CN205317662U - 一种紫外光谱烟气分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种紫外光谱烟气分析仪，属于烟气检测技术领域，提供了一种在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度，从而可以避免因为光源温漂或衰减、粉尘干扰、其他气体干扰等因素引起的测量值波动和漂移的紫外光谱烟气分析仪，所采用的技术方案为包括用于存放气体的密闭气室和用于向气室内发射平行光的光源，密闭气室的一端设置有用于接收平行光的光纤传感器，光纤传感器与光谱仪相连接，密闭气室上设置有温度传感器和氧气传感器，密闭气室还设置有空气进气管和样气进气管，温度传感器、氧气传感器、光谱仪和光源均与主控单元相连接；本实用新型广泛用于烟气的检测。

Description

一种紫外光谱烟气分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种紫外光谱烟气分析仪，属于烟气检测技术领域。

背景技术

目前，市面上现存的气体分析仪主要利用紫外荧光法和可调谐激光器法,紫外荧光法可以用来测量二氧化硫，其原理是190~230nm附近的紫外光照射到被测气体时,二氧化硫分子吸收紫外光的能量，分子受到激发从高能级返回基态时发出荧光。大气中的N2，O2基本不引起“荧光淬灭效应”，激发态的SO2主要通过荧光过程返回基态，利用光电倍增管接收发的荧光，紫外荧光发对SO2的监测灵敏度很高，荧光光强大小即可反映出二氧化硫的浓度。该方法可以监测到ppb数量级的低浓度SO2，同时动态范围和线性度很好，因此多用于空气环境质量监测。将其应用在烟气监测时，需要配备稀释法采样器，系统非常复杂。可调谐激光器（TunableLaser），是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。由于激光波段覆盖范围广，强度大，谱线窄，可以用于多种气体的检测。一般有两种工作方式：一种是利用被测气体的后向散射，得到污染气体在空间上的分布，基于差分吸收雷达技术。另一种是利用反射器获得光程方向上的平均浓度，透射光与发射光符合朗伯比尔定律。该方法的优势是几乎可以测量所有气体，响应快精度高。缺点是中红外区的可调谐激光器的成本太高，不同气体检测需配备不同光源，且近红外区的激光器产生的吸收谱线强度较低，不利于测量。

实用新型内容

为解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度，从而可以避免因为光源温漂或衰减、粉尘干扰、其他气体干扰等因素引起的测量值波动和漂移的紫外光谱烟气分析仪。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为一种紫外光谱烟气分析仪，包括用于存放气体的密闭气室和用于向气室内发射平行光的光源，所述密闭气室的一端设置有用于接收平行光的光纤传感器，所述光纤传感器与光谱仪相连接，所述密闭气室上设置有温度传感器和氧气传感器，密闭气室还设置有空气进气管和样气进气管，所述温度传感器、氧气传感器、光谱仪和光源均与主控单元相连接。

优选的，所述密闭气室主要由筒体、发散透镜和聚光透镜构成，所述筒体的两端分别设置有发散透镜和聚光透镜，光源设置在发散透镜的外部，聚光透镜的外部设置有端盖，所述光纤传感器安装在端盖上，所述筒体上设置有进气管和出气管，所述进气管上设置有电磁控制阀，所述空气进气管和样气进气管分别与电磁控制阀相连接，所述空气进气管上设置有采样泵，所述出气管上设置有氧气传感器。

优选的，所述主控单元上设置有人机界面和接口板，所述温度传感器、氧气传感器和光源均与接口板相连接。

优选的，所述光源为氘灯光源。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：本实用新型利用了紫外DOAS差分吸收光谱技术，就是在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度，从而可以避免因为光源温漂或衰减、粉尘干扰、其他气体干扰等因素引起的测量值波动和漂移。同时可测量多种气体的浓度；消除了烟尘、水分、光源变化等影响因素，保证了测量的准确性和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种紫外光谱烟气分析仪，包括用于存放气体的密闭气室1和用于向气室内发射平行光的光源2，密闭气室1的一端设置有用于接收平行光的光纤传感器3，光纤传感器3与光谱仪4相连接，密闭气室1上设置有温度传感器5和氧气传感器6，密闭气室1还设置有空气进气管7和样气进气管8，温度传感器5、氧气传感器6、光谱仪4和光源2均与主控单元9相连接。

其中，密闭气室1主要由筒体10、发散透镜11和聚光透镜12构成，筒体10的两端分别设置有发散透镜11和聚光透镜12，光源2设置在发散透镜11的外部，聚光透镜12的外部设置有端盖13，端盖13固定在筒体上且进行密封，光纤传感器3安装在端盖13上，筒体10上设置有进气管14和出气管15，进气管15上设置有电磁控制阀16，空气进气管7和样气进气管8分别与电磁控制阀16相连接，空气进气管7上设置有采样泵17，出气管15上设置有氧气传感器6。主控单元9上设置有人机界面18和接口板19，温度传感器5、氧气传感器6和光源2均与接口板19相连接。

本实用新型中气体采样单元主要负责采集样气和空气，然后输送至气室供其他部分测量分析，气体采样单元主要由采样泵、电磁阀、相关管路组成，采样泵负责采集外部空气，电磁阀负责切换空气与样气的输入，它们的工作状态由主控单元协调决定，采样泵的选取小体积、超低噪声、宽温度范围、寿命长、稳定性好的气体采样泵，将采样泵对气体浓度反演带来的误差降到了极致。同样电磁阀也采用优质产品，有效的降低了电磁干扰。

光源部分通过发射紫外光至气室，为气体的吸收谱测量提供了先决条件，光源的性能直接决定了分析精度、稳定性以及寿命。本分析仪选用了一款高稳定性、长寿命的氘灯光源，其工作波长能覆盖多种气体吸收谱，光谱平缓，光噪声小，紫外部分的能量较高，非常符合分析多种气体的在紫外波段的吸收特性，同时大大提高了分析仪测量精度和稳定性。

光谱测量部分由气室、光谱仪、光纤传感器、透镜等组成，它用于测量、处理光谱数据，同时实现与主控单元的通信，分析仪中的气室为自主研发的部件，其光泽、对污染物吸附小，存储气体效果好；光谱仪主要是采集光谱信号转换为电信号，并且负责将光信息实时传送至处理单元，光信号转化电信号的质量直接影响气体的测量精度，结合本分析仪的气体吸收结构特点，本实用新型选择了高分辨率、高精度、高信噪比的光谱仪，同时其体积小，为其他部件的安装带来了便捷。光纤传感器负责光信号的传导，为满足使用环境的恶劣，信号的损失小，选用采用外部特殊处理过的石英光纤，在箱体内采用专门设计的支架固定，减少其运动对信号或者光纤本身带来的损失。透镜分为聚光透镜和发散透镜，发散透镜将光源发出的散射光转换为平行光，然后进入气室，聚光透镜将气室的平行光转换为聚焦光后传递给光纤。透镜选择K9水晶透镜，其透光度好，不会对光传递造成大的影响。

主控单元是分析仪的核心单元，其起着数让分析仪内所有部件有序工作的核心单元，其大致分为数据采集、数据处理、通信、内部控制部分，数据采集包括采集光谱仪的光谱电信号、采集温度信号、采集氧传感器电信号；数据处理是处理光谱仪采集的光谱信号、氧传感器信号、温度信号、数据的补偿，主要是将接受到的光谱信号经过特定软件处理方式反演出气体浓度；通信分为外部通信和内部通信，对内负责实时更新显示屏中的数据和状态，对外将处理后的信息实时传递出；内部控制部分包括控制电磁阀的通断、采样泵的开关、按键的状态识别等。

测量原理:

本实用新型中测量气体浓度的方法为紫外差分光谱吸收法（DOSA技术），它是在一种对被测气体浓度进行比较准确定量分析的光谱分析方法，它利用被测气体在所选波段具有明显的差分吸收结构，从而准确辨别不同气体和监测被测气体浓度。

DOSA技术的基本原理是利用待测气体的窄带吸收特性来鉴别分子，并且根据窄带吸收强度反演气体的浓度。将气体的吸收截面看成是两部分的叠加，其一时随波长缓慢变化的部分，构成光谱的宽带结构，其二是随波长快速变化部分，构成光谱的窄带结构，如下式：σi(λ)=Pi(λ)+Ri(λ)。

其中σi(λ)气体的吸收截面，Pi(λ)为吸收截面随波长缓慢变化部分，Ri(λ)为吸收截面随波长急剧变换部分，DOAS的原理就是在吸收光谱中去除光强随波长缓慢变化部分，只留下随波长快速变化的部分，然后利用快速变化部分去反演气体浓度。

吸收截面的计算原理则为Beer-Lambert定律：该定律公式如下：Ii(λ)=I0(λ)exp{-L*σi(λ)*X}。

其中I0(λ)表示波长在λ出的入射光强，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强，σi(λ)即为第i种气体吸收截面。

I0(λ)可以由实验室测试得到，Ii(λ)可以由光谱仪测试得到，光程L为固定值，由上述两个公式可以看出，只要能去除了吸收截面的慢变部分Pi(λ)，利用快变部分Ri(λ)的值与气体的浓度的关系反演出气体浓度值，Ri(λ)。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。

Claims (4)

1.一种紫外光谱烟气分析仪，其特征在于：包括用于存放气体的密闭气室和用于向气室内发射平行光的光源，所述密闭气室的一端设置有用于接收平行光的光纤传感器，所述光纤传感器与光谱仪相连接，所述密闭气室上设置有温度传感器和氧气传感器，密闭气室还设置有空气进气管和样气进气管，所述温度传感器、氧气传感器、光谱仪和光源均与主控单元相连接。

2.根据权利要求1所述的一种紫外光谱烟气分析仪，其特征在于：所述密闭气室主要由筒体、发散透镜和聚光透镜构成，所述筒体的两端分别设置有发散透镜和聚光透镜，光源设置在发散透镜的外部，聚光透镜的外部设置有端盖，所述光纤传感器安装在端盖上，所述筒体上设置有进气管和出气管，所述进气管上设置有电磁控制阀，所述空气进气管和样气进气管分别与电磁控制阀相连接，所述空气进气管上设置有采样泵，所述出气管上设置有氧气传感器。

3.根据权利要求1所述的一种紫外光谱烟气分析仪，其特征在于：所述主控单元上设置有人机界面和接口板，所述温度传感器、氧气传感器和光源均与接口板相连接。

4.根据权利要求1所述的一种紫外光谱烟气分析仪，其特征在于：所述光源为氘灯光源。