CN107044958A - 一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法。涉及一种气体浓度的检测装置及方法。为了解决氧传感器技术测量氧气浓度时，稳定性差、误差大、维护困难、成本高、灵敏度不高的问题。本发明所述的氘灯发出的紫外宽带光经过第一透镜和第一滤光镜片准直为平行光后射入气体池内，经过待测氧气吸收导致平行光的光谱强度减弱形成透射光；透射光经过第二滤光镜片和第二透镜汇聚后射入光栅光谱仪的入射狭缝，光栅光谱仪将汇聚光转换为数据信号后经过光电倍增管放大；计算机对放大的数据信号进行数据处理，得出待测氧气的浓度。有益效果为确定性好，测量误差小、成本低。适用于工业过程中的氧气监测、环境大气监测。

Description

一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量 方法

技术领域

本发明涉及一种气体浓度的检测装置及方法。

背景技术

氧气O₂不仅是大气中的重要组成物质，也是工业生产过程和医疗仪器中的重要气体，对氧气进行浓度监测对环境监测、工业过程控制等方面都有着重要作用。氧气是助燃气体，在工业生产过程当中，实时并准确地在线监控和反馈氧气浓度，并根据要求进行控制是节能减排的重要手段之一。同时，在金属冶炼、无氧焊接等行业中，痕量氧气检监测可以保证工业生产的顺利进行和操作人员的安全。因此，无论是环境监测，还是工业生产过程控制，都对发展高灵敏度、高准确性、实时性强、便携小型化的氧气浓度检测仪器有极大需要。

氧传感器技术被广泛应用于氧气测量，采用氧传感器技术测量O₂浓度仍然存在一些问题，限制了这种技术在工业中的应用。氧传感器主要包括：原电池式，氧气能力充足时输出平稳，但稳定性保持方面仍有待改进；热磁式，使用过程中无损耗、寿命长，但响应速度慢、测量误差大、易发生堵塞、元件腐蚀；氧化锆式，适用于650℃以上高温环境，工作温度高，不适用于低温环境，制备工艺复杂，成本高；荧光淬灭式，荧光强度很弱，易受干扰、精度不高；吸收光谱技术，利用了气体在特定波段的特征吸收强度与浓度之间的固定关系来实现气体浓度的测量，可实现氧气浓度的长时间、实时测量，稳定性好。吸收光谱技术中，气体的吸收满足Beer-Lambert定律，即I(λ)＝I₀(λ)exp(-σ(λ)CL)，式中，I(λ)表示在波长λ处探测到的透射光强，I₀(λ)表示在波长λ处的入射光强，C为O₂的浓度，L为吸收的光程，σ(λ)为O₂的吸收截面；由此公式能够得出，吸收光谱技术的吸光度A为A＝ln(I₀(λ)/I(λ))。目前常采用O₂在760nm附近的吸收进行O₂测量，但O₂在红外波段的吸收信号很小，测量误差大，导致测量结果灵敏度不高，同时，红外吸收的特异性不高，容易受其他干扰气体的影响，并且红外探测的成本会随探测性能的提高而急剧上升。

因此，我们要利用具有大吸收截面、吸收特性明显的吸收波段来实现氧气浓度的精准测量。已知氧气在186nm-196nm真空紫外波段具有较强的吸收，但大多数光谱仪都不具备探测真空紫外波段的能力，所以需要一种新的测量方法既要避开真空紫外波段的探测，又要利用氧气在真空紫外波段的强吸收，从而实现对氧气浓度的精准测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决氧传感器技术测量氧气浓度时，稳定性差、误差大、成本高的问题，同时避开真空紫外波段的探测，提出了一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法。

本发明所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统，该系统包括氘灯、第一透镜、第一滤光镜片、气体池、第二滤光镜片、第二透镜、光栅光谱仪、光电倍增管和数据采集卡；

所述氘灯发出的紫外宽带光，经过第一透镜和第一滤光镜片，射入气体池内，气体池的出射光经过第二滤光镜片和第二透镜，射入光栅光谱仪的入射狭缝；

所述光栅光谱仪的出射狭缝与光电倍增管的光信号接收端相连；

所述光电倍增管的信号输出端与数据采集卡的数据输入端相连；

所述数据采集卡的数据输出端与计算机相连；

所述气体池内充入待测氧气。

一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统的氧气浓度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、撤下第一滤光镜片，氘灯发出的紫外宽带光经过第一透镜准直为平行光；

步骤二、平行光射入气体池内，平行光经过待测氧气吸收导致平行光的光谱强度减弱形成透射光；

步骤三、透射光经过第二滤光镜片，并被第二透镜汇聚后，射入光栅光谱仪的入射狭缝；

步骤四、由光栅光谱仪的出射狭缝射出的出射光，经光电倍增管放大、光电转换后，由数据采集卡采集数据，并将数据采集卡采集的数据上传至计算机，计算机记录第一光谱数据；

步骤五、保持步骤四光路不变，放置第一滤光镜片，计算机记录第二光谱数据；

步骤六、保持步骤五光路不变，撤下第二滤光镜片，计算机记录第三光谱数据；

步骤七、保持步骤六光路不变，撤下第一滤光镜片，计算机记录第四光谱数据；

步骤八、计算机10对第一光谱数据、第二光谱数据、第三光谱数据和第四光谱数据进行数据处理得到二级光透射光谱，对372nm-392nm波段待测氧气的二级光透射光谱吸收的吸光度A进行积分，得到与待测氧气浓度相关的光学参量OP，通过将待测氧气浓度的光学参量OP与系统的氧气浓度定标曲线进行对比，得出待测氧气浓度；

所述A＝ln(I₀(λ)/I(λ))，其中，I(λ)表示在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光谱透射光强；I₀(λ)表示在波长λ处的二级光入射光强，即将气体池内的待测氧气替换为高纯氮气后在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光强。

本发明的有益效果是采用紫外吸收光谱技术，同时选用372nm-392nm波段的待测氧气吸收，该波段的吸收截面大，吸收截面能够达到10^-21量级，极大的提高了吸收信号的信噪比，降低了测量结果的不确定性和测量误差；同时避开了对真空紫外波段的直接测量，降低了对测量光谱范围的要求，将测量波段移至光谱的常用波段，使得大多数分光装置均可胜任；因此，无需重新购置新设备，所需成本低。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统的结构示意图；

图2为具体实施方式三中气体池的结构示意图；

图3为具体实施方式四中光学参量OP与氧气浓度关系曲线；

图4为具体实施方式四中的二级光透射光谱；

图5为具体实施方式五中第二滤光镜片的透射光谱；

图6为具体实施方式五中的总谱与一级光谱，其中，总谱为一级光谱和二级光透射光谱之和；

图7为具体实施方式五中不同气体的二级光透射光谱；其中，A为氮气的二级光透射光谱，B为浓度50％氧气的二级光透射光谱，C为纯氧二级光透射光谱。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统，该系统包括氘灯1、第一透镜2、第一滤光镜片3、气体池4、第一滤光镜片5、第二透镜6、光栅光谱仪7、光电倍增管8和数据采集9；

所述氘灯1发出的紫外宽带光，经过第一透镜2和第一滤光镜片3，射入气体池4内，气体池4的出射光经过第二滤光镜片5和第二透镜6，射入光栅光谱仪7的入射狭缝；第一透镜2用于将紫外宽带光准直为平行光，第二透镜6用于将透射光汇聚，第二滤光镜片5用于滤掉真空紫外光，第一滤光镜片3用于测量第二滤光镜片5的光透射率；光栅光谱仪7用于接收光信号和分光；光电倍增管8用于光电转换及信号放大；数据采集卡用于信号采集和上传信号至计算机10。

所述光栅光谱仪7的出射狭缝与光电倍增管8的光信号接收端相连；

所述光电倍增管8的信号输出端与数据采集卡9的数据输入端相连；

所述数据采集卡9的数据输出端与计算机10相连；

所述气体池4内充入待测氧气。

在本实施方式中，采用氘灯1作为光源，氘灯1发出的紫外宽带光经过第一透镜2准直为平行光，经过准直的平行光通过第一滤光镜片3射入气体池4内，气体池4用于承载待测氧气，由气体池射出的透射光经过第二滤光镜片5和第二透镜6汇聚，转换为汇聚光，射入光栅光谱仪7的入射狭缝中，由光栅光谱仪7的出射狭缝射出的出射光，所述光栅光谱仪可对350nm-400nm波段的光谱进行探测；经光电倍增管8进行信号放大和光电转换，由数据采集卡9进行数据采集，然后将数据信号上传至计算机10，最后由计算机10对数据信号进行处理，得到待测氧气的浓度。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统进一步限定，在本实施方式中，所述第一透镜2和第二透镜6均为石英凸透镜，石英凸透镜的紫外透射率较高，并且第一透镜2能有效的将紫外宽带光转换为平行光，第二透镜6能有效的将透射光转换为汇聚光；

所述第一滤光镜片3和第二滤光镜片5的起始透过波长大于220nm，第一滤光镜片3和第二滤光镜片5均起到滤波的作用；

在本实施方式中，第一滤光镜片3和第二滤光镜片5采用普通玻璃片即可实现。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统进一步限定，在本实施方式中，所述气体池4设置有入射窗口、出射窗口、入气口和出气口；

气体池4为圆柱型气体池，入射窗口和出射窗口分别位于圆柱型气体池的两个端面上，入气口和出气口分别位于圆柱型气体池的两端侧壁上；圆柱型气体池能够加快气体的交换速度；入气口和出气口分别位于圆柱型气体池的两端侧壁上能够减少气体池内的死角，使气体池内气体交换的效果更好，同时为了达到更好的空气交换效果入气口和出气口为反向开口；

所述入射窗口和出射窗口上均为石英窗口，石英窗口具有更好的紫外透射率。

具体实施方式四：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式一所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统的氧气浓度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、撤下第一滤光镜片3，氘灯1发出的紫外宽带光经过第一透镜2准直为平行光；

步骤二、平行光射入气体池4内，平行光经过待测氧气吸收导致平行光的光谱强度减弱形成透射光；

步骤三、透射光经过第二滤光镜片5，并被第二透镜6汇聚后，射入光栅光谱仪7的入射狭缝；

步骤四、由光栅光谱仪7的出射狭缝射出的出射光，经光电倍增管8放大、光电转换后，由数据采集卡9采集数据，并将数据上传至计算机10，计算机10记录第一光谱数据；

步骤五、保持步骤四光路不变，放置第一滤光镜片3，计算机10记录第二光谱数据；

步骤六、保持步骤五光路不变，撤下第二滤光镜片5，计算机10记录第三光谱数据；

步骤七、保持步骤六光路不变，撤下第一滤光镜片3，计算机10记录第四光谱数据；

步骤八、计算机10对第一光谱数据、第二光谱数据、第三光谱数据和第四光谱数据进行数据处理得到二级光透射光谱，对372nm-392nm波段待测氧气的二级光透射光谱吸收的吸光度A进行积分，得到与待测氧气浓度相关的光学参量OP，通过将待测氧气浓度的光学参量OP与系统的氧气浓度定标曲线进行对比，得出待测氧气浓度；

所述A＝ln(I₀(λ)/I(λ))，其中，I(λ)表示在波长λ处探测到的二级光透射光谱透射光强；I₀(λ)表示在波长λ处的二级光入射光强，即将气体池4内的待测氧气替换为高纯氮气后在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光强。

在本实施方式，依据Beer-Lambert定律，对入射光谱与透射光谱的比值取对数，并对得到的二级吸收光谱在372nm-392nm波段的吸光度A进行积分，得到待测氧气浓度相关的光学参量OP，随着待测氧气浓度的增加，待测氧气吸收平行光的强度不断增强，光学参量OP变大，光学参量OP与浓度存在单调的函数关系，如图3所示。因此，当某一浓度下的光学参量确定时，通过此单调关系，即可得出对应的浓度，实现了测量氧气浓度的目的；通过将待测氧气浓度的光学参量OP与系统的氧气浓度定标曲线进行对比，得到待测氧气的浓度；

所述Beer-Lambert定律为：I(λ)＝I₀(λ)exp(-σ(λ)CL)；式中，I(λ)表示在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光谱透射光强；I₀(λ)表示在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光谱入射光强，即气体池4内充入高纯氮气后的二级光透射光谱透射光强；C为O₂的浓度；L为吸收的光程；σ(λ)为O₂的吸收截面，由此公式能够得出，二级吸收光谱技术的吸光度A为A＝ln(I₀(λ)/I(λ))。

具体实施方式五：结合图5至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统的氧气浓度测量方法进一步限定，在本实施方式中，所述步骤八中得到二级光透射光谱的过程为：第二光谱数据除以第三光谱数据得到第二滤光镜5的透射率，将第一光谱数据除以第二滤光镜5的透射率得到一级光谱，再将第四光谱数据减去一级光谱得到二级光透射光谱。

在本实施方式中，在气体池4内分别充入氮气、浓度50％的氧气和纯氧气时，得到的二级光透射光谱分别如图7所示的A、B和C。

Claims (5)

1.一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统，其特征在于，该系统包括氘灯(1)、第一透镜(2)、第一滤光镜片(3)、气体池(4)、第二滤光镜片(5)、第二透镜(6)、光栅光谱仪(7)、光电倍增管(8)和数据采集卡(9)；

所述氘灯(1)发出的紫外宽带光，经过第一透镜(2)和第一滤光镜片(3)，射入气体池(4)内，气体池(4)的出射光经过第二滤光镜片(5)和第二透镜(6)，射入光栅光谱仪(7)的入射狭缝；

所述光栅光谱仪(7)的出射狭缝与光电倍增管(8)的光信号接收端相连；

所述光电倍增管(8)的信号输出端与数据采集卡(9)的数据输入端相连；

所述数据采集卡(9)的数据输出端与计算机(10)相连；

所述气体池(4)内充入待测氧气。

2.根据权利要求1所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统，其特征在于，所述第一透镜(2)和第二透镜(6)均为石英凸透镜；

所述第一滤光镜片(3)和第二滤光镜片(5)的起始透过波长大于220nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统，其特征在于，所述气体池(4)设置有入射窗口、出射窗口、入气口和出气口；

气体池(4)为圆柱型气体池，入射窗口和出射窗口分别位于圆柱型气体池的两个端面上，入气口和出气口分别位于圆柱型气体池的两端侧壁上；

所述入射窗口和出射窗口上均为石英窗口。

4.基于权利要求1所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统的氧气浓度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、撤下第一滤光镜片(3)，氘灯(1)发出的紫外宽带光经过第一透镜(2)准直为平行光；

步骤二、平行光射入气体池(4)内，平行光经过待测氧气吸收导致平行光的光谱强度减弱形成透射光；

步骤三、透射光经过第二滤光镜片(5)，并被第二透镜(6)汇聚后，射入光栅光谱仪(7)的入射狭缝；

步骤四、由光栅光谱仪(7)的出射狭缝射出的出射光，经光电倍增管(8)放大、光电转换后，由数据采集卡(9)采集数据，并将数据采集卡(9)采集的数据上传至计算机(10)，计算机(10)记录第一光谱数据；

步骤五、保持步骤四光路不变，放置第一滤光镜片(3)，计算机(10)记录第二光谱数据；

步骤六、保持步骤五光路不变，撤下第二滤光镜片(5)，计算机(10)记录第三光谱数据；

步骤七、保持步骤六光路不变，撤下第一滤光镜片(3)，计算机(10)记录第四光谱数据；

步骤八、计算机(10)对第一光谱数据、第二光谱数据、第三光谱数据和第四光谱数据进行数据处理得到二级光透射光谱，对372nm-392nm波段待测氧气的二级光透射光谱吸收的吸光度A进行积分，得到与待测氧气浓度相关的光学参量OP，通过将待测氧气浓度的光学参量OP与系统的氧气浓度定标曲线进行对比，得出待测氧气浓度；

所述A＝ln(I₀(λ)/I(λ))，其中，I(λ)表示在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光强；I₀(λ)表示在波长λ处的二级光入射光强，即将气体池(4)内的待测氧气替换为高纯氮气后在步骤八得到的二级光透射光谱中波长λ处对应的二级光透射光强。

5.根据权利要求4所述的一种基于紫外宽带二级吸收光谱的氧气浓度测量系统的氧气浓度测量方法，其特征在于，所述步骤八中得到二级光谱的过程为：第二光谱数据除以第三光谱数据得到第二滤光镜(5)的透射率，将第一光谱数据除以第二滤光镜(5)的透射率得到一级光谱，再将第四光谱数据减去一级光谱得到二级光谱。