一种臭氧发生及监测模拟系统的制作方法
【专利摘要】一种臭氧发生及监测模拟系统，包括支撑结构以及设置在支撑结构上的与气源连通的配气子系统、用于产生臭氧的高压放电装置、控制臭氧温度的温控子系统、用于对臭氧浓度进行监测的在线监测子系统以及电源模块，所述配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统之间依次通过密闭管路连接；所述电源模块分别通过导线与配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接。本发明结构简单、操作方便，适用于实验室中进行臭氧浓度的产生和实时在线监测。
【专利说明】一种臭氧发生及监测模拟系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境在线监测【技术领域】，特别是一种能够产生臭氧并对所产生的臭氧 浓度进行在线监测的装置。
【背景技术】
[0002] 臭氧是氧气的同素异形体，是一种具有特殊臭味的淡蓝色气体，在常温常压下稳 定性较差，在常温下可分解为氧气。臭氧的功能很多，可用于净化食物、饮用水、空气，除臭， 消毒灭菌，果蔬保鲜以及洗浴美容保健等；具体应用在医学领域中，可广泛应用于妇科治疗 方面；应用在农业方面，可用于防治病虫害、清除食物上残留的农药等；应用在工业领域， 可用于漂白面粉、纸浆、处理工业废物等；应用在电力系统领域，则可对高压开关柜等封闭 箱体中的局部放电现象进行在线监测、以及时反映封闭箱体中各设备的绝缘状态，防止由 于局部放电造成的设备绝缘劣化进一步导致电气设备故障现象的发生。
[0003] 臭氧的制备多是借助无声放电作用从氧气或空气制备，臭氧发生器即是根据这一 原理制造。臭氧在应用过程中，由于臭氧具有强烈的刺激性，吸入过量对人体健康有一定危 害，因此需要对制造臭氧的浓度进行实时监测，体现在电力系统领域，则需要根据检测封闭 箱体中臭氧的浓度来反应各设备的绝缘状态。
[0004] 臭氧浓度的监测方法有化学法、物理法以及物理化学方法；其中化学法分为碘量 法、比色法等；物理方法有紫外光吸收法等；物理化学方法有化学发光法以及IDS分光光 度法等。化学法和物理化学法测量过程繁杂，应用受到限制，而物理方法中的紫外光吸收法 是以Beer-Lambert定律为基础，利用臭氧在波长为253. 7 nm处具有最大的吸收值来对 其浓度进行的监测，主要优点是可以进行非接触式监测，避免因为化学反应而降低监测的 准确度，并且由于紫外光吸收法测量周期短，非常适用于实时在线监测。
[0005] 尽管目前臭氧的制备技术以及臭氧浓度的监测技术都较为成熟，然而臭氧制备设 备以及臭氧浓度监测设备则多为独立设置的设备，结构较为复杂、空间占用体积较大、操作 也较为不便，使用时需要根据使用及监测环境进行现场组装，影响臭氧浓度监测的准确性。 另外，在实验室中，目前还没有一种能够同时进行臭氧产生和模拟不同温度下臭氧浓度监 测的设备。
【发明内容】
[0006] 本发明需要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便，适用于实验室的臭 氧发生及监测模拟系统，用于实现对臭氧浓度的准确产生和实时在线监测。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
[0008] -种臭氧发生及监测模拟系统，包括支撑结构以及设置在支撑结构上的与气源连 通的配气子系统、用于产生臭氧的高压放电装置、控制臭氧温度的温控子系统、用于对臭氧 浓度进行监测的在线监测子系统以及电源模块；所述配气子系统、高压放电装置、温控子系 统以及在线监测子系统之间依次通过密闭管路连接；所述电源模块分别通过导线与配气子 系统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接。
[0009] 上述臭氧发生及监测模拟系统，所述配气子系统包括安装在支撑结构上的气泵以 及用于控制气体流量的流量计；所述气泵通过进气嘴连通气源，流量计设置在气泵的输出 管路上；所述电源模块的输出端分别与气泵和流量计的电源端连接。
[0010] 上述臭氧发生及监测模拟系统，所述高压放电装置包括安装在支撑结构上的高压 放电室以及风扇，所述风扇通过支撑架架设在高压放电室的上方；所述高压放电室的进气 口通过封闭管路与配气子系统的输出管路连通。
[0011] 上述臭氧发生及监测模拟系统，所述温控子系统包括水浴锅以及设置在水浴锅中 心的封闭的水浴瓶，所述水浴锅内靠近侧壁的位置设置有通过密闭管路与高压放电室出气 口连通的水浴进气管，水浴进气管在水浴锅内自水浴瓶底端向上环水浴瓶环绕设置，水浴 进气管的底端伸入水浴瓶的底部；水浴瓶的端盖上设置有水浴出气管。
[0012] 上述臭氧发生及监测模拟系统，所述在线监测子系统包括吸收池、数据采集器、光 谱仪以及计算机，所述吸收池入气口通过封闭管路与温控子系统的水浴出气管连通，吸收 池出气口连通大气；吸收池位于入气口的前端设置有光源，数据采集器设置在吸收池设置 出气口的末端；所述吸收池的前端以及吸收池的末端分别设置一与光源射向吸收池的光线 相垂直的透镜，所述透镜与吸收池密封连接，吸收池入气口和吸收池出气口均位于前端透 镜与末端透镜之间；所述数据采集器通过RS232连接光谱仪配套使用，光谱仪通过RS232再 与计算机连接。
[0013] 本发明中使用的光谱仪为三光栅单色仪。
[0014] 由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下： 本发明通过气泵提供气源，通过流量计控制气体流量，气体进入高压放电室后被电击 产生臭氧，臭氧随后进入水浴锅，通过控制温度产生特定浓度的臭氧气体，后送入吸收池， 通过光源和数据采集器相配合测定空气中臭氧的浓度，最后通过计算机进行分析和显示； 具有结构简单、操作方便、测量精度高、测量速度快的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的测量原理框图； 图2为本发明的结构示意图； 图3为本发明所述温控子系统的结构示意图； 图4为臭氧吸收截面变化曲线与标准谱线图。
[0016] 图中各标号表不为：1、配气子系统，11、气泵，12、流量计，13、输出管路，2、高压放 电装置，21、高压放电室，22、风扇，23、支撑架，3、温控子系统，31、水浴锅，32、水浴瓶，33、水 浴进气管，34、水浴出气管，4、在线监测子系统，41、吸收池，42、数据采集器，43、计算机，44、 光源，45、透镜，46、吸收池入气口，47、吸收池出气口，48、光谱仪，5、电源模块，6、支撑结构。
【具体实施方式】
[0017] 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0018] 本发明应用在实验室中，用于产生臭氧并模拟不同温度下臭氧浓度的监测。臭氧 发生及监测模拟系统包括支撑结构以及设置在支撑结构上的配气子系统1、高压放电装置 2、温控子系统3、在线监测子系统4以及电源模块5,所述配气子系统与气源连通，用于向高 压放电装置输送定量气体，气体可为大气或者氧气等；高压放电装置用于产生臭氧；温控 子系统用于控制臭氧的温度；在线监测子系统用于对臭氧的浓度进行实时监测，电源模块 用于为系统中的各用电设备供电，本发明中的配气子系统1、高压放电装置2、温控子系统 3以及在线监测子系统4之间依次通过密闭管路连接；电源模块分别通过导线与配气子系 统、高压放电装置、温控子系统以及在线监测子系统中各用电设备连接。本发明各设备间的 连接关系如图1和图2所不。
[0019] 本发明配气子系统1包括安装在支撑结构上的气泵11以及用于控制气体流量的 流量计12,其中气泵通过进气嘴连通气源，流量计设置在气泵的输出管路13上。本发明电 源模块的输出端分别与气泵11和流量计12的电源端连接，为气泵和流量计提供工作电源。 本实施例中气泵采用德国CCI公司生产的型号为BY-208A的采样泵。
[0020] 本发明高压放电装置2包括安装在支撑结构6上的高压放电室21以及风扇22,风 扇22通过支撑架23架设在高压放电室21的上方；高压放电室21的进气口通过封闭管路 与配气子系统1的输出管路13连通。
[0021] 本发明温控子系统3的结构如图3所示，包括水浴锅31以及设置在水浴锅31中 心的封闭的水浴瓶32,水浴锅内靠近侧壁的位置设置有通过密闭管路与高压放电室出气口 连通的水浴进气管33,水浴进气管33在水浴锅内自水浴瓶底端向上环水浴瓶环绕设置，水 浴进气管的底端伸入水浴瓶的底部；水浴瓶的端盖上设置有水浴出气管34。水浴瓶的设置 作用有二，其一会对产生的臭氧起到储存作用，以保证进入在线监测子系统的臭氧量充足， 使该温度下的臭氧量足以充入吸收池内进行后续实验和数据采集，使检测结果稳定；其二 是能够在很短时间内迅速将臭氧加热到预设温度值。
[0022] 本发明在线监测子系统4包括吸收池41、数据采集器42、光谱仪48、计算机43、光 源44以及透镜45,吸收池入气口 46通过封闭管路与温控子系统的水浴出气管34连通，吸 收池出气口 47连通大气；光源44设置在吸收池41位于入气口的前端，数据采集器42和光 谱仪48设置在吸收池41设置出气口的末端；计算机独立设置，并通过数据线连接数据采集 器的输出端，数据采集器的输入端连接光谱仪的输出端；计算机还与光谱仪连接，用于根据 设置的波段调整光谱仪的出射波长。透镜共设置两块，分别设置在吸收池41的前端以及吸 收池的末端，透镜与光源射向吸收池的光线相垂直，透镜与吸收池内壁之间密封连接，吸收 池入气口和吸收池出气口均位于前端透镜与末端透镜之间。
[0023] 本实施例中的数据采集器采用北京赛凡光电仪器有限公司生产的型号为7IDA1 的数据采集器，三光栅单色仪的型号为71SWS501。光源采用波段在200nnT300nm之间的高 压氣气灯。
[0024] 本发明的工作过程如下所述： 打开电源模块，系统开始工作，设定水浴锅的温度值；带温度稳定后，打开气泵，气体从 室内进入气泵加压后输送至高压放电室。在气体进入高压放电室之前的气泵输出管路上设 置的流量计可以对进入高压放电室的流量进行精确控制。
[0025] 气体在高压放电室内被电击产生臭氧，臭氧通过密闭管路送入水浴锅的水浴进气 管，在水浴锅内进行臭氧的温度控制。臭氧在预先设定的水浴锅内的温度环境下发生特定 比例的裂解，产生特定浓度的臭氧，之后进入在线监测子系统等待被监测。
[0026] 特定浓度的臭氧自吸收池入气口进入吸收池之后通过吸收池出气口排入大气。特 定浓度的臭氧在吸收池经过时，高压氙气灯发出的光经透镜聚焦向吸收池发射，臭氧在波 长为253. 7 nm光线照射下会被吸收；经过吸收池的光再经透镜聚焦，此时位于吸收池后端 的三光栅单色仪即可采集到臭氧被吸收后的光谱。当一束复合光线进入三光栅单色仪的 入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)，利 用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝，此时，计算机能够根据事 先设置的波段精确地控制三光栅单色仪的出射波长，然后再由数据采集器进行数据采集。 数据采集器将光谱信息转换成计算机可以接收的信号后输入到计算机，计算机根据采集的 实际数据依靠Matlab软件绘图，并基于此编写相应的Matlab程序，根据差分吸收光谱法 (D0AS)对数据进行多项式拟合，得到臭氧吸收截面与吸光度变化曲线，将臭氧吸收截面变 化曲线与标准谱线图(如图4所示)进行比较，确定该实验系统可行，并结合吸光度曲线进行 计算即可得出特定温度下的臭氧浓度值。
[0027] 差分吸收光谱法基于Beer-Lambert气体吸收定律，其表达式如下：
【权利要求】
1. 一种臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：包括支撑结构以及设置在支撑结构上 的与气源连通的配气子系统（1)、用于产生臭氧的高压放电装置（2)、控制臭氧温度的温控 子系统（3)、用于对臭氧浓度进行监测的在线监测子系统（4)以及电源模块（5);所述配气 子系统（1)、高压放电装置（2)、温控子系统（3)以及在线监测子系统（4)之间依次通过密闭 管路连接；所述电源模块分别通过导线与配气子系统、高压放电装置、温控子系统以及在线 监测子系统中各用电设备连接。
2. 根据权利要求1所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述配气子系统（1) 包括安装在支撑结构上的气泵（11)以及用于控制气体流量的流量计（12);所述气泵通过进 气嘴连通气源，流量计设置在气泵的输出管路（13)上；所述电源模块的输出端分别与气泵 (11)和流量计（12)的电源端连接。
3. 根据权利要求2所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述高压放电装置 (2)包括安装在支撑结构上的高压放电室（21)以及风扇（22)，所述风扇（22)通过支撑架 (23)架设在高压放电室（21)的上方；所述高压放电室（21)的进气口通过封闭管路与配气 子系统（1)的输出管路（13)连通。
4. 根据权利要求3所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述温控子系统（3) 包括水浴锅（31)以及设置在水浴锅（31)中心的封闭的水浴瓶（32)，所述水浴锅内靠近侧 壁的位置设置有通过密闭管路与高压放电室出气口连通的水浴进气管（33)，水浴进气管 (33)在水浴锅内自水浴瓶底端向上环水浴瓶环绕设置，水浴进气管的底端伸入水浴瓶的底 部；水浴瓶的端盖上设置有水浴出气管（34)。
5. 根据权利要求4所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述在线监测子系 统（4)包括吸收池（41)、数据采集器（42)、光谱仪（48)以及计算机（43)，所述吸收池入气口 (46)通过封闭管路与温控子系统的水浴出气管（34)连通，吸收池出气口（47)连通大气；吸 收池（41)位于入气口的前端设置有光源（44)，数据采集器（42)和光谱仪（48)设置在吸收 池（41)设置出气口的末端；所述吸收池（41)的前端以及吸收池的末端分别设置一与光源 射向吸收池的光线相垂直的透镜（45)，所述透镜与吸收池密封连接，吸收池入气口和吸收 池出气口均位于前端透镜与末端透镜之间；所述数据采集器（42 )通过RS232连接光谱仪配 套使用，光谱仪通过RS232再与计算机连接。
6. 根据权利要求5所述的臭氧发生及监测模拟系统，其特征在于：所述光谱仪为三光 栅单色仪。
【文档编号】G01N21/31GK104155251SQ201410414007
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】郑海明, 姚鹏辉, 马慧涛 申请人:华北电力大学（保定）