反射式可拆卸紫外氣體吸收池設計

吳 軻，張奧男，劉 瑩，雍盛貴

(1.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121；2.上海寶川自控成套設備有限公司，上海 201204)

0 引言

隨著中國經濟轉型發展和人們生活品質不斷提升，國家對環境污染這一問題越來越重視，特別是大氣污染問題。大氣污染產生的危害極為廣泛，它能夠破壞生態環境，危害人類健康。在這種嚴峻的形勢下，國家重拳出擊，陸續出臺和修改了一系列行業標準，例如《環境空氣質量標準》[1]、《鍋爐大氣污染物排標準》[2]。在中國，大氣污染主要來源于工業廢氣，因此各種煙氣監測設備大量應用于工業廢氣監測。

目前，煙氣分析按照原理劃分通常有光譜吸收分析法、電化學檢驗法、氣象色譜法等。電化學檢驗法的優點是簡單，傳感器和檢測氣體一一對應；但其不能應對復雜的工況。氣象色譜法檢測精度高，但體積大、成本高。光譜吸收法中的傅里葉紅外煙氣分析儀技術成熟，長期用于化學分析，具有分辨率高、可以對多種氣體分子進行測量的優點。其缺點是：價格昂貴、易受水汽和粉塵等的影響[3]。紫外差分法主要是利用吸收分子在紫外光段的特征吸收來測量煙氣中特征污染氣體組分[4],具有高靈敏度、可實時測量、環境適用性高、設備價格低、維護成本不高的特點。國內很多單位都采用這個方法對二氧化硫、一氧化氮進行監測。而作為紫外煙氣分析儀的核心部件，氣體吸收池為光路傳播和氣體吸收的提供了一個穩定的場所，對整個分析儀的測量精度和穩定性有著重要的影響。

現有直通氣室受整機體積限制，光程短，而氣體的低濃度測量需要使用長光程。長期工作時，與氣體直接接觸的光學鏡片上會附著污染物，而光學玻璃是整個氣體吸收池光傳播的核心器件，拆卸清洗后安裝需要重新調整光路，用戶自行維護困難。因此設計一款長光程，以滿足低濃度測量，且定期維護方便的氣體吸收池取代現有紫外差分分析儀中的直通氣體吸收池具有一定的實際意義。

1 基本原理

比爾-郎伯定律表達式為：

(1)

式中:A為吸光度；I0為入射光強度；It為出射光強度；K為摩爾吸收系數；c為吸收光物質的濃度；b為吸收層厚度[5]。

摩爾吸收系數與吸收物質的性質及入射光的波長有關，吸收層厚度也可以理解為光程。根據式(1)可以看出，只要待測物質和光源確定，吸收物質的濃度和吸收層厚度成反比。想要測量更低的濃度，就需要增加吸層厚度。對于氣體吸收池來說，有效的方法就是增大光程。

直通氣體吸收池光路原理如圖1所示。

圖1 直通氣體吸收池光路原理圖

現有的紫外直通氣體吸收池采用的是單通路，即氣室一頭發射光，另一頭接收光。光的入射端和出射端都分布有光學鏡片，用于光的整形。這種結構設計簡單。如果要增大光程，直接的方法就是將氣室加長，但考慮到整臺設備的大小和設備內部其他組件的分布，氣體吸收池的長度增加會受到限制,不能設計單通路氣體吸收池來滿足低濃度測量。

反射式氣體吸收池光路原理如圖2所示。

圖2 反射式氣體吸收池光路原理圖

采用反射原理，能保證在吸收池合理體積范圍內極大程度地提高氣體吸收池的有效光程。基于反射原理的新型長光程主要包括懷特型吸收池、積分球吸收池[6]、基于直角棱鏡的吸收池等。懷特型氣體吸收池依靠三面曲率半徑相同的凹面鏡進行反射，可實現幾十米光程，結構簡單、性能穩定；但反射過程中光能量損失大、價格昂貴[7]。積分球吸收池也是運用反射的原理，體積小、成本低；但由于氣光路原理的特性決了其測量精度有限，對光源及連接部件封裝工藝要求高[8]。基于直角棱角鏡的吸收池采用兩個直角棱鏡來對光進行多次反射，其優點是結構簡單，光在傳遞過程不會發生相互干擾，使得探測器的測量更為準確。其采用的是全反射原理，因此對棱鏡的安裝精度及抗震性要求都很高。基于成本、測量精度和穩定性的考慮，采用單次反射原理，從結構上能夠保證其構造簡單，光路調整方便，能夠實現不破壞光路的前提下實現可拆卸性。從光路原理上來說，采用單次反射不需要結構復雜的光學元件、無需定制，只需選購市場上標注的光學元件就能實現光路的一次反射，替換現有的直通氣體吸收池不會大幅度增加成本，實現低濃度測量和低成本維護。

反射式可拆卸吸氣體吸收池的光路分為三大部分。通過光纖，將光源發出的紫外光引入到氣體吸收池內,穿過待測氣體后再通過光纖將光傳入到接收器上。兩個窗口玻璃之間(包括窗口玻璃)作為一部分，兩玻璃之間存儲著待測氣體。反射端作為第三部分，主要對光進行反射。為提高200～400 nm波段的紫外光傳遞效率、降低光傳遞過程中的損失，光學透鏡均采用石英材質。石英玻璃的光學性能非常優異,在紅外到紫外光的連續波長范圍內都有良好的透過率[9]。根據吸收池體積要求來確定光學透鏡的尺寸，再結合所要求的光程以及元件的安裝結構對入射端和出射端之間的夾角進行設計。實際過程中，入射端的準直透鏡無法保證光線嚴格意義上的準直，紫外光通過透鏡后都會有一定的發射角。如果反射鏡面采用常規平面反射鏡，反射到出射端的光會繼續發散，不能保證盡可能多的光都能回到出射端的透鏡上。如果發射角過大，發散的光還可能在吸收池的內壁反射，降低整機的性噪比。因此，反射鏡采用外形為平凸透鏡，反射膜采用適用于紫外波段的金屬鋁膜，既能實現光的反射，又能對光進行整形，以提高光的利用率、延長光源的使用壽命。同時，運用光學反正軟件ZEMAX對光路進行輔助設計和光路優化。ZEMAX光路仿真圖如圖3所示。

圖3 ZEMAX光學仿真圖

通過圖3可以看出，上下兩端的光路實現了對稱的設計。在實際安裝過程中入射端和出射端沒有嚴格意義的區分,降低了整機裝配的復雜程度。考慮兩面窗口玻璃是否會影響光的傳播。通過仿真可以看到，由于兩面玻璃厚度很薄，光通過窗口玻璃產生很微小的偏移，不會對光路產生影響。

2 結構設計

基于上一節闡述的光學原理，開始結構設計。反射氣體吸收池結構如圖4所示。主氣室的移動不會對整個氣體吸收池的光路產生影響，待測氣體也不會與光學的核心鏡片發生直接接觸，不會造成污染的情況。整個氣體吸收池的定期清洗只需拆卸中間的主氣室進行維護，不會破壞光路。

圖4 反射氣體吸收池結構圖

2.1 發射接收模塊設計

發射接收模塊主要包含發射和接收端光學透鏡，以及透鏡的調整裝置。通過光學原理可知，該模塊主要用于入射光和出色光的整形。通過調整裝置來調節光的準直度，保證光提高光的利用率。裝置設計有光纖的通用接口。

2.2 主氣室設計

主氣室主要儲存待測氣體。主氣室圓筒結構的頂部等距開有兩個螺紋孔，用于進、出氣接頭的安裝。兩面窗口玻璃分別設計在主氣室兩側端蓋上，方便氣室的定期拆卸清洗。腔體內部是一個規整的圓柱形，沒有復雜的腔體結構阻止待測氣體的順利流通，因此不會產生測量的滯后，對整機測量的靈敏度有一定的幫助。為了提高氣體吸收池的性噪比，可將主氣室的內壁涂刷特定的吸光材料，減少光在內壁的反射。因此在設計時，主氣室兩個端蓋的端面設計有密封結構，保證主氣室裝配完成前后處于密封狀態。

2.3 反射模塊設計

反射模塊包括反射鏡和反射鏡調整機構。反射鏡的安裝配有密封結構，以保證反射膜在使用過程中不被污染。而反射鏡調整機構主要用于在進行氣體吸收池的光路模塊安裝時，進行反射鏡角度的調整，保證反射的光能準確射入到接收端的光學透鏡。

3 結束語

本文設計了一種用于紫外煙氣分析儀的基于反射原理的可拆卸氣體吸收池。一方面通過反射原理，在控制分析儀整機尺寸條件下大幅度提高了光程，適應更低濃度的氣體測量；另一方面能夠解決現有直通氣室后期維護繁瑣的問題，維修更換也更為方便。結構上，三個模塊相互獨立安裝，通過更換不同的光學透鏡，還能應用到紅外煙氣測量中，具有一定的實用價值。