紫外光谱气体分析仪性能影响因素研究

封　沛

(重庆川仪分析仪器有限公司，重庆 400060)



紫外光谱气体分析仪性能影响因素研究

封沛

(重庆川仪分析仪器有限公司，重庆 400060)

介绍了紫外光谱气体分析仪的基本原理和结构，着重从温度对气体自身性质的影响以及对光谱仪的影响两方面出发，分析了如何消除温度对仪器测量不准确的影响，总结了今后的研发路径。

紫外光谱吸收截面温度

1　引言

国家环境保护规划提出持续加大减排力度，要求现役或新建电力燃煤机组，钢铁烧结机，石化、有色、建材等行业的工业窑炉，其他燃煤锅炉，实施低氮燃烧技术、安装脱硫脱硝设施，装置运行必须监测SO2、NO。随着脱硫、脱硝标准大幅提高，需要性能更高的监测产品。目前，国际上SO2、NO监测技术主要有非分散红外(NDIR)和紫外(UV)。但NDIR技术背景干扰大，灵敏度不高，很难满足监测新要求。本文研究的紫外光谱分析仪基于特征吸收，传感系统由光源、气室、光谱仪组成，全光谱信号采集并结合分析算法，可有效降低背景交叉干扰、光学元件稳定性影响，结构紧凑、可靠，非常适合烟气监测。

2　仪器原理

紫外光谱气体分析仪的理论基础是Lambert-Beer定律，其数学表达式是：

H(λ)=I0(λ)exp[-Lσ(λ)c]

(1)

式中I0(λ)指光源发出的初始光强，I(λ)指通过光程为L的物质后的光强，c指被测气体的浓度，σ(λ)为波长λ处的吸收截面[1]。

气体浓度可由式(2)计算：

c=ln[l0(λ)/I(λ)]/[Lσ(λ)]

(2)

在实际测量中，光程中不仅存在气体吸收光强，同时还包括瑞利散射εR(λ)和米散射εM(λ)引起的消光，因此气体吸收光强诮按照修改的Lambert-Beer定律计算：

I(λ)=I0(λ)exp{-L[∑i(σi(λ)ci)+εR(λ)+εM(λ)]}

(3)

在气体测量中,瑞利散射和米散射引起光强随波长而缓慢变化，而分子吸收引起光强随波长快速变化，用高通滤波的方法能消除缓慢变化。

为消除瑞利散射和米散射的影响，可以将吸收截面σ(λ)分成两部分：

(4)

式(3)可简化为：

(5)

式中I′0(λ)为不包含差分吸收时的光强[2]。

最终得到差分的Lambert-Beer定律：

(6)

定义D′(λ)为差分光学密度，则由此可计算出吸收气体的浓度[3]。

3　仪器结构

本文研究的紫外光谱气体分析仪结构如图1所示。

图1　紫外光谱气体分析仪结构示意图

光源发出的紫外光汇聚进入光纤，通过光纤传输到气体室，穿过气体室时经被测气体吸收后，通过光纤传输到光谱仪。在光谱仪内部经过光栅分光，由阵列传感器将分光后的光信号转换为电信号，获得气体的连续吸收光谱信息。

4　温度对仪器性能的影响

4.1温度对待测气体自身性质的影响

待测气体的吸收截面易受温度影响而发生改变，图2给出了在20℃和70℃的二氧化硫吸收光谱数据，分析可知，在同一气体浓度下，二氧化硫吸收光谱随着温度的改变发生了变化，具体表现在随着温度的升高，二氧化硫差分吸收截面变小。在计算二氧化硫气体浓度的时候，为了消除温度对于气体测量的影响，必须找出吸收截面随温度变化的规律。在实验测试当中，测量室中充入一定浓度的二氧化硫气体，固定二氧化硫气体浓度，通过控温装置改变气体温度，气体温度和光谱数据通过温度探测器和光谱仪实时采集，最后得到温度与吸收截面的对应关系，测量到的吸收截面随着温度的升高而减小，在一定范围内成线性规律。为了验证其他浓度的气体是否符合这个规律，分别测量了10种不同浓度的气体吸收截面对温度的变化情况，结果表明不同浓度气体吸收截面随温度变化是一致的。

在实际测量中，可以将不同温度的吸收截面都可以转化成零摄氏度下的吸收截面，建立零摄氏度下吸收截面与浓度的关系既得到不同温度下的气体浓度。

为了验证上述方法是否可以消除温度的影响，实验把的二氧化硫气体充入到测量室，通过控温装置改变气体温度，得到的修正后二氧化硫气体浓度与温度的关系，测量得到的二氧化硫气体浓度在一定范围内波动，并没有因为温度的变化而引起浓度测量值很大的变化。

图2　20℃和70℃的二氧化硫吸收光谱图

4.2温度对光谱仪的影响

光谱仪的性能对待测气体吸收光谱特征有很大的影响，其中光谱仪的分辨率表现的尤其明显。在温度发生变化的情况下光谱仪的性能会发生改变，这种变化反应在吸收光谱技术上是吸收光谱发生了改变。图3给出了光谱仪在20℃、25℃和30℃下相同浓度二氧化硫的吸收光谱，从图3中可以看出在光谱仪温度不同时，二氧化硫的吸收光谱有明显的变化。

在实验测试中，将测量室中充入某一浓度的二氧化硫气体，保持测量室内气体温度稳定，通过控温装置改变光谱仪的温度。在光谱仪不同温度条件下记录二氧化硫吸收光谱。为了研究吸收截面随光谱仪温度变化的情况，实验在测量室内充入固定浓度的二氧化硫气体，并且利用温度控制器缓慢改变光谱仪的温度，在温度改变过程中实时记录温度和对应的吸收截面，吸收截面随光谱仪温度的变化而改变，这种变化并非是线性规律，在常温下，吸收截面比较大，说明在这个温度下光谱仪具有最高的分辨率，这个温度范围之外分辨率会降低，导致得到的吸收截面变小。

图3　光谱仪在不同温度下的二氧化硫的吸收光谱

在实际应用中为了消除因为光谱仪所处环境温度的变化引起气体浓度测量的不准确，在仪器内部设计了一恒温箱，可以确保将光谱仪处于一恒定温度情况下，从而实现浓度测量的准确性。

5　结论

温度是影响紫外光谱气体分析仪测量准确性的重要因素之一，现在主要手段有使用修正算法和恒温控制来消除温度对仪器性能的影响，如何消除温度对紫外光谱气体分析仪性能的影响仍然是未来研发的路径。

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Research on factors affecting the performance of ultraviolet spectrum gas analyzer.

Feng Pei

(Chongqing Chuanyi Analyzer Co.,Ltd.,Chongqing 400060,China)

In this paper,the basic principle and structure of ultraviolet spectrum analyzer were introduced,the effect of temperature on the gas and the instrument,and the eliminating method were discussed.

ultraviolet spectrum;absorption cross section;temperature

封沛，男 ，工程师，长期从事在线分析研究与应用工作，E-mail：fengpei7777@126.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.011

2016-05-16