[发明专利]氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检测方法

摘要

一种氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检测方法，该装置由紫外光源、准直透镜、转轮、气体吸收池、会聚透镜、紫外光纤、光谱仪和计算机组成；解决了两种气体吸收谱线的FFT特征频率处峰值相互干扰的问题。本发明具有无需测量气体吸收截面、计算简单、响应速度快等优点，无需用温度与压强来修正吸收截面，因此成本低，且稳定性好。

主权项

利用氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置检测氨气和二氧化硫气体浓度的方法，该装置由紫外光源(1)、准直透镜(2)、转轮(3)、气体吸收池(4)、会聚透镜(5)、紫外光纤(6)、光谱仪(7)和计算机(8)组成；沿所述的紫外光源(1)发出的紫外光依次是所述的准直透镜(2)、转轮(3)上的氮气参比气室(301)或氨气参比气室(302)、气体吸收池(4)、会聚透镜(5)、紫外光纤(6)，该紫外光纤(6)的输出端连接光谱仪(7)的接收端，该光谱仪(7)的输出端接计算机(8)的输入端；其特征在于该方法包括如下步骤：步骤一、标定：1)在所述的气体吸收池(4)充入氮气，将所述的氮气参比气室(301)通过转轮(3)置于光路中，启动所述的紫外光源(1)和计算机(8)，紫外光源(1)发出紫外光经准直透镜(2)后变成平行光通过高浓度氮气参比气室(301)，入射到气体吸收池(4)，从气体吸收池(4)出射的光经会聚透镜(5)聚焦耦合进紫外光纤(6)输入到所述的光谱仪(7)的接收端，光谱仪(7)输出的数据信号输入所述的计算机(8)，计算机(8)通过软件采集得到背景光强I0(λ)；2)在所述的气体吸收池(4)充入浓度为1000ppm的二氧化硫气体，将所述的氨气参比气室(302)通过转轮(3)置于光路中，紫外光源(1)发出紫外光经准直透镜(2)后变成平行光通过高浓度氨气参比气室(302)，入射到气体吸收池(4)，从气体吸收池(4)出射的光经会聚透镜(5)聚焦耦合进紫外光纤(6)输入到所述的光谱仪(7)的接收端，光谱仪(7)输出的数据信号输入所述的计算机(8)，计算机(8)通过软件采集得到气体吸收后的光强I1(λ)；3)计算机(8)对数据信号进行计算处理，选取195～225nm的光谱数据，根据Beer‑Lambert定律：I1(λ)＝I0(λ)exp(‑σ(λ)CL)，σ(λ)为吸收截面，C为气体浓度，L为吸收长度，得到吸收度其中i表示气体组分；由于待测对象多为混合气体和颗粒的混合物，所以存在水蒸气的吸收、CCD的响应、米氏散射、瑞利散射因素的影响，因而吸收度分为差分吸收度D′1(λ)和慢变D″1(λ)两部分：D1(λ)＝D′1(λ)+D″1(λ)D1′(λ)=LΣiσi′(λ)Ci,]]>D1′′(λ)=Σi[σib(λ)Ci+ϵR(λ)+ϵM(λ)]L,]]>其中εR、εM分别表示瑞利散射系数和米氏散射系数，σ′1是随波长快速变化的窄带吸收截面，σib是随波长缓慢变化的宽带吸收截面；对由195～225nm的光谱数据计算得到的吸收度D1(λ)进行五阶多项式拟合，得到拟合系数a1、b1、c1、d1、e1、f1，吸收度慢变部分表示为：D″1(λ)＝a1λ5+b1λ4+c1λ3+d1λ2+e1λ+f1，差分吸收度D′1(λ)＝D1(λ)‑D″1(λ)，对具有准周期性规律的差分吸收度D′1(λ)进行傅里叶变换，得到二氧化硫气体的特征峰值4)重复步骤2)、3)，所不同的是在所述的气体吸收池(4)依次充入浓度为1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000ppm的二氧化硫气体，分别得到二氧化硫气体的特征峰值5)用最小二乘法对二氧化硫气体的特征峰值与二氧化硫的气体浓度进行拟合，得到拟合系数m1、n1，6)重复步骤2)、3)，所不同的是在所述的气体吸收池(4)充入浓度分别为2、4、6、8、10、12、14、16、18、20ppm的氨气以及1000ppm的二氧化硫混合气体，用最小二乘法对氨气的特征峰值与氨气浓度进行线性拟合，得到拟合系数m2、n2，所述的氨气浓度7)重复步骤6)，所不同的是二氧化硫的浓度依次换成1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000ppm，得到不同二氧化硫浓度下的氨气的特征峰值与氨气浓度拟合公式，所述的拟合系数m2与二氧化硫浓度近似三次函数关系，通过三次拟合得到拟合系数p1、p2、p3、p4，所述的拟合系数n2与二氧化硫浓度近似线性关系，通过拟合得到系数q1、q2，所述的拟合系数步骤二、测量：1)重复步骤一中的2)、3)，所不同的是在所述的气体吸收池(4)充入待测氨气和二氧化硫混合气体，得到经氨气参比气室、待测氨气和二氧化硫混合气体吸收后的光强I2(λ)，计算机对光谱仪传输的数据信号进行计算处理，得到波长为195～225nm的经氨气参比气室和氨气、二氧化硫混合气体吸收的吸收度D2(λ)，D2(λ)＝D′2(λ)+D″2(λ)，对由195～225nm的光谱数据计算得到的吸收度D2(λ)进行五阶多项式拟合，D″2(λ)＝a2λ5+b2λ4+c2λ3+d2λ2+e2λ+f2，得到拟合系数a2、b2、c2、d2、e2、f2，差分吸收度D′2(λ)＝D2(λ)‑D″2(λ)，对具有准周期性规律的差分吸收度D′2(λ)进行傅里叶变换，得到待测二氧化硫气体的特征峰值通过下式计算二氧化硫气体浓度CSO2=m1FSO2+n1;]]>2)重复步骤二中的1)，所不同的是：转轮转动180°，切换到氮气参比气室(301)，得到待测氨气和二氧化硫混合气体吸收后的光强I3(λ)，计算机对光谱仪传输的数据信号进行计算处理，得到波长为195～225nm的经氮气参比气室和氨气、二氧化硫混合气体吸收的吸收度D3(λ)，D3(λ)＝D′3(λ)+D″3(λ)，对由195～225nm的光谱数据计算得到的吸收度D3(λ)进行五阶多项式拟合，D″3(λ)＝a3λ5+b3λ4+c3λ3+d3λ2+e3λ+f3，得到拟合系数a3、b3、c3、d3、e3、f3，差分吸收度D′3(λ)＝D3(λ)‑D″3(λ)，对具有准周期性规律的差分吸收度D′3(λ)进行傅里叶变换，得到氨气气体的特征峰值通过下式计算氨气的浓度CNH3=m2FNH3+n2.]]>