CN106290208A - 一种臭氧浓度测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种臭氧浓度测定装置，包括紫外光发射装置、待测气室、紫外光探测装置，其中所述紫外光发射装置发出的紫外光射入所述待测气室的入射口，所述待测气室的出射口的出射光会聚后照射到所述紫外光探测装置上，在所述紫外光探测装置的前端光路上设有消杂光装置，所述消杂光装置的中心具有透光孔，并且所述透光孔设置在主光轴上。本发明解决现有技术光源稳定时间长、启动电压高、光能利用率低、光能衰减快的问题。同时提高气室光程的稳定性，提高抗污染能力，提高抗杂散光的能力。
Description
技术领域
本发明涉及臭氧浓度检测设备领域，具体的说一种臭氧浓度测定装置，特别是一种用于检测臭氧浓度的紫外光度计。
背景技术
臭氧是大气中化学性质活泼的微量气体，具有强氧化性、温室效应以及紫外吸收特性，对气候、生态、环境等具有重要意义和影响。臭氧也是城市环境空气中最为重要的二次污染物之一，是酸雨、光化学烟雾、大气能见度下降等污染现象的主要成因之一，还会对人体造成严重危害。臭氧已经成为发达国家空气质量监测的必测项目。近几年臭氧也成为国内部分城市的首要污染物，臭氧的监测已经受到广泛关注。
目前市面上用于环境臭氧测定的臭氧分析仪主要有：(1)美国Thermo公司的49i型臭氧分析仪、(2)美国API公司的400系列臭氧分析仪、(3)澳大利亚ECO公司的UV100系列臭氧分析仪、(4)美国2B公司的106、202、205、211系列臭氧分析仪。这些产品在国内也有大量使用，特别是Thermo公司和API公司的产品，已成为国内臭氧监测的标准参考产品。上述产品均采用紫外光度法，紫外光度法也是我国环境空气臭氧测定的标准方法之一。
紫外光度法是利用臭氧分子在波长在254nm处具有最大吸收值的特性，结合比尔-朗伯定律计算样气中臭氧的浓度，具有测定简便、迅速、抗干扰能力强的优点。目前用于臭氧测定的紫外光度计主要采用汞灯作为光源，光源光束从玻璃管气室的一端入射，在玻璃管气室中交替通入去除臭氧的参比气体和含有臭氧的样气，在玻璃管气室的另一端采用光电探测器来采集透过的光信号，通过对两种情况下采集的信号进行处理计算出臭氧浓度。现有的用于臭氧测定的紫外光度计存在如下问题：
(1)采用低压汞灯作为光源，需要较长的预热稳定时间，需要上千伏的启动电压，光源发光向四周发散使得能量利用率低，光能会随使用时间的加长而衰减，影响设备的寿命。
(2)光源发出的光束直接透过石英窗片进入玻璃管气室，这种方式中光束自由进入气室，只有少量光直接到达探测器，大多数光会在气室壁上反射，这样会使得透过气室的光束光程不统一，造成测量结果发生偏差。
(3)气室抗污染能力差，当前端预处理部分对被测气体处理不彻底时，水分或颗粒物沉积在气室壁上造成气室壁反射特性变化，会对测量结果造成很大影响。
(4)光电探测器直接探测通过气室并透过石英窗片的光束，这种探测方式会受到杂散光干扰，使得探测的信噪比下降。
(5)光电探测器感光面前需要加一片紫外干涉滤光片，滤光片的透过率较低，会对光能造成很大衰减，降低信噪比。
如图1所示为现有紫外光度法臭氧分析仪中紫外光度计的原理图。低压汞灯11发出的光束12部分透过前端石英窗片13进入玻璃管气室14，穿过玻璃管气室14的光束透过后端石英窗片15后再经过254nm窄带滤光片16，经窄带滤光片16过滤的光束到达紫外光电探测器17。进入玻璃管气室14的被测气体会对气室的中光束产生吸收，利用紫外光电探测器17采集的光电信号可计算出气体浓度。现有的用于臭氧测定的紫外光度计存在如下问题：
(1)低压汞灯11需要较高的启动电压(上千伏)，对驱动电路要求较高；稳定时间长，需要数十分钟的预热才能够稳定；光束12发散，能量利用率低；随着使用时间的加长，能量会加速衰减，造成稳定性下降，需要频繁标定。
(2)前端石英窗片13为平面玻璃板，只起到透光和密封的作用，光束在气室中处于自由传播状态，会在气室壁上发生多次反射，不同入射角的光束状态不一致，造成每束光的光程不一致。
(3)由于很大比例的光束会在玻璃管气室14内壁上发生反射，如果气室壁上存在水蒸气或颗粒物污染时，会造成很大的反射衰减，造成测量信号的不稳定。
(4)后端石英窗片15也仅起到了透光和密封作用，对光束的调整没有贡献，较大出射角的光束将达到不了紫外光电探测器17。
(5)由于低压汞灯11有多条波长的谱线，所以需要增加窄带滤光片16，只允许254nm的光透过，一般窄带干涉滤光片的透过率较低，只有20％左右，所以窄带滤光片会使能量大大降低。上述现有方案造成光能利用率低，杂散光大，为了提高检测能力，采取的方法是增大光源功率，增加气室长度，增加数据处理的平均时间，这样会造成设备体积大、功耗高、响应慢。
上述问题使得现有紫外光度计探测能力受限，需要采用较大的光源功率、较长的气室光程和较大的体积来弥补上述缺陷，从而提高臭氧检测能力，这也是造成现有设备体积大、功耗高、响应慢的主要原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种臭氧浓度测定装置，以减少气室壁反射光干扰，提高信噪比。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种臭氧浓度测定装置，包括紫外光发射装置、待测气室、紫外光探测装置，其中所述紫外光发射装置发出的紫外光射入所述待测气室的入射口，所述待测气室的出射口的出射光会聚后照射到所述紫外光探测装置上，在所述紫外光探测装置的前端光路上设有消杂光装置，所述消杂光装置的中心具有透光孔，并且所述透光孔设置在主光轴上。
优选地，所述消杂光装置与所述待测气室出射口之间的距离大于所述消杂光装置与所述紫外光探测装置之间的距离。
优选地，所述消杂光装置为光阑。
优选地，所述透光孔为圆形或方形。
优选地，所述待测气室为筒形结构，并且所述待测气室的壁上设有进气孔和出气孔。
优选地，所述进气孔和所述出气孔位于所述待测气室的两端。
优选地，在所述待测气室的入射口设有投影透镜，在所述待测气室的出射口设有会聚透镜，所述紫外光发射装置设置在所述投影透镜的焦点位置，所述紫外光探测装置设置在所述光阑的后方。
优选地，所述投影透镜、所述会聚透镜与所述待测气室采用密封连接。
优选地，所述紫外光发射装置为紫外LED灯。
进一步优选地，所述紫外LED灯顶端集成球状会聚透镜，中心波长为254nm且以脉冲方式工作的窄带深紫外LED。
本发明解决现有技术光源稳定时间长、启动电压高、光能利用率低、光能衰减快的问题。同时提高气室光程的稳定性，提高抗污染能力，提高抗杂散光的能力。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为现有的用于臭氧测定的紫外光度计的原理图。图中11为低压汞灯灯泡，12为低压汞灯灯泡发出的光束，13为前端石英窗片，14为玻璃管气室，15为后端石英窗片，16为254nm窄带滤光片，17为紫外光电探测器。
图2为本发明提出的一种臭氧浓度测定装置的原理图。图中21为紫外LED，22为紫外LED发出的光束，23为投影透镜，24为玻璃管气室，25为杂散光，26为会聚透镜，27为消杂光光阑，28为紫外光电探测器。
图3为紫外LED的光谱功率分布示意图。
图4为紫外LED光源的封装示意图。
图5为紫外LED的发光角度示意图。
具体实施方式
如图2-5所示,本发明提供了一种臭氧浓度测定装置，包括紫外光发射装置、待测气室、紫外光探测装置，其中所述紫外光发射装置发出的紫外光射入所述待测气室的入射口，所述待测气室的出射口的出射光会聚后照射到所述紫外光探测装置上，在所述紫外光探测装置的前端光路上设有消杂光装置，所述消杂光装置的中心具有透光孔，并且所述透光孔设置在主光轴上。
其中,所述紫外光探测装置为紫外光电探测器,所述的紫外光电探测器可为在光源发光谱段具有良好光谱响应的光电探测器，优选为紫外增强型光电二极管探测器。
所述消杂光装置与所述待测气室出射口之间的距离大于所述消杂光装置与所述紫外光探测装置之间的距离。
所述消杂光装置为光阑。紫外光电探测器放置在最后一片消杂光光阑的后方。
其中,光阑为中心开孔的薄金属片，开孔可为方孔或圆孔，消杂光光阑放置在会聚透镜后方光束截面最小处。光阑可有两个或两以上相互相隔一段距离的中心开孔的薄金属片组成，形成多级消杂光。
所述透光孔为圆形或方形。
所述待测气室为筒形结构，并且所述待测气室的壁上设有进气孔和出气孔。
所述进气孔和所述出气孔位于所述待测气室的两端。
在所述待测气室的入射口设有投影透镜，在所述待测气室的出射口设有会聚透镜，所述紫外光发射装置设置在所述投影透镜的焦点位置，所述紫外光探测装置设置在所述光阑的后方。
所述投影透镜、所述会聚透镜与所述待测气室采用密封连接。
其中,投影透镜为具有会聚功能的凸透镜，采用的材料在深紫外谱段有良好透过率，并且具有耐腐蚀、不吸附气体的特性，优选采用JGS1石英玻璃材料。
所述的会聚透镜为凸透镜，采用的材料在深紫外谱段有良好透过率，并且具有耐腐蚀，不吸附气体的特性，优选采用JGS1石英玻璃材料。
所述紫外光发射装置为紫外LED灯。
其中,紫外LED采用中心波长为254nm的窄带深紫外LED，顶端集成球状会聚透镜，紫外LED以脉冲方式工作，提高使用寿命并降低平均功耗。
本发明解决现有技术光源稳定时间长、启动电压高、光能利用率低、光能衰减快的问题。同时提高气室光程的稳定性，提高抗污染能力，提高抗杂散光的能力。
为了让本领域技术人员更清楚本发明的创造宗旨,下面结合附图并以一具体实施例进行阐述:
如图2所示,光源采用紫外LED 21，紫外LED 21发出的光束经投影透镜23进入玻璃管气室24，经投影透镜23后的紫外光束接近准直状态，大部分直接通过玻璃管气室24到达会聚透镜26，透过会聚透镜26的光束快速会聚，在会聚光束截面最小处放置消杂光光阑27，消杂光光阑27为薄金属片，中央开孔，开孔可为圆形或方形。控制消杂光光阑27的大小，使得只有未经玻璃管气室24内壁反射的光束通过消杂光开孔。透过消杂光光阑27的光束可到达紫外光电探测器28。图中25为一束杂散光的示意图，杂散光可能是非光源发出的光或经玻璃管气室24内壁反射过的光束，杂散光25经会聚透镜26后会被消杂光光阑27阻挡，无法到达探测器。通过加入会聚透镜26和消杂光光阑27，不仅能提高光能利用率还可以有效抑制杂散光，到达探测器的光都未经玻璃管气室24内壁反射，从而气室内壁的污染不会对测量造成干扰，有效地提高了测量的准确性和稳定性。紫外LED 21具有发光效率高、发热量小、瞬间发光，因此驱动电路相对简单，并且可以以脉冲模式工作，可有效提高响应时间和增加使用寿命。
如图3所示,图3为所选紫外LED的光谱功率分布，其中心波长为254nm，整个光谱能量都在臭氧的特征吸收范围内，因此光能使用效率很高。由于没有其它无效光谱成分，所以在紫外光电探测器28之前无需增加紫外窄带干涉滤光片，常用紫外窄带干涉滤光片峰值透过率只有20％左右，取消紫外窄带滤光片可有效提高***的光能利用率。
如图4所示,图4为本方案选择的紫外LED的封装形式示意图，在紫外LED的顶端集成球状会聚透镜，可以使得光源光束发散角很小.
如图5所示,图5为光源光束发散角示意图，70％以上的能量能集中在±7°之内，95％以上的能量集中在±15°之内。较小的发散角再加上采用了投影透镜，使得光源发出的光束几乎都成为有用光，加大提高了光能的利用率。在相同测定指标的条件下，可以使光源功率更低、气室更短，从而有效减小设备的功耗和体积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用中心波长为254nm的小发光角度的紫外LED，并且以脉冲方式工作，具有体积小、发光效率高、光能利用率高、功耗小、启动电压低、瞬间稳定、寿命长的优点。
(2)采用透镜对光源光束进行调理，进一步缩小光束发散角一方面提高光能的利用率，另一方面减少气室壁反射光干扰，提高信噪比。
(3)消除了气室壁污染导致的反射率下降对测量结果的影响。
(4)采用会聚透镜并增加消杂光光阑，有效抑制杂散光，降低干扰，使得光程更加准确，测量结果信噪比更高。
(5)无需在光路中使用紫外窄带干涉滤光片，提高了光能利用率和信噪比，在相同测量精度要求的情况下进一步缩短光程，使得体积更小，更有利于将仪器小型化。
最后应说明的是：以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种臭氧浓度测定装置，包括紫外光发射装置、待测气室、紫外光探测装置，其中所述紫外光发射装置发出的紫外光射入所述待测气室的入射口，所述待测气室的出射口的出射光会聚后照射到所述紫外光探测装置上，其特征在于，在所述紫外光探测装置的前端光路上设有消杂光装置，所述消杂光装置的中心具有透光孔，并且所述透光孔设置在主光轴上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述消杂光装置与所述待测气室出射口之间的距离大于所述消杂光装置与所述紫外光探测装置之间的距离。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述消杂光装置为光阑。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述透光孔为圆形或方形。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述待测气室为筒形结构，并且所述待测气室的壁上设有进气孔和出气孔。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述进气孔和所述出气孔位于所述待测气室的两端。
7.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于，在所述待测气室的入射口设有投影透镜，在所述待测气室的出射口设有会聚透镜，所述紫外光发射装置设置在所述投影透镜的焦点位置，所述紫外光探测装置设置在所述光阑的后方。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述投影透镜、所述会聚透镜与所述待测气室采用密封连接。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述紫外光发射装置为紫外LED灯。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述紫外LED灯顶端集成球状会聚透镜，中心波长为254nm且以脉冲方式工作的窄带深紫外LED。
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