一种高精度氮氧化物与二氧化硫检测仪器的制作方法

[0001]
本发明属于有毒有害气体监测技术领域，具体涉及一种高精度氮氧化物与二氧化硫检测仪器。


背景技术：

[0002]
氮氧化合物和二氧化硫均是大气中的主要污染物，是衡量大气是否遭到污染的重要标志。
[0003]
目前应用大气环境中so2、no
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的监测方法主要采用电化学、离子色谱法、质谱法等方法进行测量。但是上述方法存在体积重量大、测量精度低、使用寿命较短、恢复时间长、过载能力差、仪器受环境影响较大、难以适应恶劣的检测环境等诸多问题。
[0004]
光谱分析法具有灵敏度高，响应快、稳定性、测量范围大、选择性好、可靠性好、可以快速和连续检测好等诸多优点，可实现对so2、no
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实时在线高精度测量。
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目前光谱分析法包括化学发光法与紫外差分吸收光谱法，两种测so2与no
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结果差别很小，相关分析结果表明，具有可比性。
[0006]
化学发光法是目前硫化物和氮氧化物测定的主流方法，同时它也是国家环保总局和美国环保署推荐的氮氧化物定量分析方法。但是化学发光法也存在一些致命的缺陷如仪器对温度的依赖性强等，如自动气象站中的硫化物和氮氧化物分析仪必须靠空调恒温才能正常工作，而且体积重量大，不利于便携。


技术实现要素：

[0007]
有鉴于此，本发明的目的是提供一种一种高精度氮氧化物与二氧化硫检测仪器，具有适用性好、测量精度高的特点。
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一种氮氧化物与二氧化硫检测仪器，其包括光源模块、连接光纤、紫外吸收池、光谱仪、控制与处理模块。
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光源模块，采用氘灯光源，用于产生190nm-400nm紫外光；
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紫外吸收池，为气体与紫外光束反应腔体；
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光谱仪，将从紫外吸收池输出的紫外光束进行分光，通过cmos探测器探测紫外光谱信息；
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控制与处理电路，分析通入气体前后紫外光谱的吸光度，识别气体的浓度；根据通入气体前后紫外光谱的特征峰，识别气体组成。
[0013]
较佳的，所述紫外吸收池包括气泵、腔体、两个石英聚焦透镜、球面反射镜m1、m2和 m3；腔体一侧底部设置进气口，另一侧上部通过气泵设置出气口；球面反射镜m1、m2设置在腔体顶部，球面反射镜m3与m1和m2的反射面相对，设置在腔体底部；第一个石英聚焦透镜接收光纤送入的光源模块产生的紫外光束，聚焦后发射给球面反射镜m1或m2，经球面反射镜m1或m2反射到m3，紫外光束在三者之间多次反射后，与腔体内气体作用后，被第二个石英聚焦透镜接收，并通过光纤送入光谱仪。
[0014]
进一步的，所述紫外吸收池还包括石英玻璃管，安装在腔体内，气体通入石英玻璃管内。
[0015]
较佳的，所述光谱仪包括狭缝、凹面反射光栅、线阵探测器；从长光程紫外吸收池出来的光束经狭缝发散到凹面反射光栅，经其分光后，再由线阵探测器接收，得到紫外光谱，并转换为电信号。
[0016]
较佳的，所述控制与处理模块用于：在紫外吸收池通入氮气时，接收线阵探测器获得的氮气紫外光谱；在紫外吸收池通入待测气体时，接收线阵探测器获得的待测气体紫外光谱；求该两个光谱的差分光谱，确定该待测气体的成分，并获得待测气体的吸光度；根据预存的吸光度-浓度关系模型，得到当前待测气体的浓度。
[0017]
较佳的，吸光度-浓度关系模型获得过程为：先在紫外吸收池中通入设定浓度的氮气，由光谱仪获得氮气紫外光谱；再分别在紫外吸收池中通入已知不同浓度的设定气体，得到不同浓度设定气体的紫外光谱；根据差分光谱获得吸收度，再由已知的设定气体浓度以及吸收度建立吸光度-浓度关系模型。
[0018]
较佳的，基于中心波长205nm附近的若干像素点的光谱能量加权计算no吸光度。
[0019]
较佳的，基于中心波长287nm附近的若干像素点点光谱能量加权计算so2吸光度。
[0020]
较佳的，所述光源模块采用氘灯光源。
[0021]
本发明具有如下有益效果：
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本发明提供了一种高精度氮氧化物与二氧化硫监测仪器，所述监测仪器包括光源模块、长光程吸收池、光谱仪、控制与处理电路、光纤连接线。进一步，所述光源模块包括氘灯和驱动电路；所述长光程吸收池包括石英聚焦透镜、石英玻璃管、吸收池底座等；所述光谱仪包括狭缝、凹面反射光栅、线阵探测仪、采集与驱动电路；所述控制与处理电路包括微处理器、ad转换电路、显示屏电路、气泵。该仪器通过气泵分别将背景气体和待测气体先后泵入长光程吸收池腔体内，驱动氘灯光源发出紫外光，气体样品分子与紫外光束在长光程吸收池中相互作用，利用光谱仪将紫外光束进行分光，并将光信号转换成电信号送入控制与处理单元，控制与处理单元根据建好的吸光度-浓度关系模型，计算出待测气体中的no浓度和so2 浓度；本发明具有适用性好、分辨率高、成本低、无污染等优点。
附图说明
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图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
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下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
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图1示意性的给出了本发明实施例的氮氧化物与二氧化硫检测仪器的系统框图，所述检测仪器包括：
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所述监测仪器包括光源模块、连接光纤、长光程吸收池、光谱仪、控制与处理模块。
[0027]
光源模块，采用氘灯光源，用于产生190nm-400nm紫外光；
[0028]
长光程吸收池，为气体样品分子与紫外光束反应腔体；
[0029]
光谱仪，将紫外光束进行分光，通过cmos探测器探测光谱信息；
[0030]
控制与处理电路，分析通入气体前后紫外特征峰光谱的变化，识别待测气体样品
分子的浓度及组成。
[0031]
长光程吸收池包括气泵、腔体、石英玻璃管、两个石英聚焦透镜、球面反射镜m1、m2 和m3；石英玻璃管安装在腔体内，用于防止腔体被被测气体腐蚀；腔体一侧底部设置进气口，另一侧上部通过气泵设置出气口，气体从腔体底部进入，从上部流出；球面反射镜m1、m2 设置在腔体顶部，球面反射镜m3与m1和m2的反射面相对，设置在腔体底部；第一个石英聚焦透镜接收光纤送入的光源模块产生的紫外光束，聚焦后发射给球面反射镜m1或m2，经球面反射镜m1或m2反射到m3，紫外光束在三者之间多次反射后，与腔体内气体长时间作用后，被第二个石英聚焦透镜接收，并通过光纤送入光谱仪。
[0032]
光谱仪包括狭缝、凹面反射光栅、线阵探测器；从长光程紫外吸收池出来的光束经狭缝发散到凹面反射光栅，经其分光后，再由线阵探测器接收，得到紫外光谱，并转换为电信号。
[0033]
控制与处理模块包括微处理器、ad转换电路、显示屏电路、气泵控制电路；
[0034]
控制与处理模块用于：在紫外吸收池通入氮气时，接收线阵探测器获得的氮气紫外光谱；在紫外吸收池通入待测气体时，接收线阵探测器获得的待测气体紫外光谱；求该两个光谱的差分光谱，确定该待测气体的成分，并获得待测气体的吸光度；根据预存的吸光度-浓度关系模型，得到当前待测气体的浓度。
[0035]
其中，吸光度-浓度关系模型获得过程为：先在紫外吸收池中通入设定浓度的氮气，由光谱仪获得氮气紫外光谱；再分别在紫外吸收池中通入不同浓度(已知)的设定气体，得到不同浓度设定气体的紫外光谱；根据差分光谱获得吸收度，再由已知的设定气体浓度以及吸收度建立吸光度-浓度关系模型。由于不同气体的紫外光谱吸收峰不同，则可根据吸收峰位置判断出待测气体的成分。
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本发明的系统的工作步骤如下：
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步骤一：向腔体内先通入氮气，使充满吸收池。驱动氘灯光源发出紫外光束。
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步骤二：该光束透过充满氮气的吸收池；
[0039]
步骤三：光束进入光谱仪模块，经光栅分光后打在线阵探测器上。
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步骤四：阵列式探测器将氮气光谱转换成电信号送入控制与处理单元。
[0041]
步骤五、向腔体内通入待测气体，按照步骤二到四的方法，获得待测气体光谱；获得氮气光谱与待测气体光谱的差分光谱，判断待测气体的成分；并获得待测气体的吸光度；
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步骤流：控制与处理单元预存的一氧化氮、二氧化硫吸光度与浓度之间的模型，通过吸光度的大小计算出一氧化氮或二氧化硫的浓度。
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进一步的，所述监测仪器采用中心波长为205nm的附近5个像素点光谱能量加权计算 no吸光度。
[0044]
进一步的，so2的吸收波长从240nm到330nm，所述监测仪器采用中心波长为287nm的附近的5个像素点加权计算吸光度。
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综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。