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)

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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構，著重從溫度對氣體自身性質的影響以及對光譜儀的影響兩方面出發，分析了如何消除溫度對儀器測量不準確的影響，總結了今后的研發路徑。

紫外光譜吸收截面溫度

1　引言

國家環境保護規劃提出持續加大減排力度，要求現役或新建電力燃煤機組，鋼鐵燒結機，石化、有色、建材等行業的工業窯爐，其他燃煤鍋爐，實施低氮燃燒技術、安裝脫硫脫硝設施，裝置運行必須監測SO2、NO。隨著脫硫、脫硝標準大幅提高，需要性能更高的監測產品。目前，國際上SO2、NO監測技術主要有非分散紅外(NDIR)和紫外(UV)。但NDIR技術背景干擾大，靈敏度不高，很難滿足監測新要求。本文研究的紫外光譜分析儀基于特征吸收，傳感系統由光源、氣室、光譜儀組成，全光譜信號采集并結合分析算法，可有效降低背景交叉干擾、光學元件穩定性影響，結構緊湊、可靠，非常適合煙氣監測。

2　儀器原理

紫外光譜氣體分析儀的理論基礎是Lambert-Beer定律，其數學表達式是：

H(λ)=I0(λ)exp[-Lσ(λ)c]

(1)

式中I0(λ)指光源發出的初始光強，I(λ)指通過光程為L的物質后的光強，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)計算：

c=ln[l0(λ)/I(λ)]/[Lσ(λ)]

(2)

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

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隨波長而緩慢變化，而分子吸收引起光強隨波長快速變化，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的光強[2]。

最終得到差分的Lambert-Beer定律：

(6)

定義D′(λ)為差分光學密度，則由此可計算出吸收氣體的濃度[3]。

3　儀器結構

本文研究的紫外光譜氣體分析儀結構如圖1所示。

圖1　紫外光譜氣體分析儀結構示意圖

光源發出的紫外光匯聚進入光纖，通過光纖傳輸到氣體室，穿過氣體室時經被測氣體吸收后，通過光纖傳輸到光譜儀。在光譜儀內部經過光柵分光，由陣列傳感器將分光后的光信號轉換為電信號，獲得氣體的連續吸收光譜信息。

4　溫度對儀器性能的影響

4.1溫度對待測氣體自身性質的影響

待測氣體的吸收截面易受溫度影響而發生改變，圖2給出了在20℃和70℃的二氧化硫吸收光譜數據，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生了變化，具體表現在隨著溫度的升高，二氧化硫差分吸收截面變小。在計算二氧化硫氣體濃度的時候，為了消除溫度對于氣體測量的影響，必須找出吸收截面隨溫度變化的規律。在實驗測試當中，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，氣體溫度和光譜數據通過溫度探測器和光譜儀實時采集，最后得到溫度與吸收截面的對應關系，測量到的吸收截面隨著溫度的升高而減小，在一定范圍內成線性規律。為了驗證其他濃度的氣體是否符合這個規律，分別測量了10種不同濃度的氣體吸收截面對溫度的變化情況，結果表明不同濃度氣體吸收截面隨溫度變化是一致的。

在實際測量中，可以將不同溫度的吸收截面都可以轉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系既得到不同溫度下的氣體濃度。

為了驗證上述方法是否可以消除溫度的影響，實驗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系，測量得到的二氧化硫氣體濃度在一定范圍內波動，并沒有因為溫度的變化而引起濃度測量值很大的變化。

圖2　20℃和70℃的二氧化硫吸收光譜圖

4.2溫度對光譜儀的影響

光譜儀的性能對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的尤其明顯。在溫度發生變化的情況下光譜儀的性能會發生改變，這種變化反應在吸收光譜技術上是吸收光譜發生了改變。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，二氧化硫的吸收光譜有明顯的變化。

在實驗測試中，將測量室中充入某一濃度的二氧化硫氣體，保持測量室內氣體溫度穩定，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，實驗在測量室內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時記錄溫度和對應的吸收截面，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律，在常溫下，吸收截面比較大，說明在這個溫度下光譜儀具有最高的分辨率，這個溫度范圍之外分辨率會降低，導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

在實際應用中為了消除因為光譜儀所處環境溫度的變化引起氣體濃度測量的不準確，在儀器內部設計了一恒溫箱，可以確保將光譜儀處于一恒定溫度情況下，從而實現濃度測量的準確性。

5　結論

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

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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用工作，E-mail：fengpei7777@126.com。

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

2016-05-16