CN214066918U - 一种紫外气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种紫外气体分析仪，包括：光源、隔半气室、切光片、微处理器和光谱仪；Y型光纤将光源发出的光平均地传导至隔半气室的测量通道和参比通道，切光片使光谱仪分时从隔半气室的测量通道和参比通道接收光信号，对应得到测量通道信号光谱和参比通道信号光谱；根据测量通道信号光谱和参比通道信号光谱以及存储在微处理器中的算法关系得到被测气体浓度；隔半气室的设置消除了长期漂移对气体浓度测量的影响、降低了维护成本；通过使用Y型光纤能够确保进入测量通道和参比通道的初始光源能量一致性高，提高了测量精度；气室内壁黑色氧化处理，延长了气体分析仪的使用寿命；通过将切光片设置在隔半气室后侧能够使分析仪的结构更加紧凑。

Description

一种紫外气体分析仪

技术领域

本实用新型涉及气体成分分析领域，尤其涉及一种紫外气体分析仪。

背景技术

沼气是一种可燃性混合气体，一般含甲烷、二氧化碳、氨气、氢气和硫化氢等气体。以往的沼气分析仪通常主要用于检测甲烷、二氧化碳和氧气等指标性气体的含量，对硫化氢的含量不予关注，然而沼气中的硫化氢是一种有害气体，它对管道、仪表及设备有强烈的腐蚀作用，泄漏在空气中将污染大气，危害人体健康。因此，对沼气中的硫化氢含量进行监测同样不容忽视。

我国环保标准严格规定：利用沼气能源时，沼气中H₂S含量不得超过 20mg/m³。事实上脱硫前沼气中的H₂S质量浓度远远高于20mg/m³，高于我国环保标准的规定。所以，H₂S的脱除成为沼气使用前必不可少的一个环节，并且需要气体分析仪对沼气中的硫化氢含量进行监测。

为了对沼气中的H₂S浓度进行监测，专利文献CN1040866中公开了一种电化学H₂S传感器，电化学H₂S传感器通过传感器中的银/硫化银电极与被测气体接触，银/硫化银电极上浸有的电解质与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号，通过测量产生的电信号得到被测气体的浓度，由于高浓度的硫化氢气体会与电解质发生化学反应，导致电解质不断消耗，因此电化学传感器的使用寿命短，需要维护更换。

为了延长电化学传感器的使用寿命以及使被测气体始终处于电化学传感器的量程范围内，专利文献US5569838A中公开了通过使用稀释气体对高浓度的样品气体进行稀释,再利用电化学传感器对稀释后的混合气体进行浓度测量的技术方案，此方案能够避免高浓度样品气体对电化学传感器造成直接冲击，对电化学传感器形成了保护，延长了电化学传感器的使用寿命，但是此方案采用电磁阀、流量计和气泵，导致产品可靠性低，成本高。同时专利文献CN202661435U 中公开了一种延长电化学H₂S传感器使用寿命的装置，通过三通阀调整向电化学硫化氢传感器中通入硫化氢和空气的时间比例，此方案能够避免在测量硫化氢浓度时一直向装置中通入硫化氢对电化学传感器产生的巨大损耗，从而达到延长电化学传感器的使用寿命的目的，降低了产品的维护成本，但是由于采用电磁阀和气泵，导致产品可靠性低，成本高，并且当将电化学传感器从与空气相连的状态转换至与硫化氢气体相连的状态时，置换气体需要花费时间，导致气体测量响应速度慢，不能实现实时测量。

为了提高H₂S浓度测量的可靠性和实时性，专利文献CN108051388A公开了一种H₂S气体紫外光谱检测装置及其方法，所述装置包括紫外光源、长光程气体吸收池、紫外光纤光谱仪和计算机；紫外光源发射的紫外光入射到长光程气体吸收池后，被设置于气体吸收池内部的反射镜进行多次反射，并由光纤传输到紫外光纤光谱仪；该装置采用长光程气体吸收池能够实现低浓度H₂S实时检测功能，但是其光路复杂、包含精密的光学器件，一旦长光程气体吸收池被污染，后期维护成本高。

为了提供长期稳定性好的硫化氢气体在线监测装置，专利文献CN2589969 公开了一种硫化氢气体在线监测装置，紫外光源通过充满硫化氢气体的待测气体池而射向半反半透镜，光在经过半反半透镜后，50％的光强透过再经过228 纳米的滤光片被光电倍增管接收，还有50％的光强被反射后经过361纳米的滤光片被光电二极管探测器接收。由于硫化氢气体在228纳米有显著的吸收峰，在361纳米几乎没有吸收，故可分别利用这两个波段作为测量和参比通道，以构成差分测量系统，虽然此方案实现了参比测量，但是其包含两个探测器以及半反半透镜，结构复杂，并且两个探测器的一致性差异也会给测量结果带来误差。此外专利文献CN101526472B公开了一种智能紫外气体分析仪，包括紫外光源以及切光轮，在切光轮的两端分别设有滤光片和透紫玻璃。部分反射镜片将入射紫外光分成双光束，一部分进入测量边，一部分进入参比边，并分别被位于测量边和参比边的光电检测器检测，根据两个通道光信号的比值得到被测气体的浓度，此气体分析仪可消除长期漂移，但是其包含两个光电检测器、切光轮上设置有滤光片，结构复杂，并且两个光电检测器的一致性差异也会给测量结果带来误差。

在本背景技术中仅以测量沼气中的H2S的应用场景进行举例说明，事实上对此不做限定，本申请中所公开的紫外气体分析仪还可应用于天然气、石油等应用场景中的硫化氢浓度测量，也可以应用于其他气体浓度的测量。

实用新型内容

有鉴于此，针对上述问题，本实用新型提供了一种使用寿命长、长期稳定性好、后期维护成本低、结构紧凑、测量精度高、测量量程宽的紫外气体分析仪。

一种紫外气体分析仪，具体包括：光源、隔半气室、切光片、微处理器和光谱仪；

光源为紫外光源，用于产生紫外光；

隔半气室包括大小和形状均相同的测量通道和参比通道；

光源产生的紫外光经由第一Y型光纤传输至隔半气室，在第一Y型光纤和隔半气室之间设置了第一平凸透镜；第一Y型光纤用于保证进入测量通道和参比通道的初始光源能量一致；

测量通道和参比通道的出射光经由第二平凸透镜汇聚后，由第二光纤传导至光谱仪；

通过电机带动切光片旋转使光谱仪能分时接收到测量通道和参比通道输出的光信号；

所述微处理器与所述光谱仪以及所述光源电连接，用于计算被测气体的浓度。

参比通道密封氮气；测量通道通入被测气体。

切光片设置于隔半气室与第二光纤之间，切光片与电机的电机轴相连；微处理器与电机电连接，用于控制电机的旋转频率。

隔半气室还包括中心隔板，中心隔板横穿于隔半气室；测量通道和参比通道相对于中心隔板呈左右对称设置或者上下对称设置。

隔半气室为铝合金材质，气室内壁黑色氧化处理。

通过电机控制切光片旋转频率，使光谱仪接收测量通道输出的光信号的时间m大于光谱仪接收参比通道输出的光信号的时间n。

电机带动切光片在测量通道及参比通道之间切换时，光源暂停工作。

本实用新型提供的紫外气体分析仪的有益效果是：由于参比气室的设置，消除了长期漂移对H2S浓度测量的影响,稳定性好、测量精度高、降低了维护成本。通过电机控制切光片旋转频率，使光谱仪接收测量通道输出的光信号的时间m大于光谱仪接收参比通道光信号的时间n，根据测量通道输出的光信号以及存储的参比通道的光信号得到被测气体的浓度，提高了被测气体浓度测量的实时性，延长切光片和电机的使用寿命；电机带动切光片在测量通道及参比通道之间切换时，光源暂停工作，能够延长光源的使用寿命；隔半气室为铝合金材质，隔半气室内壁氧化处理,增强了紫外气体分析仪的防腐性能，延长了气体分析仪的使用寿命，同时黑色氧化可以防止由于紫外光在隔半气室内壁发生漫反射而导致杂散光，提高了气体浓度测量精度。通过对气体分析仪进行双量程标定，使同一台气体分析仪既能对检测上限高(脱硫前)的气体进行浓度测量，监测沼气池的运行状态，又可以对检测下限低(脱硫后)的气体进行浓度测量，监测脱硫效率；使用Y型光纤将光源发出的光传导至隔半气室的测量通道和参比通道，能够确保进入测量通道和参比通道的初始光源能量一致性高；通过透镜将点光源变成平行光进入隔半气室，让光源能够同时照射到被测气体和参考气体；通过将切光片设置在隔半气室与光谱仪之间能够使分析仪的结构更加紧凑。

附图说明

图1是本实用新型公开的一种紫外气体分析仪结构示意图；

图2是本实用新型公开的一种紫外气体分析仪的工作原理示意图。

1-光源、3-第一平凸透镜、41-测量通道、42-被测气体入口、43-被测气体出口、 5-参比通道、6-第二平凸透镜、7-第一Y型光纤、8-第二光纤、9-切光片、 2-10-光谱仪、12-电机。

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描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种紫外气体分析仪，具体包括光源1、隔半气室、切光片9、光谱仪10和微处理器。

光源1可以为氙灯或者氘灯等紫外光源，由于氙灯使用寿命长、光谱范围广，光源1优选为氙灯。

隔半气室包括大小和形状均相同的测量通道41和参比通道5；隔半气室的测量通道41和参比通道5相对于横穿隔半气室中心的隔板呈左右对称设置或者上下对称设置；隔半气室为铝合金材质，隔半气室内壁氧化处理，增强了气体分析仪的防腐性能，延长了紫外气体分析仪的使用寿命，同时黑色氧化处理可以防止由于紫外光在隔半气室内壁发生漫反射而导致杂散光，提高了气体浓度测量精度。

光源1产生的紫外光经由第一Y型光纤7传输至隔半气室，在第一Y型光纤7和隔半气室之间设置了第一平凸透镜3；第一平凸透镜3用于对第一Y型光纤7传导的光进行准直，第一Y型光纤7用于保证进入测量通道41和参比通道5的初始光源1能量一致，进而消除由于两个通道的初始光强能量不一致给检测结果带来的测量误差。

切光片9可以设置于隔半气室的前侧，也可以设置于隔半气室的后侧，当切光片9设置于隔半气室的前侧时，切光片9控制光源1发出的光交替照射到隔半气室的两个通道中。当切光片9设置于隔半气室的后侧时，光源1发出的光同时照射到隔半气室的两个通道中，切光片9控制光谱仪10交替从隔半气室的两个通道中接收光信号，由于紫外光源1的体积庞大，将切光片9设置于隔半气室的后侧，可以使气体分析仪整体结构更加紧凑；测量通道41和参比通道 5的出射光均经由第二平凸透镜6汇聚后，再由第二光纤8传导至光谱仪10；本实施例中，第二光纤8也采用Y型光纤，但对此不作限定。

光谱仪10与微处理器电性连接；微处理器与光源1电性连接，用于控制光源1的开关频率。

测量通道41还包括被测气体入口42和被测气体出口43。

参比通道5中密封氮气等对紫外光无吸收的气体中的一种；测量通道41通入被测气体。

切光片9设置于隔半气室与第二光纤8之间，切光片9与电机12的电机轴相连；微处理器与电机12电连接，用于控制电机12的旋转频率；测量通道41 和参比通道5的出射光，在同一时刻仅有其中一种能够通过切光片9，并经第二 Y型光纤8传导至光谱仪10。

请参考图2，图2是本申请中一种紫外气体分析仪的工作流程图；S101：首先进行数据标定，得到补偿吸光度与浓度之间的曲线关系。具体为通过向测量通道中多次通入不同已知浓度的被测气体，向参比通道中密封氮气，利用光谱仪分别得到不同浓度气体对应的补偿吸光度，根据数据拟合得到补偿吸光度-浓度曲线，得到补偿吸光度的具体过程为：

通过微处理器控制电机实现光谱仪分时采样，分别获取测量通道的实时光谱和零点光谱、参比通道的实时光谱和零点光谱；据此分别计算测量通道的吸光度和参比通道漂移补偿，并根据测量通道吸光度与参比通道漂移补偿得到补偿吸光度；其中测量通道的零点光谱为初始时刻向测量通道通入氮气得到的光谱，参比通道的零点光谱为在参比通道中密封氮气的初始时刻得到的光谱。

其中测量通道吸光度＝测量通道实时光谱的能量均值/测量通道零点光谱的能量均值。参考通道漂移补偿＝参考通道实时光谱的能量均值/参考通道零点光谱的能量均值。

步骤S101中，补偿吸光度-浓度曲线的获取，其具体过程为：存储测量实时补偿吸光度及对应的被测气体浓度，得到的数据如表1所示：

表1 5点补偿吸光度与浓度数据

结合光谱数据进行拟合，最终得到补偿吸光度-浓度曲线。

S102：分时数据采样，分别获取测量通道的零点光谱和实时光谱以及参比通道的零点光谱和实时光谱，通过计算得到被测气体的实时补偿吸光度；

具体过程为：根据测量通道的实时光谱和零点光谱，得到测量通道吸光度；根据参比通道的实时光谱和零点光谱，得到参比通道的漂移补偿；

实时补偿吸光度＝测量通道吸光度/参比通道漂移补偿；

S103：将计算得到的实时补偿吸光度带入步骤S102中得到的补偿吸光度- 浓度曲线得到被测气体的浓度。

为了使气体分析仪既能对检测上限高(脱硫前)的气体进行浓度测量，又可以对检测下限低(脱硫后)的气体进行浓度测量，既可以监测沼气池的运行状态，又可以监测脱硫效率；对气体分析仪进行双量程标定，即在步骤101中，先通过向测量通道多次通入已知浓度的低浓度被测气体进行数据标定，得到低浓度被测气体补偿吸光度与浓度之间的曲线关系。然后通过向测量通道多次通入已知浓度的高浓度被测气体进行数据标定，得到高量程被测气体补偿吸光度与浓度之间的曲线关系。根据被测H2S的补偿下降率数据所处的范围选择采用哪个标定曲线计算被测气体的浓度。

在进行通道切换时，为保证电机精度和延长光源1的使用寿命，光源1暂停工作。

为了提高气体浓度测量的实时性，并且延长切光片及电机的使用寿命，在分时数据采样过程中通常将读取测量通道41的光信号的时间设置得比读取参比通道5的光信号的时间设置得更长，由于在一定时间内，可以认为外部环境和参比通道5的内部参数不变，从参比通道5中测量得到的光谱信号是不变的，待参比通道5中输出的光谱信号稳定后，可对读取的参比通道5的光谱信号进行存储，并使光谱仪10连续实时读取测量通道41的光谱信号，直接根据实时读取的测量通道41的光谱数据以及存储的参比通道的光谱信号进行计算，得到实时的气体浓度，直到有必要再次获取参比通道的光信号为止。

本申请的主要优点在于：

将紫外参比法与隔半气室相结合，具体为：在测量通道41中通入被测气体，在参比通道5中通入对紫外光源1无吸收的氮气，根据测量通道41光谱信号与参比通道5光谱信号的值得到被测气体浓度，消除了长期漂移对被测气体浓度测量的影响，稳定性好、测量精度高、无需经常校准维护。

通过电机控制切光片旋转频率，使光谱仪接收测量通道输出的光信号的时间m大于光谱仪接收所述参比通道输出的光信号的时间n，根据测量通道输出的光信号以及存储的参比通道的光信号得到被测气体的浓度，提高了被测气体浓度测量的实时性，延长切光片和电机的使用寿命；电机带动切光片在测量通道及参比通道之间切换时，光源暂停工作，能够延长光源的使用寿命；隔半气室为铝合金材质，气室内壁氧化处理，增强了气体分析仪的防腐性能，延长了紫外气体分析仪的使用寿命，同时黑色氧化处理可以防止由于紫外光在气室内壁发生漫反射而导致杂散光，提高了气体浓度测量精度。

在光源1进入隔半气室之前，使用第一Y型光纤7和第一平凸透镜3将光源1传导至隔半气室的测量通道41和参比通道5，能够确保进入测量通道41和参比通道5的初始光源1一致性高。

采用紫外氙灯闪烁光源1结合光学透镜,将氙灯的点光源1变成平行光进入隔半气室,能够确保氙灯光源1同时照射被测气体和参考气体。

由于紫外氙灯光源1体积大，相比于将切光片9设置在光源1与隔半气室之间，本申请通过将切光片9设置在隔半气室与光谱仪10之间能够使分析仪的结构更加紧凑。

采用双量程标定：同时对脱硫前和脱硫后的沼气中的H₂S浓度进行检测，用高量程测量脱硫前的H₂S浓度，用低量程测量脱硫后的H₂S浓度，既可以监测沼气池的运行状态，又可以监测脱硫效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种紫外气体分析仪，其特征在于：具体包括：光源、隔半气室、切光片、微处理器和光谱仪；

所述光源为紫外光源，用于产生紫外光；

所述隔半气室包括大小和形状均相同的测量通道和参比通道；

所述光源产生的紫外光经由第一Y型光纤传输至隔半气室，在第一Y型光纤和隔半气室之间设置了第一平凸透镜；所述第一Y型光纤用于保证进入所述测量通道和所述参比通道的初始光源能量一致；

所述测量通道和所述参比通道的出射光经由第二平凸透镜汇聚后，由第二光纤传导至所述光谱仪；

通过电机带动切光片旋转使光谱仪能分时接收到测量通道和所述参比通道输出的光信号；

所述微处理器与所述光谱仪以及所述光源电连接，用于计算被测气体的浓度。

2.如权利要求1所述的一种紫外气体分析仪，其特征在于：所述参比通道密封氮气；所述测量通道通入被测气体。

3.如权利要求1所述的一种紫外气体分析仪，其特征在于：所述切光片设置于隔半气室与第二光纤之间，切光片与电机的电机轴相连；所述微处理器与所述电机电连接，用于控制电机的旋转频率。

4.如权利要求1所述的一种紫外气体分析仪，其特征在于：所述隔半气室还包括中心隔板，所述中心隔板横穿于所述隔半气室；所述测量通道和参比通道相对于所述中心隔板呈左右对称设置或者上下对称设置。

5.如权利要求1所述的一种紫外气体分析仪，其特征在于：隔半气室为铝合金材质，气室内壁黑色氧化处理。

6.如权利要求1所述的一种紫外气体分析仪，其特征在于：通过电机控制切光片旋转频率，使光谱仪接收测量通道输出的光信号的时间m大于光谱仪接收所述参比通道输出的光信号的时间n，根据测量通道输出的光信号以及存储的参比通道的光信号得到被测气体的浓度。

7.如权利要求1所述的一种紫外气体分析仪，其特征在于：电机带动切光片在测量通道及参比通道之间切换时，光源暂停工作。

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