透镜组为准直透镜组，采用伽利略望远镜倒置的结构型式，前组透镜为短焦距正透镜，后组透镜采用正负透镜组合形成的正透镜组，透镜均采用石英(JGS1)玻璃，并且均镀180～400nm的紫外增透膜。

上述的所述紫外多次反射池由曲率半径相同的凹球面反射镜A、B和C共轭放置，反射镜 A为主镜，反射镜B和C为副镜，反射镜B和C并排放置；

反射镜A、B和C的基片选用K9玻璃，镀增强铝膜，对紫外190～310nm波段反射率大于 90％；

所述紫外多次反射池采用怀特型，怀特池内气体吸收光程由公式计算：

L_a＝n×L＝2(N+1)×L

其中，N为主镜上光斑的个数，L为怀特池的腔长；

所述怀特池的腔长为600mm，来回反射20次，整个气体吸收光程为12m。

上述的自动校准池采用非球面单透镜为物镜，所述非球面单透镜具体参数为：通光孔径Ф24mm，中心厚度5.75mm，焦距50mm，偏心率e²＝-0.59，材料为JGS1，镀180～400nm紫外增透膜。

上述的所述紫外光纤紫外吸收率低于10％。

上述的所述光纤光谱仪采用对称式切尔尼-特纳尔光学结构，用两个凹面反射镜取代法蒂-埃伯特(Fastie-Ebert)装置中所使用的单个反射镜；

所述光纤光谱仪波长范围在185-340nm，使用2048单元线阵紫外敏感型硅CCD和1800 线闪耀光栅，狭缝宽度50微米，波长分辨率优于0.5nm。

上述的所述传输控制单元采用DSP系列单片机作为控制核心，采用RS232/RS485标准通信接口，具有无线通讯模块。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用紫外光作为光源，紫外光不易受到水分子的吸收，可以直接对潮湿气体进行分析；

2.与传统DOAS系统比较，本发明的特点是利用多次反射池技术代替了开放式光路，根据Lambet－Beer定律测定气体浓度的原理，增加探测光程可以提高检测灵敏度，利用多次反射池可使光束在小体积内完成多次反射使气体的吸收光程得到显著增加，从而实现以下优点：

小体积：设备体积小于0.2立方米；

高精度：检出限达到100ppb以下，部分气体如SO2，NH3等检出限可达5ppb以下；

快速响应：响应时间低于45s；

多气体同时监测：可同时监测NH₃、NO₂、SO₂、CS₂、苯、甲苯、甲醛、丁二烯等多种气体浓度。

3.本发明区别于传统的电化学传感器的点式测量，使用小型紫外多次反射池实现了光程范围内的线式测量，使得测量结果更具代表性，更可靠。

4.本发明采用多组份DOAS滤波算法，解决紫外波段环境及多组份交叉干扰问题，提高监测精度和准确度。

附图说明

图1为本发明一种气体光谱分析仪的模块化链接示意图；

图2为氘灯光谱图；

图3为透镜组光路系统图；

图4为多次反射池光路系统图；

图5为反射池光谱反射率曲线图；

图6为非球面聚焦透镜光路示意图；

图7为非球面聚焦透镜光斑点列图；

图8为吸收光谱中宽带和窄带图；

其中的附图标记为：紫外光源1、透镜组2、紫外多次反射池3、自动校准池4、紫外光纤5、光纤光谱仪6和传输控制单元7。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的一种气体光谱分析仪，基于比尔-朗伯定律，采用独特的紫外光谱探测结构，利用差分吸收光谱技术，小型紫外多次反射池、光纤光谱仪相结合，实现对多种污染气体的实时在线监测。通过小型紫外多次反射池技术，使光程大于10米，提高反射率、降低杂散光，提高监测精度，减小体积，达到无组织排放现场探测的灵敏度以及便携要求。

通过结合二项式系数滤波、多项式拟合滤波以及Savitzky-Golay滤波等多种数字滤波方法的Multi-Filter技术，根据气体吸收特征，采用多组份DOAS滤波算法，解决紫外波段环境及多组份交叉干扰问题，提高监测精度和准确度。

如图1所示，本发明的一种气体光谱分析仪，包括紫外光源1、透镜组2、紫外多次反射池3、自动校准池4、紫外光纤5、光纤光谱仪6和传输控制单元7；

其中，所述紫外光源1、透镜组2、紫外反射池3以及自动校准池4构成独特的紫外光谱探测结构；

所述紫外光源1依次经过透镜组2、紫外多次反射池3、自动校准池4、紫外光纤5和光纤光谱仪6；

所述紫外光源1依次经过透镜组2、紫外多次反射池3、自动校准池4、紫外光纤5和光纤光谱仪6的扩束、多次反射、校准、传输和光纤光谱分析，得到气体光谱分析结果；

所述的传输控制单元7与光纤光谱仪6通信，实现气体数据采集，分析，处理和上传。

如图2所示，实施例中，所述紫外光源1为氘灯，光谱范围覆盖180～400nm的紫外光谱，发光面直径大小约为Ф1mm，所述氘灯具有多翅状铝合金外壳。

系统工作时氘灯表面温度很高，为了保证氘灯工作时的可靠性、稳定性并延长氘灯的工作寿命，设计了多翅状铝合金外壳，将氘灯内置其中，采用了扩散配合传导的热传递方式，然后利用强制风冷来满足温度要求。

设计的装置可以调整氘灯发光面位置并能进行固定。一方面提高氘灯的散热效率，另一方面，散热装置还具有减少杂散光，保护光源系统的作用。

实施例中，所述的透镜组2为准直透镜组，也可称作光束扩束器。为了避免氘灯光束的发散角过大造成的光斑发散，提高光束的传输距离，即降低光束发散角，提高准直性，设计光束扩束器来改善其发散角。

采用伽利略望远镜倒置的结构型式，前组透镜由一块短焦距正透镜构成，将氘灯的发散光束先进行初步准直，并保证一定的物方孔径角，尽可能多的接收光能量，后组透镜采用正负透镜组合形成的正透镜组用来矫正球差。通过控制三块透镜的彼此间距以及各自镜片的厚度，可以使得氘灯光束被较好的准直，其发散角大约控制在1°左右，如图3所示。

所述透镜均采用石英(JGS1)玻璃，并且均镀180～400nm的紫外增透膜，从而更好地提高紫外光束的透过率。

如图4所示，实施例中，所述紫外多次反射池3由曲率半径相同的凹球面反射镜A、B和 C共轭放置，反射镜A为主镜，反射镜B和C为副镜，反射镜B和C并排放置；

在怀特池中光强的损失主要是由气体吸收和镜片的反射率不高造成，对紫外镀膜技术提出很高要求。凹面反射镜的基片选用K9玻璃，抛光尽可能高，便于提高镀膜效率。由于镀膜波段过宽，采用镀增强铝膜的方式来提高反射率，其对紫外190～310nm波段反射率约为90％，如图5所示。

所述紫外多次反射池采用怀特型，怀特池内气体吸收光程由公式计算：

L_a＝n×L＝2(N+1)×L

其中，N为主镜上光斑的个数，L为怀特池的腔长；

由于大气环境中的有毒气体含量都在ppb～ppm量级，为了降低仪器的检测下限使之能够满足对痕量气体检测的要求，根据Lambet－Beer定律测定气体浓度的原理，增加探测光程可以提高检测灵敏度，利用多次反射池可使光束在小体积内完成多次反射使气体的吸收光程得到显著增加。考虑到系统便携及所测气体要求，所述怀特池的腔长为600mm，来回反射20次，整个气体吸收光程为12m，由公式可得N＝9。。

实施例中，所述的自动校准池4采用非球面单透镜为物镜，作为简单的物镜形成耦合光纤的聚焦系统，解决了由于出射光束本身发散角较大，轴外像差过大，很难形成较小光斑，从而导致能量损失的问题。

所述非球面单透镜具体参数为：通光孔径Ф24mm，中心厚度5.75mm，焦距50mm，偏心率 e²＝-0.59，材料为JGS1，镀180～400nm紫外增透膜，如图6所示。非球面在接收视场内修正前后的光斑点列图如图7所示。

实施例中，所述紫外光纤5，采用定制高性能紫外光纤，色散系数小，紫外吸收率低于10％，机械强度高。

实施例中，所述的光纤光谱仪6，考虑到增加衍射光栅的沟槽密度可以提高光学分辨率，但是要以牺牲光谱范围和信号强度为代价的；减小狭缝宽度或光纤直径可以提高光学分辨率，这样却要造成信号强度的减弱。通过研究污染气体在紫外波段的吸收特性，采用对称式切尔尼-特纳尔(Czerny-Turner)光学结构设计，既可以避免额外的吸收和散射产生的杂散光，又减小谱仪体积。该光纤光谱仪6波长范围在185-340nm，使用2048单元线阵紫外敏感型硅CCD，狭缝宽度50微米，波长分辨率优于0.5nm。

实施例中，所述传输控制单元7采用DSP系列单片机作为控制核心，采用RS232/RS485 标准通信接口，具有无线通讯模块，能直接将采集到的数据上传到服务器平台。

本发明外壳使用铝合金材料，整体体积小于0.2立方米。

实施例中，所述气体光谱分析仪采用多组份DOAS滤波算法，所述多组份DOAS滤波算法是二项式系数滤波、多项式拟合滤波以及Savitzky-Golay(移动平均)滤波的结合。

所述的气体光谱分析仪使用的DOAS技术，在实际气体测量中消光除了分子的吸收，还有散射现象，当光束通过待测量气团时，会遇到瑞利散射，米散射和拉曼散射的影响，其中瑞利和拉曼散射是由于气体分子造成的，而米散射是由气溶胶颗粒、或烟尘所造成。因而朗伯－比尔定律不能直接用于实际大气测量。

在实例中DOAS技术是通过分析不同分子对光辐射的“指纹”吸收实现定性和定量测量，因此其它的作用过程被认为是扰动，需要去除。米散射和瑞利散射都是随波长作慢变化的，对光强的削弱影响较大；荧光(二次发光λ′＞λ)和拉曼散射(产生的反斯托克斯线和斯托克斯线分别为λ′＝λ±λv)取决于分子能级的内部结构，对光强的减弱影响很小。因此，可以描述为：

式中，I₀(λ)为发射光强；I(λ)为经过大气吸收后的接收光强；σ_i(λ)是第i种气体分子的吸收截面；L是光程；c_i是第i种气体分子在光程上的平均浓度。ε_R(λ)和ε_M分别代表瑞利散射、米散射造成的光强衰减。

DOAS技术的基本原理是通过将吸收截面分为两部分来解决这个问题的。

σ_i(λ)＝σ_i,b(λ)+σ′_i(λ)

式中σ_i,b(λ)随波长λ慢变化，σ′_i(λ)是随波长λ呈快变化的部分。吸收光谱宽带和窄带部分如图8所示。

截面分为两部分后，可以表示为：

I(λ)＝I₀(λ)·exp[-L∑(σ′_i(λ)c_i)]·exp[-L(∑(σ_i,b(λ)c_i)+ε_R(λ)+ε_M(λ))]·A(λ)

式中，第一个指数函数描述了痕量气体的差分吸收；第二项是大气中痕量气体慢变化吸收以及瑞利和米散射的影响，衰减因子A(λ)描述了光学传输随波长的慢变化。我们定义变量 I′₀(λ)表示不含差分吸收的光强，也就是慢变化部分：

I′₀(λ)＝I₀(λ)·exp[-L(∑(σ_i,b(λ)c_i)+ε_R(λ)+ε_M(λ))]·A(λ)

则等式变为：

I(λ)＝I′₀(λ)×exp[-L∑(σ′_i(λ)c_i)]

I(λ)只包含了窄带吸收结构；I′₀的光强被插值到某一种类足够窄的吸收线中。σ(λ)通常在实验室进行测量(或从文献中获得)，然后经过数值滤波得到差分吸收截面σ′(λ)。得到差分光学密度：

D′＝log(I′₀(λ)/I(λ))＝L∑(σ′_i(λ)c_i)

已知L，从D和σ(λ)中推导出D′和σ′(λ)，就可以计算出某种分子的浓度。

由于气体分子具有各自的特征吸收截面，通过研究气体对光辐射的特征吸收可以确定其浓度。

实施例中，所述的气体光谱分析仪，在监测范围涵盖波长185-340nm的近紫外光谱区，支持同时监测多种气体含量。

本发明的气体光谱分析仪，采用小型紫外多次反射池4，既增加了光程又减小了体积，使得设备结构紧凑，外壳体积小，便于安装和运输。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种气体光谱分析仪，其特征在于：包括紫外光源(1)、透镜组(2)、小型紫外多次反射池(3)、自动校准池(4)、紫外光纤(5)、光纤光谱仪(6)和传输控制单元(7)；

所述紫外光源(1)、透镜组(2)、小型紫外多次反射池(3)和自动校准池(4)构成紫外光谱探测结构；

所述紫外光源(1)依次经过透镜组(2)、小型紫外多次反射池(3)、自动校准池(4)、紫外光纤(5)和光纤光谱仪(6)；

所述紫外光源(1)依次经过透镜组(2)、小型紫外多次反射池(3)、自动校准池(4)、紫外光纤(5)和光纤光谱仪(6)的扩束、多次反射、校准、传输和光纤光谱分析，得到气体光谱分析结果；

所述的传输控制单元(7)与光纤光谱仪(6)通信，实现气体数据采集，分析，处理和上传。

2.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述紫外光源(1)为氘灯，光谱范围覆盖180～400nm的紫外光谱，发光面直径大小为Ф1mm，所述氘灯具有多翅状铝合金外壳。

3.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述的透镜组(2)为准直透镜组，设有光束扩束器来改善其发散角；

所述的透镜组(2)采用伽利略望远镜倒置的结构型式，前组透镜由一块短焦距正透镜构成，将氘灯的发散光束先进行初步准直，并保证一定的物方孔径角，尽可能多的接收光能量，后组透镜采用正负透镜组合形成的正透镜组用来矫正球差；通过控制三块透镜的彼此间距以及各自镜片的厚度，使得氘灯光束被准直，其发散角控制在1°左右；

所述透镜均采用石英玻璃，并且均镀180～400nm的紫外增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述紫外多次反射池(3)由曲率半径相同的凹球面反射镜A、B和C共轭放置，反射镜A为主镜，反射镜B和C为副镜，反射镜B和C并排放置；

反射镜A、B和C的基片选用K9玻璃，镀增强铝膜，对紫外190～310nm波段反射率大于90％；

所述紫外多次反射池采用怀特型，怀特池内气体吸收光程由公式计算：

L_a＝n×L＝2(N+1)×L

其中，N为主镜上光斑的个数，L为怀特池的腔长；

所述怀特池的腔长为600mm，来回反射20次，整个气体吸收光程为12m。

5.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述的自动校准池(4)采用非球面单透镜为物镜，所述非球面单透镜具体参数为：通光孔径Ф24mm，中心厚度5.75mm，焦距50mm，偏心率e²＝-0.59，材料为JGS1，镀180～400nm紫外增透膜。

6.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述紫外光纤(5)紫外吸收率低于10％。

7.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述光纤光谱仪(6)采用对称式切尔尼-特纳尔光学结构，用两个凹面反射镜取代法蒂-埃伯特装置中所使用的单个反射镜；

所述光纤光谱仪(6)波长范围在185-340nm，使用2048单元线阵紫外敏感型硅CCD和1800线闪耀光栅，狭缝宽度50微米，波长分辨率优于0.5nm。

8.根据权利要求1所述的一种气体光谱分析仪，其特征在于：

所述传输控制单元(7)采用DSP系列单片机作为控制核心，采用RS232/RS485标准通信接口，具有无线通讯模块。

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