CN101907563B - 基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪，包括紫外发光二极管、吸收池、光谱仪和连接在光谱仪上的计算机，所述吸收池两侧分别设置有相对应并通透紫外光线的射入窗口和射出窗口，吸收池上还设置有进气口和排气口；所述紫外发光二极管和吸收池的射入窗口之间连接有一入射光纤，该入射光纤的两端分别设置有一个准直器；所述吸收池的射出窗口和光谱仪之间连接有一出射光纤，该出射光纤的两端也分别设置有一个准直器；其中，射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角是接近直角的锐角或钝角。本发明还公开了基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法。本发明具有测量准确、测量范围大、测量时间短的优点。

Description

基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪及分析方法

技术领域

本发明涉及一种气体分析装置，尤其是涉及一种用于测量气体中二氧化硫的浓度的基于紫外吸收法二氧化硫分析仪，本发明还涉及基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法。

背景技术

二氧化硫是一种重要的环境污染气体，已经被列为常规测量项目，并作为环境统计申报内容之一。准确、快速的检测二氧化硫的浓度在环境保护、环境监测、环境预警、污染源控制、评价烟气脱硫装置性能中有着重要作用。

但由于当前二氧化硫分析仪普通存在着交叉干扰、测量时间长和测量精度较差等缺点，不能很好的满足在线监测的需要。非分散红外吸收法测量二氧化硫成本低较，但测量精度不高，只适合测量高浓度的二氧化硫；紫外荧光法测量二氧化硫成本很高，测量范围小，不能广泛应用；而实验室化学方法测量二氧化硫时间长，不能用于在线监测，不能快速反应当前排放的二氧化硫情况。

发明内容

针对以上提出的问题，本发明目的在于提供一种测量准确、测量范围大、测量时间短的二氧化硫在线分析仪。

本发明通过以下技术措施实现的，一种基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪，包括紫外发光二极管、吸收池、光谱仪和连接在光谱仪上的计算机，所述吸收池两侧分别设置有相对应并通透紫外光线的射入窗口和射出窗口，吸收池上还设置有进气口和排气口；所述紫外发光二极管和吸收池的射入窗口之间连接有一将紫外发光二极管发射的紫外光从射入窗口导入吸收池的入射光纤，该入射光纤的两端分别设置有一个准直器；所述吸收池的射出窗口和光谱仪之间连接有一将射出窗***出的紫外光导射向光谱仪中的紫外感光元件的出射光纤，该出射光纤的两端也分别设置有一个准直器；其中，射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角是接近直角的锐角或钝角。

紫外发光二极管优选能发出波长范围是290-320nm的连接紫外光的紫外发光二极管。

作为一种优选方式，所述光纤的光谱范围是200-1100nm，纤芯直径是900um。

作为一种优选方式，所述光谱仪的测量范围是200-340nm，光栅刻痕密度是2400mm^-1，分辨率是0.29nm。

作为一种优选方式，所述紫外感光元件是线性CCD阵列，共3648像素，每个像素是8um宽，200um长。

作为一种优选方式，所述吸收池的射入窗口和射出窗口是石英材料，吸收池侧面直径是22mm，长度是102.5mm，通光范围是200-2700nm。

其中，射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角优选75度至85度或95度至105度。

本发明还公开了一种基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其分析步骤为：

一、检测SO₂气体的峰值波长和峰谷波长：

(1)、先从吸收池的进气口向吸收池充入N₂气；

(2)、而后打开紫外发光二极管，此时紫外光经准直器变成平行光后由入射光纤导向吸收池，紫外光由入射光纤另一端的准直器射出由射入窗口进入吸收池；

(3)、紫外光经吸收池内的N₂气吸收后由射出窗口经准直器由出射光纤导向光谱仪，紫外光由出射光纤另一端的准直器射入光谱仪；

(4)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射290-320nm波长的紫外光，并记录各波长的吸收截面作为空白对比数据送给计算机，从吸收池的出气口向外排出N₂气；

(5)、再从吸收池的进气口向吸收池充入500ppm的SO₂标准气体；

(6)、而后打开紫外发光二极管，此时紫外光经准直器变成平行光后由入射光纤导向吸收池，紫外光由入射光纤另一端的准直器射出由射入窗口进入吸收池；

(7)、紫外光经吸收池内的SO₂气体吸收衰减后由射出窗口经准直器由出射光纤导向光谱仪，紫外光由出射光纤另一端的准直器射入光谱仪；

(8)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射290-320nm波长的紫外光，并记录各波长的吸收截面，作为SO₂标准气体的数据送给计算机，从吸收池的出气口向外排出SO₂气；

(9)、计算机通过SO₂标准气体的数据和空白对比数据计算出吸收截面最大值的发射波长计为λ₁，这个波长称为峰值波长，附近最小吸收截面的发射波长计为λ₂，这个波长称为峰谷波长；

二、进行SO₂气体浓度的检测：

(10)、先从吸收池的进气口向吸收池充入待测SO₂气体；

(11)、而后打开紫外发光二极管，此时紫外光经准直器变成平行光后由入射光纤导向吸收池，紫外光由入射光纤另一端的准直器射出由射入窗口进入吸收池；

(12)、紫外光经吸收池内的SO₂气体吸收衰减后由射出窗口经准直器由出射光纤导向光谱仪，紫外光由出射光纤另一端的准直器射入光谱仪；

(13)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射波长，并检测峰值波长λ₁和峰谷波长λ₂的紫外光经吸收池内待测SO₂气体吸收衰减后的峰值波长和峰谷波长处的吸收截面计为σ(λ₁)和σ(λ₂)并传输给计算机；

(14)、与光谱仪相连接的计算机通过以下公式计算待测SO₂气体的浓度：

$c=-\frac{R\·T}{N_A\·p}\frac{\ln \left[\frac{P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{P\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\right]}{[\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]\·L}$

其中，C是二氧化硫浓度；R是常数＝8.314J/molK；T是开尔文温度；P是压强，单位为帕；N_A是阿伏加德罗常数＝6.022*10²³mol^-1；λ₁和λ₂分别是峰值波长和峰谷波长；σ(λ₁)和σ(λ₂)分别是峰值波长和峰谷波长处的吸收截面；L是光程。

经检测SO₂气体的峰值波长λ₁为300.09nm，峰谷波长λ₂为301.47nm。

在水处理***中，使用本发明，可以迅速开启、关闭和在不同的分析方法之间转换.它通过取液泵将样品从样品罐泵入进样阀，同时将试剂泵入***，样品进入一个或多个进样阀的样品环，进样阀通过转换用载液将样品环的样品带入管路***，样品和试剂在螺旋式反应盘管中相遇，在层流条件下样品在狭窄的螺旋式反应盘管中得以混合，由计算机软件控制全自动完成每一个样品的整个分析过程，消除了样品的交叉污染，也避免了人为的误差。从而提高整个水质监测***的效率和降低成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为利用本发明检测不同浓度二氧化硫的测量数据列表。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪，包括紫外发光二极管1、吸收池3、光谱仪5和通过USB连接光谱仪5的计算机6，所述吸收池3两侧分别设置有相对应并通透紫外光线的射入窗口304和射出窗口302，吸收池3上还设置有进气口301和排气口303；所述紫外发光二极管1和吸收池3的射入窗口304之间连接有一将紫外发光二极管1发射的紫外光从射入窗口304导入吸收池3的入射光纤2，该入射光纤2的两端分别设置有一个准直器201和202；所述吸收池3的射出窗口302和光谱仪5之间连接有一将射出窗口302射出的紫外光导射向光谱仪5中的线性CCD阵列501的出射光纤4，该出射光纤4的两端也分别设置有一个准直器401和402；其中，射入窗口304和射出窗口302与透射过的紫外光路之间的夹角者为85度。

其中，紫外发光二极管1能发出的波长范围是290-320nm；入射光纤2和出射光纤4的光谱范围是200-1100nm，纤芯直径是900um；光谱仪5的测量范围是200-340nm，光栅刻痕密度是2400mm^-1，分辨率是0.29nm；线性CCD阵列501上共有3648像素，每个像素是8um宽，200um长；吸收池3的射入窗口304和射出窗口302是石英材料，吸收池3的侧面直径是22mm，长度是102.5mm，通光范围是200-2700nm。

基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其分析步骤为：

一、检测SO₂气体的峰值波长和峰谷波长：

(1)、先从吸收池3的进气口301向吸收池3充入N₂气；

(2)、而后打开紫外发光二极管1，此时紫外光经准直器201变成平行光后由入射光纤2导向吸收池3，紫外光由入射光纤2另一端的准直器202射出由射入窗口304进入吸收池3；

(3)、紫外光经吸收池3内的N₂气吸收后由射出窗口302经准直器401由出射光纤4导向光谱仪5，紫外光由出射光纤4另一端的准直器402射入光谱仪5；

(4)、紫外光在光谱仪5内部经准直、焦距、衍射后照射到线性CCD阵列501上，调节紫外发光二极管1发射290-320nm波长的紫外光，并记录各波长的吸收截面作为空白对比数据送给计算机6，从吸收池3的出气口303向外排出N₂气；

(5)、再从吸收池3的进气口301向吸收池3充入500ppm的SO₂标准气体；

(6)、而后打开紫外发光二极管1，此时紫外光经准直器201变成平行光后由入射光纤2导向吸收池3，紫外光由入射光纤2另一端的准直器202射出由射入窗口304进入吸收池3；

(7)、紫外光经吸收池3内的SO₂气吸收衰减后由射出窗口302经准直器401由出射光纤4导向光谱仪5，紫外光由出射光纤4另一端的准直器402射入光谱仪5；

(8)、紫外光在光谱仪5内部经准直、焦距、衍射后照射到线性CCD阵列501上，调节紫外发光二极管1发射290-320nm波长的紫外光，并记录各波长的吸收截面作为SO₂标准气体的数据送给计算机6，从吸收池3的出气口303向外排出SO₂气；

(9)、计算机6通过SO₂标准气体的数据和空白对比数据计算出吸收截面最大值的发射波长300.09nm，这个波长称为峰值波长，附近最小吸收截面的发射波长301.47nm，这个波长称为峰谷波长；

二、进行SO₂气体浓度的检测：

(10)、先从吸收池3的进气口301向吸收池3充入待测SO₂气体；

(11)、而后打开紫外发光二极管1，此时紫外光经准直器201变成平行光后由入射光纤2导向吸收池3，紫外光由入射光纤2另一端的准直器202射出由射入窗口304进入吸收池3；

(12)、紫外光经吸收池3内的SO₂气吸收衰减后由射出窗口302经准直器401由出射光纤4导向光谱仪5，紫外光由出射光纤4另一端的准直器402射入光谱仪5；

(13)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射波长，并检测峰值波长300.09nm和峰谷波长301.47nm的紫外光经吸收池内待测SO₂气体吸收衰减后的峰值波长和峰谷波长处的吸收截面计为σ(λ₁)和σ(λ₂)并传输给计算机；

(14)、与光谱仪相连接的计算机通过以下公式计算待测SO₂气体的浓度：

$c=-\frac{R\·T}{N_A\·p}\frac{\ln \left[\frac{P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{P\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\right]}{[\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]\·L}$

其中，C是二氧化硫浓度；R是常数＝8.314J/molK；T是开尔文温度；P是压强，单位为帕；N_A是阿伏加德罗常数＝6.022*10²³mol^-1；λ₁和λ₂分别是峰值波长300.09nm和峰谷波长301.47nm；σ(λ₁)和σ(λ₂)分别是峰值波长和峰谷波长处的吸收截面；L是光程。

图2为利用本发明检测不同浓度二氧化硫的测量数据列表，可以看出本发明有很好的直线性，直线性是0.999。

以上是对本发明基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪和其工作过程进行了阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其特征在于分析步骤为：

一、检测SO₂气体的峰值波长和峰谷波长：

(1)、先从吸收池的进气口向吸收池充入N₂气；

(2)、而后打开紫外发光二极管，此时紫外光经准直器变成平行光后由入射光纤导向吸收池，紫外光由入射光纤另一端的准直器射出由射入窗口进入吸收池；

(3)、紫外光经吸收池内的N₂气吸收后由射出窗口经准直器由出射光纤导向光谱仪，紫外光由出射光纤另一端的准直器射入光谱仪；

(4)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射290-320nm波长的紫外光，并记录各波长的吸收截面作为空白对比数据送给计算机，从吸收池的出气口向外排出N₂气；

(5)、再从吸收池的进气口向吸收池充入500ppm的SO₂标准气体；

(6)、而后打开紫外发光二极管，此时紫外光经准直器变成平行光后由入射光纤导向吸收池，紫外光由入射光纤另一端的准直器射出由射入窗口进入吸收池；

(7)、紫外光经吸收池内的SO₂气体吸收衰减后由射出窗口经准直器由出射光纤导向光谱仪，紫外光由出射光纤另一端的准直器射入光谱仪；

(8)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射290-320nm波长的紫外光，并记录各波长的吸收截面，作为SO₂标准气体的数据送给计算机，从吸收池的出气口向外排出SO₂气；

(9)、计算机通过SO₂标准气体的数据和空白对比数据计算出吸收截面最大值的发射波长计为λ₁，这个波长称为峰值波长，附近最小吸收截面的发射波长计为λ₂，这个波长称为峰谷波长；

二、进行SO₂气体浓度的检测：

(10)、先从吸收池的进气口向吸收池充入待测SO₂气体；

(11)、而后打开紫外发光二极管，此时紫外光经准直器变成平行光后由入射光纤导向吸收池，紫外光由入射光纤另一端的准直器射出由射入窗口进入吸收池；

(12)、紫外光经吸收池内的SO₂气体吸收衰减后由射出窗口经准直器由出射光纤导向光谱仪，紫外光由出射光纤另一端的准直器射入光谱仪；

(13)、紫外光在光谱仪内部经准直、焦距、衍射后照射到紫外感光元件上，调节紫外发光二极管的发射波长，并检测峰值波长λ₁和峰谷波长λ₂的紫外光经吸收池内待测SO₂气体吸收衰减后的峰值波长和峰谷波长处的吸收截面计为σ(λ₁)和σ(λ₂)并传输给计算机；

(14)、与光谱仪相连接的计算机通过以下公式计算待测SO₂气体的浓度：

$c=-\frac{R\·T}{N_A\·p}\frac{\ln \left[\frac{P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{P\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\right]}{[\mathrm{\σ}({\mathrm{\λ}}_1\·)-\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]\·L}$

其中，C是二氧化硫浓度；R是常数＝8.314J/molK；T是开尔文温度；P(λ₁)和P(λ₂)分别是峰值波长和峰谷波长处的光强；p是压强，单位为帕；N_A是阿伏加德罗常数＝6.022*10²³mol^-1；λ₁和λ₂分别是峰值波长和峰谷波长；σ(λ₁)和σ(λ₂)分别是峰值波长和峰谷波长处的吸收截面；L是光程。

2.根据权利要求1所述的基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其特征在于：所述光纤的光谱范围是200-1100nm，纤芯直径是900um。

3.根据权利要求1所述的基于紫外发光二极管的二氧化硫分析仪，其特征在于：所述光谱仪的测量范围是200-340nm，光栅刻痕密度是2400mm^-1，分辨率是0.29nm。

4.根据权利要求1所述的基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其特征在于：所述紫外感光元件是线性CCD阵列，共3648像素，每个像素是8um宽，200um长。

5.根据权利要求1所述的基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其特征在于：所述吸收池的射入窗口和射出窗口是石英材料，吸收池侧面直径是22mm，长度是102.5mm，通光范围是200-2700nm。

6.根据权利要求1所述的基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其特征在于：所述射入窗口和射出窗口与透射过的紫外光路之间的夹角都为75度至85度或95度至105度。

7.根据权利要求1所述的基于紫外发光二极管的二氧化硫分析方法，其特征在于：所述峰值波长λ₁为300.09nm，峰谷波长λ₂为301.47nm。

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