一種臭氧濃度實時測量的設計與實現

吳巖磊，李洪剛，李少亨

(天津同陽科技發展有限公司 天津300384)

大氣中 90%以上的臭氧存在于大氣層的上部或平流層，離地面有 10～50km 距離，是需要人類保護的大氣臭氧層。然而如果大氣中的臭氧，尤其是地面附近的大氣中的臭氧聚集過多，對人類安全有害。臭氧幾乎能與任何生物組織反應，對呼吸道的破壞性很強，對肺功能也有影響，較高濃度的臭氧對植物也是有害的，因此環保部已經將臭氧 8h濃度列入了污染物監測指標。

本設計的目的在于，面向環境空氣質量檢測需求，在紫外光譜吸收法的理論基礎上，實現臭氧濃度的實時測量，尤其可以對大氣中低濃度的臭氧進行濃度實時在線連續測量。

1 測量原理

通過了解臭氧分子(O3)自身的特性可以知道，臭氧分子(O3)分子可以吸收波長為254nm的紫外光(UV)的能量，通過檢測紫外光強的變化情況，確定通過的臭氧氣體的濃度。而高壓汞燈發出的主光譜剛好與此對應，其帶寬內的離散光譜，對測量并無影響，這種單一的紫外光的強度和 O3的濃度有直接的關系，其關系式如下：

式中：K為分子吸收系數，在 0℃和標準大氣壓下取值；L為單元長度cm；C為臭氧濃度，μL/L；I為臭氧樣品(樣品氣)對應的紫外光強度；I0為無臭氧樣品(參比氣)對應的紫外光強度。

上式變形則有：

由此可見，利用光電傳感器監測氣體流經光路前后能量的變化情況，即可計算出臭氧的實時濃度。

2 測量系統主體光路的搭建

系統核心主體光路的搭建可分為單光路和雙光路2套方案，分別見圖1、圖2所示。

圖1 單光路方案Fig.1 Single light path scheme

單光路測量流程：待測氣體首先經過臭氧濾除器，濾除掉待測氣體中的臭氧成分后進入光室，通過光電B管測量當前基底光強Io；然后，切換電磁閥使待測氣體直接進入光室，通過光電管 B測量含有臭氧成分的測量光強Io，利用公式計算整個周期內的臭氧濃度 C顯示并輸出。其中，光電管 A的作用是補償光源差異帶來的系統誤差。

圖2 雙光路方案Fig.2 Double light path scheme

雙光路測量流程：待測氣體進入測量氣路后分為兩路，通過電磁閥A和B控制，一路經過臭氧濾除器除去臭氧成分后進入光室 B，另一路不經處理直接進入光室 A，通過光電管 A、光電管 B同時測量 Ioa和Ia，此時利用公式計算光室A內部臭氧濃度 Ca；完成上述濃度測量后，切換電磁閥A和B，使經過臭氧濾除器的氣體進入光室A，不經過處理的氣體直接進入光室B，通過光電管B、光電管A同時測量Iob和Ib，利用公式計算光室B內部臭氧濃度Cb。

完成上述 2次測量過程，為一個測量周期，取一個周期內的 Ca和 Cb均值記為濃度 C顯示并輸出。采用雙光路的測量方法，由理論分析可知，通過交換測量通道，取 2次測量的均值作為最終測量值，能夠有效抵消測量誤差。

綜上所述：單光路和雙光路設計，均可實現對臭氧濃度的測量。相比而言，單光路設計簡單，硬件搭建和成本相對較低；雙光路方案可以同時測量 Io和I，比單光路方案響應更加快速，省略了對初始光強的補償，使用雙氣路取平均值規避了光強差異帶來的誤差。可見雙光路方案的優勢比較明顯，但同時增加了氣路和光路的復雜程度。

圖3 雙光路設計示意圖Fig.3 Schematic diagram of double light path design

光路和氣路設計，以雙光路方案為例，在單光路方案驗證過程中，可選擇只用 1個氣路，同時調整光電管的安裝位置即可。圖 3中反射鏡用于將紫外燈光折射至光電管，對于光室的設計需要嚴格控制光路長度的尺寸公差以保證計算結果的準確性，光室采用鋁制外殼內部鑲嵌 PTFE材料以最大限度減少材料對臭氧的消耗。氣路中設置溫度及壓強傳感器，以實時對檢測濃度進行溫度壓強補償。為了濾除雜波干擾，可選擇在光室前端增加254nm濾光片。

3 硬件電路設計

如圖 4所示，流量壓強檢測，光電管驅動板均與系統氣路連接，主控板由內置 AD采集各路模擬量，并通過計算輸出環境溫濕度，氣路氣壓和流量，同時利用 PID控制紫外燈狀態，使紫外照射光強保持穩定。臭氧濃度采樣過程中控制電磁閥的周期性切換，利用多次讀取紫外光電管信號取均值后經公式計算和修正輸出最終臭氧濃度，并與顯示控制板進行通信上傳數據。

圖4 硬件總體框圖Fig.4 Hardware block diagram

4 測試結果及結論

測試條件：標準大氣壓，25℃；通入臭氧濃度200nL/L，系統穩定后，連續測量30min。測試結果見表1、表2，對比見圖5。

表1 單光路系統測量Tab.1 Single light path system measurement

表2 雙光路系統測量結果Tab.2 Measurement results of double light path system

綜合實驗數據對比可知，采用單光路和雙光路均可實現對臭氧濃度的檢測，并且數據穩定性均達到測量標準，均可應用到實際檢測中。相比而言，采用雙光路的方案，數據穩定性略好，其原因是雙光路在測量的過程中，不斷交叉轉換測量氣路，從而抵消了測量過程中的大部分測量誤差，此誤差包括紫外燈光強的微小波動，環境溫濕度的波動，光電管檢測誤差等，與此同時設備成本會有一定的增加。因此，在要求測量精度較高，測量環境較差的場合，可以考慮采用雙光路方案，在測量精度不高的普通應用場合，可以考慮單光路方案。

圖5 單、雙光路測試對比Fig.5 Comparison of single and double light path tests