封　沛

(重慶川儀分析儀器有限公司，重慶 400060)

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紫外光譜氣體分析儀性能影響因素研究

封沛

(重慶川儀分析儀器有限公司，重慶 400060)

介紹了紫外光譜氣體分析儀的基本原理和結(jié)構(gòu)，著重從溫度對(duì)氣體自身性質(zhì)的影響以及對(duì)光譜儀的影響兩方面出發(fā)，分析了如何消除溫度對(duì)儀器測量不準(zhǔn)確的影響，總結(jié)了今后的研發(fā)路徑。

紫外光譜吸收截面溫度

1　引言

國家環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提出持續(xù)加大減排力度，要求現(xiàn)役或新建電力燃煤機(jī)組，鋼鐵燒結(jié)機(jī)，石化、有色、建材等行業(yè)的工業(yè)窯爐，其他燃煤鍋爐，實(shí)施低氮燃燒技術(shù)、安裝脫硫脫硝設(shè)施，裝置運(yùn)行必須監(jiān)測SO2、NO。隨著脫硫、脫硝標(biāo)準(zhǔn)大幅提高，需要性能更高的監(jiān)測產(chǎn)品。目前，國際上SO2、NO監(jiān)測技術(shù)主要有非分散紅外(NDIR)和紫外(UV)。但NDIR技術(shù)背景干擾大，靈敏度不高，很難滿足監(jiān)測新要求。本文研究的紫外光譜分析儀基于特征吸收，傳感系統(tǒng)由光源、氣室、光譜儀組成，全光譜信號(hào)采集并結(jié)合分析算法，可有效降低背景交叉干擾、光學(xué)元件穩(wěn)定性影響，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，非常適合煙氣監(jiān)測。

2　儀器原理

紫外光譜氣體分析儀的理論基礎(chǔ)是Lambert-Beer定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

H(λ)=I0(λ)exp[-Lσ(λ)c]

(1)

式中I0(λ)指光源發(fā)出的初始光強(qiáng)，I(λ)指通過光程為L的物質(zhì)后的光強(qiáng)，c指被測氣體的濃度，σ(λ)為波長λ處的吸收截面[1]。

氣體濃度可由式(2)計(jì)算：

c=ln[l0(λ)/I(λ)]/[Lσ(λ)]

(2)

在實(shí)際測量中，光程中不僅存在氣體吸收光強(qiáng)，同時(shí)還包括瑞利散射εR(λ)和米散射εM(λ)引起的消光，因此氣體吸收光強(qiáng)誚按照修改的Lambert-Beer定律計(jì)算：

I(λ)=I0(λ)exp{-L[∑i(σi(λ)ci)+εR(λ)+εM(λ)]}

(3)

在氣體測量中,瑞利散射和米散射引起光強(qiáng)隨波長而緩慢變化，而分子吸收引起光強(qiáng)隨波長快速變化，用高通濾波的方法能消除緩慢變化。

為消除瑞利散射和米散射的影響，可以將吸收截面σ(λ)分成兩部分：

(4)

式(3)可簡化為：

(5)

式中I′0(λ)為不包含差分吸收時(shí)的光強(qiáng)[2]。

最終得到差分的Lambert-Beer定律：

(6)

定義D′(λ)為差分光學(xué)密度，則由此可計(jì)算出吸收氣體的濃度[3]。

3　儀器結(jié)構(gòu)

本文研究的紫外光譜氣體分析儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　紫外光譜氣體分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

光源發(fā)出的紫外光匯聚進(jìn)入光纖，通過光纖傳輸?shù)綒怏w室，穿過氣體室時(shí)經(jīng)被測氣體吸收后，通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀。在光譜儀內(nèi)部經(jīng)過光柵分光，由陣列傳感器將分光后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，獲得氣體的連續(xù)吸收光譜信息。

4　溫度對(duì)儀器性能的影響

4.1溫度對(duì)待測氣體自身性質(zhì)的影響

待測氣體的吸收截面易受溫度影響而發(fā)生改變，圖2給出了在20℃和70℃的二氧化硫吸收光譜數(shù)據(jù)，分析可知，在同一氣體濃度下，二氧化硫吸收光譜隨著溫度的改變發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)在隨著溫度的升高，二氧化硫差分吸收截面變小。在計(jì)算二氧化硫氣體濃度的時(shí)候，為了消除溫度對(duì)于氣體測量的影響，必須找出吸收截面隨溫度變化的規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)測試當(dāng)中，測量室中充入一定濃度的二氧化硫氣體，固定二氧化硫氣體濃度，通過控溫裝置改變氣體溫度，氣體溫度和光譜數(shù)據(jù)通過溫度探測器和光譜儀實(shí)時(shí)采集，最后得到溫度與吸收截面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測量到的吸收截面隨著溫度的升高而減小，在一定范圍內(nèi)成線性規(guī)律。為了驗(yàn)證其他濃度的氣體是否符合這個(gè)規(guī)律，分別測量了10種不同濃度的氣體吸收截面對(duì)溫度的變化情況，結(jié)果表明不同濃度氣體吸收截面隨溫度變化是一致的。

在實(shí)際測量中，可以將不同溫度的吸收截面都可以轉(zhuǎn)化成零攝氏度下的吸收截面，建立零攝氏度下吸收截面與濃度的關(guān)系既得到不同溫度下的氣體濃度。

為了驗(yàn)證上述方法是否可以消除溫度的影響，實(shí)驗(yàn)把的二氧化硫氣體充入到測量室，通過控溫裝置改變氣體溫度，得到的修正后二氧化硫氣體濃度與溫度的關(guān)系，測量得到的二氧化硫氣體濃度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，并沒有因?yàn)闇囟鹊淖兓饾舛葴y量值很大的變化。

圖2　20℃和70℃的二氧化硫吸收光譜圖

4.2溫度對(duì)光譜儀的影響

光譜儀的性能對(duì)待測氣體吸收光譜特征有很大的影響，其中光譜儀的分辨率表現(xiàn)的尤其明顯。在溫度發(fā)生變化的情況下光譜儀的性能會(huì)發(fā)生改變，這種變化反應(yīng)在吸收光譜技術(shù)上是吸收光譜發(fā)生了改變。圖3給出了光譜儀在20℃、25℃和30℃下相同濃度二氧化硫的吸收光譜，從圖3中可以看出在光譜儀溫度不同時(shí)，二氧化硫的吸收光譜有明顯的變化。

在實(shí)驗(yàn)測試中，將測量室中充入某一濃度的二氧化硫氣體，保持測量室內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定，通過控溫裝置改變光譜儀的溫度。在光譜儀不同溫度條件下記錄二氧化硫吸收光譜。為了研究吸收截面隨光譜儀溫度變化的情況，實(shí)驗(yàn)在測量室內(nèi)充入固定濃度的二氧化硫氣體，并且利用溫度控制器緩慢改變光譜儀的溫度，在溫度改變過程中實(shí)時(shí)記錄溫度和對(duì)應(yīng)的吸收截面，吸收截面隨光譜儀溫度的變化而改變，這種變化并非是線性規(guī)律，在常溫下，吸收截面比較大，說明在這個(gè)溫度下光譜儀具有最高的分辨率，這個(gè)溫度范圍之外分辨率會(huì)降低，導(dǎo)致得到的吸收截面變小。

圖3　光譜儀在不同溫度下的二氧化硫的吸收光譜

在實(shí)際應(yīng)用中為了消除因?yàn)楣庾V儀所處環(huán)境溫度的變化引起氣體濃度測量的不準(zhǔn)確，在儀器內(nèi)部設(shè)計(jì)了一恒溫箱，可以確保將光譜儀處于一恒定溫度情況下，從而實(shí)現(xiàn)濃度測量的準(zhǔn)確性。

5　結(jié)論

溫度是影響紫外光譜氣體分析儀測量準(zhǔn)確性的重要因素之一，現(xiàn)在主要手段有使用修正算法和恒溫控制來消除溫度對(duì)儀器性能的影響，如何消除溫度對(duì)紫外光譜氣體分析儀性能的影響仍然是未來研發(fā)的路徑。

[1] 鄭朝暉，劉文清，謝品華，王亞萍.煙道SO2濃度的紫外差分吸收光譜法測量研究[J]，光電子.激光，2000，11(6)：614-617.

[2] 湯光華，許傳龍，邵禮堂，李式民.差分吸收光譜法在線測量煙氣濃度試驗(yàn)研究[J],儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(2)：244-249.

[3] 王惠芳.紫外差分吸收光譜法CEMS氣體室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J],儀器儀表與分析儀器，2013，(2)：10-13.

Research on factors affecting the performance of ultraviolet spectrum gas analyzer.

Feng Pei

(Chongqing Chuanyi Analyzer Co.,Ltd.,Chongqing 400060,China)

In this paper,the basic principle and structure of ultraviolet spectrum analyzer were introduced,the effect of temperature on the gas and the instrument,and the eliminating method were discussed.

ultraviolet spectrum;absorption cross section;temperature

封沛，男 ，工程師，長期從事在線分析研究與應(yīng)用工作，E-mail：fengpei7777@126.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.011

2016-05-16