基于紫外差分吸收光谱的高温便携式气体分析仪的设计

李瑞姣，李焓

（北京雪迪龙科技股份有限公司研发中心，北京102206）

0 引言

社会发展过程中产生的环境污染已经成为全球共同关注的焦点。近期的研究表明，极轻微的空气污染也会危害人体健康［1］。近年来，我国污染性天气的出现越来越频繁，每到空气条件扩散不佳的季节，各地会形成不同程度的雾霾。针对日益严重的环境问题，以减少污染产生、监控污染状态为目标的新型环保技术、方法不断被开发和提出，这要求仪器具有更低的污染物检测下限。

在2011年发布的GB-13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》中，我国明确了超低排放的标准，SO2和NOX的排放限值都在几十毫克每立方米的超低排放量级［2］。传统的非分散红外监测技术的准确性、稳定性、检测限等性能参数以及环境适应性、对水汽和二氧化碳的抗干扰能力已不能适应超低排放监测的要求［3-4］。

紫外差分吸收光谱技术可弥补上述非分散红外技术的缺陷，水在紫外波段没有吸收峰，非常适用于超低排放的监测［4］。但目前市场上适用于超低排放浓度测量的便携类仪器较少，基于UV-DOAS原理的类似产品，虽然量程范围较大，但是进行超低浓度测量时适应性略有不足；某些仪器采用了氘灯作为光源，光源部分寿命较短且维护成本较高。本文研制的基于紫外差分吸收光谱的高温便携式气体分析仪有效弥补了上述不足，提升了该类产品对超低排放监测的适应性，采用氙灯光源，延长了产品的寿命且降低了维护成本。

1 测量原理

紫外差分吸收光谱法的基本依据是朗伯-比尔定律，特定波长处的吸光度与相应成分浓度成线性关系。

式中:A为吸光度；E为摩尔吸光系数，可认为是常数；L为有效光程长度；c为样品浓度。

当知道物质的摩尔吸光系数，有效光程长度以及吸光度时，就可计算出样品的浓度。

紫外差分吸收光谱法由U.Platt等人提出［5］。紫外差分吸收光谱法利用气体分子的窄带吸收特性和吸收强度来鉴别气体成分、推演气体浓度。紫外差分吸收光谱分为随波长快变的窄带吸收截面和随波长慢变的宽带吸收截面，前者是由被测气体引起的吸收特性，后者是由粉尘、水气等引起的吸收特性。通过分离去除测量光谱中的慢变部分能够扣除背景环境因素对气体浓度分析的影响，从而实现高精度和强抗干扰能力测量［6］。

2 仪器整体设计与工作原理

图1是本文研制的基于紫外差分吸收光谱的高温便携式气体分析仪的结构组成框图，主要由光源、单次反射气体池、光路耦合单元、光纤、光谱仪等光学元件和温控及数据采集处理单元、开关电源、数据终端等构成。其工作原理是:光源发出的光强为I0的光经过气体池、光路耦合单元后由光纤传入光谱仪，经过光程长为L的气体池中被测气体的吸收、背景成分的散射，光谱仪接收到的光强I较初始光强I0减弱。首先，数据处理单元接收来自光谱仪的含有被测气体信息的光强信号I；然后，将此光强信号进行数据处理，得到被测气体的成分和浓度信息；最后，将被测气体信息传输至数据终端进行数据显示、报告生成和数据上传。

图1 仪器结构组成框图

2.1 光源与光路耦合单元

光源选用了紧凑型且性能稳定的紫外氙灯，紫外氙灯发射出的光谱范围为185～2000 nm，覆盖了SO2，NOX特征吸收峰所在的光谱波段200～450 nm。氙灯是由一只用优质石英玻璃吹制而成的泡壳并在其内部封有一对电极且充入一定压力的惰性气体Xe制作而成的。氙灯工作时要求外接专用电源和触发器。当接通电源时，电路中的触发器产生一个高频高压讯号施加于灯的两端，使灯管内的Xe气激发电离产生弧光放电，并辐射出一定波段范围的光谱。

氙灯发出的发散光随着传播距离的增大，光斑逐渐增大，在气体池入光口处，光斑面积大于入光口截面面积，不能完全进入气体池。为减少光能损失，对发散光进行准直处理，根据仪器内部预设空间及气体池的入光口孔径，设计了焦距为f1的汇聚透镜，并将其置于光源光束出射方向焦距位置。同理在气体池的出光口端也设置有类似功能的光学耦合元件，使出射光汇聚后进入传输光纤。

实验测试结果表明，气体池入光口和出光口端设置光路耦合元件可显著减小光路传输过程中的能量损失，满足仪器实现测量条件。图2为光路中未设置光学耦合元件时的光能图，图3为设置光学耦合元件后的光能图。

图2 光路中未设置光学耦合元件的光能图

图3 光路中设置光学耦合元件的光能图

2.2 气体池设计

气体池是设有入光口、出光口、进气口、出气口，储存被测气体的分析仪部件。根据吸收光谱法的基本原理，为实现低浓度气体检测，要求气体池的光程长尽可能地长。但便携式仪器需要小型化，因此可通过使光在气体池腔体内多次折返的方法增加光程长。考虑到光学反射元件的反射率通常在100%之下，反射次数越多，损失的光能越多，探测器探测到的光强越低，仪器的信噪比也越差，仪器检测效果也越差。所以在设计光路折返气体池时，应综合考虑光程长和光强的影响，以保证仪器的分辨力和检出限等性能指标。通过计算得到最优的折返次数，确定总光程长。

由公式（1）可知，被测气体的浓度和吸光度、光程长呈比例关系，吸光度由测量原理确定，由于朗伯-比尔定律的线性关系有一定的应用范围，当处于线性范围内时，吸光度值最好在0.2～0.8之间，即公式（1）中 A可确定［7］。

本文研制的基于紫外差分吸收光谱的高温便携式气体分析仪主要针对超低排放条件下烟气中的SO2和NOx浓度测量，即公式（1）中E和c可确定，SO2、NO和NO2的摩尔吸光系数都约为6×104L/（mol·cm），经过对上述几个参数的确定、计算，结合仪器的空间，设计了光程长为67 cm的一次折返气体池。光路的折返通过一块全反射道威棱镜实现，光在气体池里的传输路径如图1中虚线所示，即有效光程长为气体池长度的2倍。根据气体池的腔体截面确定道威棱镜的外形尺寸，通常道威棱镜的通光孔径大于90%，为有效利用光能，设计气体池腔体的入光口和出光口的直径为道威棱镜反射面内接圆的90%。

2.3 气体池温控设计

为使被测物在测量过程中更加稳定，并减少气体池对被测物的吸附、水对SO2的溶解、避免焦油等有机物析出对光学镜片的污染，设计了气体池高温温控结构。

气体池温控结构包含加热器、温度传感器、外部保温层、温控电路。仪器开机后，加热器加热气体池使其升温，温度传感器实时测量气体池温度，温控电路板获取气体池的实时温度后与预设的目标温度进行比较，若温度未达到预设温度，加热器持续进行加热，当温度将要达到预设温度时，温控电路通过反馈控制系统精细调整升温降温过程，控制气体池的温度达到预设温度并保持一定的精度。

本文采用导热系数极低的新型隔热材料作为气体池的保温材料，通过单次反射条件下气体池与保温层的空间布局对气体池保温效果影响的试验，得到气体池和保温层的最优间距为15 mm，相对优化的空间布局，实现了气体池高效稳定的高温温控。

3 性能测试

3.1 分析仪示值误差测试

在常温环境下进行实验，启动仪器，待运行稳定后，进行零点标定和量程标定。分别通入满量程（100 mg/m3）浓度的20%，50%和80%的标准气体；分别记录仪器的显示值；记数完成后标零，按上述浓度重复测试3次。实验数据如表1所示。

表1 SO2，NO，NO2不同浓度3次重复测试显示值mg/m3

计算得到SO2的示值误差为-0.75%，NO的示值误差为-0.19%，NO2的示值误差为-0.21%，仪器对量程范围内高、中、低浓度的SO2，NO，NO2测量的示值误差均不超过±2%FS，符合环保标准［8］。

3.2 环境适应性测试

将分析仪置于温湿度试验箱，通过设定不同的温度值测试仪器的性能指标，评估分析仪的环境适应性。

表2 SO2，NO，NO2不同温度下的零点和量程值mg/m3

由表2数据计算可知，SO2温度环境变化影响最大值-1.8%，NO温度环境变化影响最大值0.25%，NO2温度环境变化影响最大值-0.57%，在环境温度5～40℃范围内，仪器读数的变化均未超过±5%FS，符合环保标准［8］。

4 结语

针对超低排放浓度测量问题，本文研制了基于紫外差分吸收光谱的高温便携式气体分析仪。通过室温下的性能测试和不同温度环境适应性的测试可知，该分析仪可有效满足低浓度二氧化硫和氮氧化物的监测要求，可应用于固定污染源环保管理中的比对监测、执法监测以及环境污染应急监测，也可以应用于工业领域排放检测和重大污染泄露检测等环保领域。在大气污染治理方面，近期的研究表明，极轻微的空气污染也会危害人体健康，因此进一步收紧空气污染治理目标的相关标准和政策势在必行，基于本仪器的原理，通过设计光程长更长的气体池以实现对更低浓度有害气体进行检测的仪器在未来将会有广泛的应用前景。