CN103674915A - 一种荧光反应检测器以及使用该反应检测器的二氧化硫自动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光反应检测器以及使用该反应检测器的二氧化硫自动监测装置，它包括装设在反应室一端的氙灯光源，氙灯光源与反应室间依次装设有双凸透镜、滤光片、平凸透镜和光阑，在反应室上设置有光电倍增管，光电倍增管与反应室间设置有双凸透镜。二氧化硫自动监测装置包括机箱内的荧光检测器、除烃器、粒子过滤器、真空泵、传感器、数据采集传输装置，粒子过滤器出口经三通阀后通经除烃器的内管接荧光检测器的进气口，荧光检测器出气口依次经传感器和除烃器外管后接真空泵入口，粒子过滤器入口接采样口，传感器与数据采集传输装置电连接。本发明能检测微弱的SO₂反应的荧光信号，光源寿命长，稳定性好，能实现SO₂气体浓度值的准确测量。

Description

一种荧光反应检测器以及使用该反应检测器的二氧化硫自动监测装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测微弱荧光信号的检测器以及使用该检测器监测空气中二氧化硫气体浓度的监测装置，属于大气监测设备技术领域。

背景技术

随着社会经济的高速增长，城市化水平不断提高，环境空气污染特征发生了显著变化，区域性大气污染问题日趋严重，灰霾、光化学烟雾和酸雨等复合型大气污染问题较为突出，影响人体健康和生态安全，乃至社会经济的和谐发展。

SO₂是环境空气中的主要污染成分，是各级环境监测站对城市空气环境质量评价的重要监测项目。在中国环保局规定的6种标准污染物中，SO₂已成为第一大污染物。它分布范围广，主要来源于煤、石油燃烧和含硫化合物等，其危害已很严重。

SO₂ 对人体健康的影响主要表现在呼吸***疾病，严重者导致人和动物的死亡率增加等；对植物的影响主要表现为对植物内部生理活动的抑制作用，影响植物的生长发育及叶面伤害等方面。此外还对金属材料造成腐蚀，使建筑材料出现瘢痕失去光泽。

因此，对于SO₂的监测已成为空气质量监测的常规任务，目前市面上使用的SO₂自动监测仪器主要用于城市环境空气质量浓度的监测，体型较大，运行条件苛刻，灵敏度也较差，一般在10^-6，难于应用在背景、山区、极地等二氧化硫浓度很低的地区。

国外仪器厂商主要有美国THERMO-FISHER、美国API、澳大利亚ECOTECH、法国ESA等公司；国产仪器厂商有先河环保科技股份有限公司、武汉天虹、中晟泰科等。大部分厂家的SO₂自动监测仪的工作原理是非脉冲的紫外荧光法，采用的紫外灯为锌灯，其光强衰减快，寿命较短，仪器维护量大，价格高；美国THERMO-FISHER采用的原理为紫外脉冲荧光法，紫外灯采用脉冲氙灯，其光源寿命长，但其光路部分需要采用4个反射镜，光路复杂，且成本较高。

发明内容

本发明提供一种荧光反应检测器，即采用脉冲式光电倍增管检测微弱的SO₂反应的荧光信号，减少荧光猝灭的反应检测器以及使用该反应检测器的二氧化硫自动监测装置。

解决上述技术问题的技术方案是：

这种用于检测微弱荧光信号的检测器其特征在于它包括装设在管状反应室一端的脉冲式氙灯光源，脉冲式氙灯光源与管状反应室间还依次装设有与反应室相通的双凸透镜、滤光片、平凸透镜和光阑，在对应光阑一侧的管状反应室上设置有光电倍增管，光电倍增管与反应室间设置有双凸透镜。

所述反应室内壁涂覆有防腐蚀涂层。

所述反应室端部设置一锥形管。

使用这种荧光反应检测器的二氧化硫自动监测装置其特征在于它包括装设于机箱内的荧光检测器、除烃器、粒子过滤器、真空泵、传感器、电源、无线远程数据采集传输装置，机箱采样口接粒子过滤器入口，粒子过滤器出口经三通阀后依次通经除烃器的内管接荧光检测器的进气口，荧光检测器出气口依次经传感器和除烃器外管后接真空泵入口，真空泵出口与机箱上的排气口相接，传感器与无线远程数据采集传输装置电连接。

由于SO₂在近紫外区主要有（190～230）nm，（250～320）nm，（340～390）nm共3个吸收区，SO₂在波长220.6nm激发光激发后的激发态的寿命比较长，发出的荧光不易被氮气、氧气及其它污染物淬灭，此时荧光光谱范围在（240～420）nm范围内，在330nm附近有较大荧光发射区，大气中SO₂浓度测量的波长最好选择在（190～230）nm范围内，该区域具有强吸收、最小淬灭和最大荧光系数，因此选择220nm的滤光片。紫外光源选择脉冲氙灯，可以延长光源的寿命。

本发明的工作原理为紫外脉冲荧光法，脉冲氙灯发出紫外光，经过滤光片和光阑将220nm的光聚焦到SO₂反应室，样气中的SO₂吸收紫外光产生能级跃迁，SO₂从基态变为激发态，激发态SO₂不稳定，瞬间返回基态，发射出中心波长为330nm的荧光，荧光的强度和SO₂浓度成正比，光电倍增管将光信号转变成电信号，从而测出SO₂的浓度。为了消除光路波动造成的测量误差，光路中采用两路监测，一路作为样气光路测量所激发的荧光强度，另一路作为参比光路监测氙灯光源的变化，对光源变化进行自动补偿。

具体的反应式如下所示：

SO₂+hυ1→ SO₂*

***中任何一点的紫外光强可以表示如下： 

                      Ia=Io(exp(-ax(SO₂)))

其中：Io—紫外灯发光强度，a—SO₂吸收系数，x—代表路径长度，（SO₂）—代表吸收的SO₂浓度值。

激发态的SO₂分子衰变，返回到低能态，发出特征荧光。可表示为：

                       SO₂* → SO₂+hυ2

当SO₂浓度较低，激发光程较短并且背景是空气，上式可缩写为：

                       F=k（SO₂）

由上式可看出：照射到光电倍增管上的荧光强度与SO₂浓度成正比。

本发明的有益效果是：

本发明结构的这种荧光反应检测器采用脉冲式光电倍增管能够检测微弱的SO₂反应的荧光信号，且光源的寿命长，检测器的稳定性能好，同时利用该检测器的SO₂自动监测装置能够实现SO₂气体浓度值的准确测量，为环境监测部门提供准确的数据，为大气污染防治工作提供参考。检测器部件体积小，使整个SO₂自动监测装置具有结构简单、体型小的特点，且运行周期长，测量范围宽、灵敏度高，可达10^-9，性能稳定，能够广泛运用于城市环境、背景站、山区、极地等区域SO₂气体浓度的连续在线监测，比现有设备能够节省仪器成本，延长仪器的维护时间，减少维护工作量，节省维护费用。

附图说明

图1是本发明荧光反应检测器结构示意图。

图2 为图1 的剖视结构示意图。

图3是本发明二氧化硫自动监测装置结构示意图。

图1～3中标号如下：1.氙灯光源；2.滤光片座；3.光电倍增管；4.光电管检测器；5.出气口；6.反应室；7.进气口；8.光阑座；9.双凸透镜；10.滤光片；11.平凸透镜；12.光阑；13.双凸透镜；14.锥形管；15.滤光片；16.除烃器；17.荧光反应检测器；18.传感器；19.机箱；20.真空泵；21.粒子过滤器；22.数据采集传输装置；23.电源；24.采样口；25.排气口；26.校准口；27.三通阀。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明用于检测微弱荧光信号的检测器包括装设在管状反应室6一端的脉冲式氙灯光源1，脉冲式氙灯光源1与管状反应室6间依次装设有与反应室6相通的双凸透镜9、滤光片10、平凸透镜11和光阑12，在对应光阑12一侧的管状反应室6上部设置有光电倍增管3，光电倍增管3为数字信号输出的光电倍增管，其信噪比高，无需制冷，不易受环境温度的影响。光电倍增管3与反应室6间依次设置有双凸透镜13和滤光片15，反应室6内壁涂覆有防腐蚀涂层。氙灯光源1与装设滤光片10的滤光片座2固连，氙灯光源1的光经过双凸透镜9的汇聚、滤光片10滤光及光阑座2上的光阑12，将紫外光汇聚（避免发散光束进入），照射在反应室6的腔体内，由光电倍增管3检测SO₂反应时产生的荧光，荧光强度与SO₂的浓度大小成正比。在反应室6腔体内，光电倍增管3的垂直方向安装的光电管检测器4检测氙灯的参比光。反应室6内端部设置一锥形管14，用以消除荧光对光电管的影响，并防止氙灯1发出的光反射到光电倍增管3的窗口。

如图1～3所示，使用上述荧光反应检测器的二氧化硫自动监测装置包括装设于机箱19内的荧光检测器18、除烃器16、粒子过滤器21、真空泵20、传感器18、电源23、无线远程数据采集传输装置22，其中除烃器16用于涤除样气中含烃类物质，粒子过滤器21用于滤除空气中的颗粒物。机箱19上的采样口25接粒子过滤器21的入口，粒子过滤器21出口经三通阀27后通经除烃器16的内管接荧光反应检测器17的进气口7，荧光检测器17的出气口5依次经传感器18和除烃器16外管后接真空泵20的入口，真空泵20出口经管路后与机箱19上的排气口25相接，传感器18与无线远程数据采集传输装置22电连接。

样气首先在真空泵20的抽力作用下经过粒子过滤器21进入除烃器16的内管，含烃类物质经过除烃器16的内管时，在内外压差的作用下被排到外管，再经管路由排气口25排出，其余样气进入反应室6腔体进行荧光反应，此时氙灯光源1发出的185～2000nm的紫外光经过双凸透镜9变成平行光，再依次经过214nm的滤光片10的滤光和平凸透镜11的汇聚，通过光阑12去除杂散光后，有效光线在反应室6内激发SO2分子产生荧光，该荧光被其垂直方向的双凸透镜13汇聚后，再经过光电倍增管3与双凸透镜13间的360nm的滤光片15的滤光后，被光电倍增管3接收，光电倍增管3根据SO2浓度的变化产生相应的电信号经由无线远程数据采集传输装置22采集输出，反应后的气体在真空泵20作用下依次经由出气口5、除烃器16外管，经排气口25排出，校准口26用于通入已知浓度的标准气后对仪器进行定期校准。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明，本专业普通技术人员或一般技术人员除依据本发明所公开的实施方式外还可采取其它各种实现方式，凡依据本发明内容所作的简单或等效替换、变化或修饰，都应理解在本发明的范围内，受本发明权利要求的限制。

Claims (4)

1.一种荧光反应检测器，其特征在于它包括装设在管状反应室一端的脉冲式氙灯光源，脉冲式氙灯光源与管状反应室间还依次装设有与反应室相通的双凸透镜、滤光片、平凸透镜和光阑，在对应光阑一侧的管状反应室上设置有光电倍增管，光电倍增管与反应室间设置有双凸透镜。

2.根据权利要求1所述的荧光反应检测器，其特征是所述反应室内壁涂覆有防腐蚀涂层。

3.根据权利要求1所述的荧光反应检测器，其特征是所述反应室端部设置一锥形管。

4.一种使用荧光反应检测器的二氧化硫自动监测装置，其特征在于它包括装设于机箱内的荧光检测器、除烃器、粒子过滤器、真空泵、传感器、电源、无线远程数据采集传输装置，机箱采样口接粒子过滤器入口，粒子过滤器出口经三通阀后依次通经除烃器的内管接荧光检测器的进气口，荧光检测器出气口依次经传感器和除烃器外管后接真空泵入口，真空泵出口与机箱上的排气口相接，传感器与无线远程数据采集传输装置电连接。

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