基于紫外差分吸收光譜的高溫便攜式氣體分析儀的設計

李瑞姣，李焓

（北京雪迪龍科技股份有限公司研發中心，北京102206）

0 引言

社會發展過程中產生的環境污染已經成為全球共同關注的焦點。近期的研究表明，極輕微的空氣污染也會危害人體健康［1］。近年來，我國污染性天氣的出現越來越頻繁，每到空氣條件擴散不佳的季節，各地會形成不同程度的霧霾。針對日益嚴重的環境問題，以減少污染產生、監控污染狀態為目標的新型環保技術、方法不斷被開發和提出，這要求儀器具有更低的污染物檢測下限。

在2011年發布的GB-13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》中，我國明確了超低排放的標準，SO2和NOX的排放限值都在幾十毫克每立方米的超低排放量級［2］。傳統的非分散紅外監測技術的準確性、穩定性、檢測限等性能參數以及環境適應性、對水汽和二氧化碳的抗干擾能力已不能適應超低排放監測的要求［3-4］。

紫外差分吸收光譜技術可彌補上述非分散紅外技術的缺陷，水在紫外波段沒有吸收峰，非常適用于超低排放的監測［4］。但目前市場上適用于超低排放濃度測量的便攜類儀器較少，基于UV-DOAS原理的類似產品，雖然量程范圍較大，但是進行超低濃度測量時適應性略有不足；某些儀器采用了氘燈作為光源，光源部分壽命較短且維護成本較高。本文研制的基于紫外差分吸收光譜的高溫便攜式氣體分析儀有效彌補了上述不足，提升了該類產品對超低排放監測的適應性，采用氙燈光源，延長了產品的壽命且降低了維護成本。

1 測量原理

紫外差分吸收光譜法的基本依據是朗伯-比爾定律，特定波長處的吸光度與相應成分濃度成線性關系。

式中:A為吸光度；E為摩爾吸光系數，可認為是常數；L為有效光程長度；c為樣品濃度。

當知道物質的摩爾吸光系數，有效光程長度以及吸光度時，就可計算出樣品的濃度。

紫外差分吸收光譜法由U.Platt等人提出［5］。紫外差分吸收光譜法利用氣體分子的窄帶吸收特性和吸收強度來鑒別氣體成分、推演氣體濃度。紫外差分吸收光譜分為隨波長快變的窄帶吸收截面和隨波長慢變的寬帶吸收截面，前者是由被測氣體引起的吸收特性，后者是由粉塵、水氣等引起的吸收特性。通過分離去除測量光譜中的慢變部分能夠扣除背景環境因素對氣體濃度分析的影響，從而實現高精度和強抗干擾能力測量［6］。

2 儀器整體設計與工作原理

圖1是本文研制的基于紫外差分吸收光譜的高溫便攜式氣體分析儀的結構組成框圖，主要由光源、單次反射氣體池、光路耦合單元、光纖、光譜儀等光學元件和溫控及數據采集處理單元、開關電源、數據終端等構成。其工作原理是:光源發出的光強為I0的光經過氣體池、光路耦合單元后由光纖傳入光譜儀，經過光程長為L的氣體池中被測氣體的吸收、背景成分的散射，光譜儀接收到的光強I較初始光強I0減弱。首先，數據處理單元接收來自光譜儀的含有被測氣體信息的光強信號I；然后，將此光強信號進行數據處理，得到被測氣體的成分和濃度信息；最后，將被測氣體信息傳輸至數據終端進行數據顯示、報告生成和數據上傳。

圖1 儀器結構組成框圖

2.1 光源與光路耦合單元

光源選用了緊湊型且性能穩定的紫外氙燈，紫外氙燈發射出的光譜范圍為185～2000 nm，覆蓋了SO2，NOX特征吸收峰所在的光譜波段200～450 nm。氙燈是由一只用優質石英玻璃吹制而成的泡殼并在其內部封有一對電極且充入一定壓力的惰性氣體Xe制作而成的。氙燈工作時要求外接專用電源和觸發器。當接通電源時，電路中的觸發器產生一個高頻高壓訊號施加于燈的兩端，使燈管內的Xe氣激發電離產生弧光放電，并輻射出一定波段范圍的光譜。

氙燈發出的發散光隨著傳播距離的增大，光斑逐漸增大，在氣體池入光口處，光斑面積大于入光口截面面積，不能完全進入氣體池。為減少光能損失，對發散光進行準直處理，根據儀器內部預設空間及氣體池的入光口孔徑，設計了焦距為f1的匯聚透鏡，并將其置于光源光束出射方向焦距位置。同理在氣體池的出光口端也設置有類似功能的光學耦合元件，使出射光匯聚后進入傳輸光纖。

實驗測試結果表明，氣體池入光口和出光口端設置光路耦合元件可顯著減小光路傳輸過程中的能量損失，滿足儀器實現測量條件。圖2為光路中未設置光學耦合元件時的光能圖，圖3為設置光學耦合元件后的光能圖。

圖2 光路中未設置光學耦合元件的光能圖

圖3 光路中設置光學耦合元件的光能圖

2.2 氣體池設計

氣體池是設有入光口、出光口、進氣口、出氣口，儲存被測氣體的分析儀部件。根據吸收光譜法的基本原理，為實現低濃度氣體檢測，要求氣體池的光程長盡可能地長。但便攜式儀器需要小型化，因此可通過使光在氣體池腔體內多次折返的方法增加光程長。考慮到光學反射元件的反射率通常在100%之下，反射次數越多，損失的光能越多，探測器探測到的光強越低，儀器的信噪比也越差，儀器檢測效果也越差。所以在設計光路折返氣體池時，應綜合考慮光程長和光強的影響，以保證儀器的分辨力和檢出限等性能指標。通過計算得到最優的折返次數，確定總光程長。

由公式（1）可知，被測氣體的濃度和吸光度、光程長呈比例關系，吸光度由測量原理確定，由于朗伯-比爾定律的線性關系有一定的應用范圍，當處于線性范圍內時，吸光度值最好在0.2～0.8之間，即公式（1）中 A可確定［7］。

本文研制的基于紫外差分吸收光譜的高溫便攜式氣體分析儀主要針對超低排放條件下煙氣中的SO2和NOx濃度測量，即公式（1）中E和c可確定，SO2、NO和NO2的摩爾吸光系數都約為6×104L/（mol·cm），經過對上述幾個參數的確定、計算，結合儀器的空間，設計了光程長為67 cm的一次折返氣體池。光路的折返通過一塊全反射道威棱鏡實現，光在氣體池里的傳輸路徑如圖1中虛線所示，即有效光程長為氣體池長度的2倍。根據氣體池的腔體截面確定道威棱鏡的外形尺寸，通常道威棱鏡的通光孔徑大于90%，為有效利用光能，設計氣體池腔體的入光口和出光口的直徑為道威棱鏡反射面內接圓的90%。

2.3 氣體池溫控設計

為使被測物在測量過程中更加穩定，并減少氣體池對被測物的吸附、水對SO2的溶解、避免焦油等有機物析出對光學鏡片的污染，設計了氣體池高溫溫控結構。

氣體池溫控結構包含加熱器、溫度傳感器、外部保溫層、溫控電路。儀器開機后，加熱器加熱氣體池使其升溫，溫度傳感器實時測量氣體池溫度，溫控電路板獲取氣體池的實時溫度后與預設的目標溫度進行比較，若溫度未達到預設溫度，加熱器持續進行加熱，當溫度將要達到預設溫度時，溫控電路通過反饋控制系統精細調整升溫降溫過程，控制氣體池的溫度達到預設溫度并保持一定的精度。

本文采用導熱系數極低的新型隔熱材料作為氣體池的保溫材料，通過單次反射條件下氣體池與保溫層的空間布局對氣體池保溫效果影響的試驗，得到氣體池和保溫層的最優間距為15 mm，相對優化的空間布局，實現了氣體池高效穩定的高溫溫控。

3 性能測試

3.1 分析儀示值誤差測試

在常溫環境下進行實驗，啟動儀器，待運行穩定后，進行零點標定和量程標定。分別通入滿量程（100 mg/m3）濃度的20%，50%和80%的標準氣體；分別記錄儀器的顯示值；記數完成后標零，按上述濃度重復測試3次。實驗數據如表1所示。

表1 SO2，NO，NO2不同濃度3次重復測試顯示值mg/m3

計算得到SO2的示值誤差為-0.75%，NO的示值誤差為-0.19%，NO2的示值誤差為-0.21%，儀器對量程范圍內高、中、低濃度的SO2，NO，NO2測量的示值誤差均不超過±2%FS，符合環保標準［8］。

3.2 環境適應性測試

將分析儀置于溫濕度試驗箱，通過設定不同的溫度值測試儀器的性能指標，評估分析儀的環境適應性。

表2 SO2，NO，NO2不同溫度下的零點和量程值mg/m3

由表2數據計算可知，SO2溫度環境變化影響最大值-1.8%，NO溫度環境變化影響最大值0.25%，NO2溫度環境變化影響最大值-0.57%，在環境溫度5～40℃范圍內，儀器讀數的變化均未超過±5%FS，符合環保標準［8］。

4 結語

針對超低排放濃度測量問題，本文研制了基于紫外差分吸收光譜的高溫便攜式氣體分析儀。通過室溫下的性能測試和不同溫度環境適應性的測試可知，該分析儀可有效滿足低濃度二氧化硫和氮氧化物的監測要求，可應用于固定污染源環保管理中的比對監測、執法監測以及環境污染應急監測，也可以應用于工業領域排放檢測和重大污染泄露檢測等環保領域。在大氣污染治理方面，近期的研究表明，極輕微的空氣污染也會危害人體健康，因此進一步收緊空氣污染治理目標的相關標準和政策勢在必行，基于本儀器的原理，通過設計光程長更長的氣體池以實現對更低濃度有害氣體進行檢測的儀器在未來將會有廣泛的應用前景。