專利名稱：：紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法及實(shí)施裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及煙氣在線監(jiān)測(cè)，具體講涉及一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法及實(shí)施裝置。
背景技術(shù)：
：二氧化硫(S0》和氮氧化物(N0X)作為大氣環(huán)境的主要?dú)怏w污染，減排和監(jiān)測(cè)越來越受到重視。為了及時(shí)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地掌握排污狀況的目的，要求對(duì)二氧化硫等排放情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)湖U。目甜常用的氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)方法為抽樣法、吸收光譜法等。Lambert-Beer光吸收定律，是吸收光譜法測(cè)量物質(zhì)濃度的最基本定律，即在紫外-可見波段，當(dāng)入射光強(qiáng)度一定時(shí)，被測(cè)物質(zhì)的吸光度與被測(cè)物質(zhì)的濃度和厚度的乘積成IH比。嚴(yán)格的講，Lambert-Beer定律只適用于理想氣體和單位體積含量較低的條件，且測(cè)量濃度為被測(cè)氣體某一橫截面上的濃度。因此對(duì)于實(shí)際環(huán)境下的氣體測(cè)量則會(huì)出現(xiàn)偏離Lambert-Beer定律的現(xiàn)象。為了修正這種偏離現(xiàn)象，一般在計(jì)算得到氣體濃度后需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行修TH校準(zhǔn)?，F(xiàn)有常用的校準(zhǔn)方法是在樣品池長(zhǎng)度不變的情況下，向樣品池中充入不同濃度的被測(cè)氣體，此時(shí)，被測(cè)氣體的壓力對(duì)濃度是有影響的，特別是當(dāng)所需要的被測(cè)氣體濃度較低時(shí)，通過這種方法來控制氣體濃度就會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，不能滿足測(cè)量精度的要求，且采用數(shù)個(gè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，成本高，擬和點(diǎn)少，精度低。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的甜述不足，本發(fā)明的目的是提供一種高精度的校準(zhǔn)方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，簡(jiǎn)便快速完成煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)，并適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，包括下列歩驟清理各光學(xué)器件上的灰塵等，采用能夠發(fā)射紫外-可見波段光束的光源，光源發(fā)出的光通過準(zhǔn)直擴(kuò)束器件形成均勻光束，使所述均勻光束通過放置在基座上的樣品池，進(jìn)入接收組件并通過光纖傳至光譜分析儀；清空基座上的樣品池，采集此時(shí)的光譜儀接收到的光強(qiáng)，作為參考光強(qiáng)檢查樣品池氣密性以3-4個(gè)大氣壓的壓力向樣品池持續(xù)通入標(biāo)準(zhǔn)濃度的被測(cè)氣體，在測(cè)量前先通氣至少10分鐘，保證樣品池內(nèi)充滿被測(cè)氣體且濃度相對(duì)穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)，依次分別將不同長(zhǎng)度的樣品池放入基座內(nèi)靠光源一端，采集接收光強(qiáng)；再根據(jù)下式列出方程組，并用最小二乘擬合法求出非線性校準(zhǔn)系數(shù)，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>，上式中，單位體積下的被測(cè)氣體成分的單位含量計(jì)為c*x，(。x)，為被測(cè)氣體的計(jì)算單位含量，(。x)自表示標(biāo)準(zhǔn)單位含量，j。、4、^、^、4為非線性校準(zhǔn)系數(shù)。所述用最小二乘擬合法求出非線性校準(zhǔn)系數(shù)是，利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和樣品池長(zhǎng)度所獲得的等效氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際測(cè)量值使用標(biāo)定軟件進(jìn)行，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)情況選擇擬合次數(shù)，得到校IH后的濃度測(cè)量系數(shù)，即非線性校準(zhǔn)系數(shù)。一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的實(shí)施裝置，包舌光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束器件、樣品池、接收組件、光纖接頭和基座，所述光源為能夠發(fā)射紫外-可見波段光束的光源，光源發(fā)出的光通過準(zhǔn)直擴(kuò)束器件形成均勻光束，所述均勻光束通過放置在基座上的樣品池，進(jìn)入接收組件并通過光纖傳至光譜分析儀，樣品池共有多個(gè)，每個(gè)樣品池內(nèi)部長(zhǎng)度為第1號(hào)樣品池的整數(shù)倍且所述內(nèi)部長(zhǎng)度互不相等，每個(gè)樣品池的兩端上部分別設(shè)有氣體進(jìn)出口，由軟管串行連接于標(biāo)準(zhǔn)氣瓶減壓輸出裝置，樣品池兩端設(shè)有光學(xué)窗用于透過測(cè)量光束，前述所有光學(xué)器件對(duì)紫外波段具有高透過率?；怯糜诒ＷC樣品池中心軸線與發(fā)射、接收端的光軸重合，其可用長(zhǎng)度即為校準(zhǔn)裝置的總光程長(zhǎng)，也就是最長(zhǎng)樣品池的長(zhǎng)度。樣品池的橫截面為圓形并略大于光束直徑。本發(fā)明提供的可以帶來如下效果本發(fā)明根據(jù)理論公式中被測(cè)氣體的濃度和長(zhǎng)度之間在數(shù)學(xué)模型上的乘積關(guān)系，通過樣品池組的方式獲得了多種不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體，用于校準(zhǔn)擬和非線性系數(shù)，大大提高了擬和的準(zhǔn)確性，且降低了成本和操作復(fù)雜性。圖l校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖。圖2樣品池示意圖。圖3樣品池氣路連接示意圖。圖4校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量示意圖。圖5紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置。圖6得到校IH后的濃度測(cè)量系數(shù)示意圖。圖7擬合曲線示意圖。具體實(shí)施例方式1.理論依據(jù)1.1擬和公式的推導(dǎo)根據(jù)Lambert-Beer定律，通過被測(cè)氣體之后的理想光強(qiáng)變化可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>被測(cè)物質(zhì)的吸光度.4與被測(cè)物質(zhì)的濃度c和厚度J的乘積成正比，《為比例常數(shù)。實(shí)際條件下，考慮到光譜采集設(shè)備的光譜響應(yīng)特性和氣體散射及吸收等因素，式(1)可以擴(kuò)展為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，力為接收到的光強(qiáng)；,(W為儀器的光譜響應(yīng)函數(shù)，。,為吸收截面，。為衰減系數(shù)，厶為光源發(fā)射光強(qiáng)，義為光學(xué)測(cè)量長(zhǎng)度，c,為平均濃度，/12為儀器光譜響應(yīng)波段，i為被測(cè)成分序號(hào)。因?yàn)樗邮盏降墓鈴?qiáng)是光源發(fā)射的光經(jīng)過長(zhǎng)度為義的被測(cè)氣體后得到的，因此通過公式只能獲得這段長(zhǎng)度上的氣體平均濃度。另外，單位體積下的被測(cè)氣體成分的單位含量計(jì)為(C'X)，光學(xué)厚度朋計(jì)為(。w;O。由式(l)、(2)可推導(dǎo)出差分吸收度的表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，i;6U為光譜的慢變部分的光強(qiáng)；da為差分吸收截面，反映了氣體成分的精細(xì)結(jié)構(gòu)；dz/為差分吸收度。顯然，只要獲得光源出射光譜強(qiáng)度和經(jīng)過被測(cè)氣體后的光譜強(qiáng)度，利用被測(cè)氣體容器的長(zhǎng)度和其差分吸收截面，通過式(3)即可求得被測(cè)氣體的含量。此時(shí)的結(jié)果僅僅是理論值，和實(shí)際結(jié)果還有一定的差距，這主要是由于實(shí)際條件下較強(qiáng)的非線性造成的，使得分子吸收規(guī)律出現(xiàn)了偏離Lambert-Beer定律的現(xiàn)象，形成這種非線性的主要原因有以下二點(diǎn)1)多種高濃度的排放廢氣混合在一起，不同氣體成分的吸收波段相丌.重合T擾；2)理論上，Lambert-Beer定律是對(duì)理想氣體而建立的，所有參數(shù)的分辨率應(yīng)是無窮高，所對(duì)應(yīng)的氣體范圍是某厚度無限小的橫截面卜.的被測(cè)氣體成分。從信號(hào)處理的角度，所接收到的光譜譜線通過光譜分析儀器的過程可以等效為一個(gè)信號(hào)通過一個(gè)線性系統(tǒng)的過程，故在J。處的接收光強(qiáng)表示為進(jìn)入光譜儀器的光強(qiáng)和儀器光譜響應(yīng)函數(shù)的巻積。由此，實(shí)際上的光學(xué)厚度可以通過Ttiylor展開并化簡(jiǎn)表示為為了能夠精確的表達(dá)實(shí)際數(shù)學(xué)模型，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差等，被測(cè)氣體的i(算單位含量的一般表達(dá)式為&'-"柳=4+々(c.《+名(。+4(c'《+4'(c.(5)顯然，只要獲得(c*x),。的結(jié)果，就可以使用例如最小二乘等擬和方法求出(c，力，。].2裝置設(shè)計(jì)的理論依據(jù)式(5)中系數(shù)的求解需要提供大于未知數(shù)個(gè)數(shù)的不同的標(biāo)準(zhǔn)單位含量數(shù)值。但是實(shí)際條件下，特別是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境中不可能備有多個(gè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體。為此，需要一種新的途徑來提供多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體含量。從單位含量和光學(xué)厚度的定義可以看出，它們內(nèi)部的計(jì)算符合結(jié)合律，即有、h^(6)這樣，可以將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)化為氣體測(cè)量長(zhǎng)度的變化。對(duì)于一種己知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，通過改變其在被測(cè)光路屮所經(jīng)過的長(zhǎng)度就可以獲得多個(gè)不同的單位含量。這一點(diǎn)也可以從式(1)中得到同樣的結(jié)論，在接收光強(qiáng)和吸光度不變的情況下，改變氣體濃度和改變氣體厚度的效果是相同的，即^=log&=a:恭)=a^(fo)c(7)因此可以通過設(shè)計(jì)一套含有長(zhǎng)度可變的氣體池的試驗(yàn)裝詈來完成非線性系數(shù)的確定。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。'2.實(shí)施裝置根據(jù)式(7)可知，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為c。，被測(cè)氣體長(zhǎng)度以某一數(shù)值x。為基準(zhǔn)，每次測(cè)量時(shí)將氣體長(zhǎng)度改變?yōu)锳的整數(shù)倍，即等效地獲得濃度為c邀數(shù)倍的標(biāo)準(zhǔn)氣體。為此，設(shè)計(jì)一組長(zhǎng)度固定且符合上述要求的樣品池。測(cè)量時(shí)，分別將不同長(zhǎng)度的樣品池放入光路中，使得光源出射光通過樣品池內(nèi)的氣體，進(jìn)入接收端的光譜分析儀。一般的光束橫截面近似為圓形，為了充分利用光源出射光，樣品池的橫截面也設(shè)計(jì)成圓形并略大于光束直徑，這是因?yàn)橐环矫娌粫?huì)出現(xiàn)因?yàn)闃悠烦貎?nèi)壁對(duì)光線的散射而減弱接受光強(qiáng)的現(xiàn)象；另一方面也可以使得光束不經(jīng)過樣品池內(nèi)壁附近的氣體以減小氣體的管壁效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。2.1裝置組成校準(zhǔn)裝置主要包括光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束器件、樣品池、會(huì)聚器件、光纖接頭和基座等。其中光源能夠發(fā)射紫外-可見波段的光束，通過準(zhǔn)直擴(kuò)束器件形成均勻光束，通過放黃在基座上的樣品池，進(jìn)入會(huì)聚器件并通過光纖傳至光譜分析儀，系統(tǒng)示意圖如圖l所示。系統(tǒng)中所有光學(xué)器件對(duì)紫外波段具有高透過率。樣品池共有15個(gè)，內(nèi)部長(zhǎng)度為第1號(hào)樣品池的1-15倍，單個(gè)樣品池如圖2所示。其中每個(gè)樣品池的兩端上部分別設(shè)有氣體進(jìn)出口，由軟管串行連接于標(biāo)準(zhǔn)氣瓶減壓輸出裝置。樣品池兩端設(shè)有光學(xué)窗用于透過測(cè)量光束。為了提卨測(cè)量光束利用率減小管壁效應(yīng)，需要保證樣品池中心軸線與發(fā)射、接收端的光軸重合，這就是基座的主要作用，用來提供固定的收發(fā)端與樣品池間的位置關(guān)系。其可用長(zhǎng)度即為校準(zhǔn)裝覽的總光程長(zhǎng)，也就是式(2)中的x，等于第15號(hào)樣品池的長(zhǎng)度。2.2標(biāo)定過程首先清空基座上的樣品池，采集此時(shí)的光譜儀接收到的光強(qiáng)，作為參考光/。。清理各光學(xué)器件上的灰塵等，依照?qǐng)D3所示連接好被測(cè)氣體通路，并檢查樣品池氣密性。以3-4個(gè)大氣爪的壓力向樣品池持續(xù)通入標(biāo)準(zhǔn)濃度的被測(cè)氣體，在測(cè)量前先通氣至少IO分鐘，保證樣品池內(nèi)充滿被測(cè)氣體且濃度相對(duì)穩(wěn)定。測(cè)量時(shí)，依次分別將不同長(zhǎng)度的樣品池放入基座內(nèi)靠光源一端，采集接收光強(qiáng)，如圖4所示。根據(jù)15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值和接收光強(qiáng)，以及測(cè)量前所采集的參考光強(qiáng)，通過式(3)計(jì)算出對(duì)應(yīng)15種狀態(tài)下的理論濃度。再根據(jù)式(5)列出方程組，用最小二乘擬合法求出非線性校準(zhǔn)系數(shù)。為了檢驗(yàn)系數(shù)的準(zhǔn)確性，再次采集I5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度所對(duì)應(yīng)接收光強(qiáng)并通過非線性系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。-需要指出的是，測(cè)量光路中樣品池以外的部分充滿空氣，樣品池內(nèi)是被測(cè)氣休，空氣部分會(huì)對(duì)光束的吸收產(chǎn)生額外的影響，而這部分的變化可以由計(jì)算中所加入的參考光的強(qiáng)度反映出來，因此樣品池以外的空氣不影響最終測(cè)量效果。將所有15個(gè)樣品池組連通并密封好，通入固定壓力的標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體。待氣體充分均勻后，將樣品池放入光路中，使得紫外光B/以透過樣品池中的被測(cè)氣體。通過放置不同長(zhǎng)度的樣品池就可以獲得不同等效濃度的被測(cè)氣體濃度。在每種濃度下采集并記錄光譜曲線，根據(jù)紫外差分的方法計(jì)黨得到氣體濃度，標(biāo)定裝置如圖5所不。之后利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和樣品池長(zhǎng)度所獲得的等效氣體濃度理論值與實(shí)際測(cè)量值使用標(biāo)定軟件進(jìn)行最小二乘擬合，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)情況選擇擬合次數(shù)，得到校正后的濃度測(cè)量系數(shù)，如圖6所示。同時(shí)獲得擬合曲線，如圖7所示，如果擬合曲線效果不理想，則可以重新選擇擬合次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)先后采用三種不同濃度的NO、S02的標(biāo)準(zhǔn)氣體分別進(jìn)行，記錄理論濃度和校準(zhǔn)后濃度，以及校準(zhǔn)后濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的偏差值。校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)如表l、2所示。由偏差值可以看出，三組數(shù)據(jù)在某些相同的序號(hào)的樣品池測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大，這是由于部分樣品池加工精度不一致造成的形狀誤差，而產(chǎn)生對(duì)光路的T擾。另外，由于S02有較強(qiáng)的吸附特性，極容易造成樣品池內(nèi)壁和光學(xué)窗卜.的沉積，使得測(cè)量光束的吸收加大，對(duì)校準(zhǔn)系數(shù)的確定有極大影響。但本發(fā)明仍可以將平均誤差控制在2%以內(nèi)。表1NO氣體濃度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2S02氣體濃度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)環(huán)境溫度20度大氣壓力10L9Kpa<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1.一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，其特征是，包括下列步驟清理各光學(xué)器件上的灰塵等，采用能夠發(fā)射紫外-可見波段光束的光源，光源發(fā)出的光通過準(zhǔn)直擴(kuò)束器件形成均勻光束，使所述均勻光束通過放置在基座上的樣品池，進(jìn)入接收組件并通過光纖傳至光譜分析儀；清空基座上的樣品池，采集此時(shí)的光譜儀接收到的光強(qiáng)，作為參考光強(qiáng)I0；檢查樣品池氣密性以3-4個(gè)大氣壓的壓力向樣品池持續(xù)通入標(biāo)準(zhǔn)濃度的被測(cè)氣體，在測(cè)量前先通氣至少10分鐘，保證樣品池內(nèi)充滿被測(cè)氣體且濃度相對(duì)穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)，依次分別將不同長(zhǎng)度的樣品池放入基座內(nèi)靠光源一端，采集接收光強(qiáng)；再根據(jù)下式列出方程組，并用最小二乘擬合法求出非線性校準(zhǔn)系數(shù)，2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，其特征是，所述用最小二乘擬合法求出非線性校準(zhǔn)系數(shù)是，利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和樣品池長(zhǎng)度所獲得的等效氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際測(cè)量值使用標(biāo)定軟件進(jìn)行，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)情況選擇擬合次數(shù)，得到校正后的濃度測(cè)量系數(shù)，即非線性校準(zhǔn)系數(shù)。3.—種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的實(shí)施裝置，包括光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束器件、樣品池、接收組件、光纖接頭和基座，其特征是，所述光源為能夠發(fā)射紫外-可見波段光束的光源，光源發(fā)出的光通過準(zhǔn)直擴(kuò)束器件形成均勻光束，所述均勻光束通過放置在基座上的樣品池，進(jìn)入接收組件并通過光纖傳至光譜分析儀，樣品池共有多個(gè)，每個(gè)樣品池內(nèi)部長(zhǎng)度為第1號(hào)樣品池的整數(shù)倍且所述內(nèi)部長(zhǎng)度互不相等，每個(gè)樣品池的兩端上部分別設(shè)有氣體進(jìn)出口，由軟管串行連接于標(biāo)準(zhǔn)氣瓶減壓輸出裝置，樣品池兩端設(shè)有光學(xué)窗用于透過測(cè)量光束，甜述所有光學(xué)器件對(duì)紫外波段具有高透過率。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的實(shí)施裝置，其特征是，基座是用于保證樣品池中心軸線與發(fā)射、接收端的光軸重合，其可用長(zhǎng)度即為校準(zhǔn)裝置的總光程長(zhǎng)，也就是最長(zhǎng)樣品池的長(zhǎng)度。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的實(shí)施裝置，其特征是，樣品池的橫截面為圓形并略大于光束直徑。全文摘要本發(fā)明涉及煙氣在線監(jiān)測(cè)，具體講涉及一種紫外差分煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法及實(shí)施裝置。為提供一種高精度的校準(zhǔn)方法及裝置，簡(jiǎn)便快速完成煙氣濃度測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，將所有樣品池組連通并密封好，通入固定壓力的標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體，待氣體充分均勻后，將樣品池放入光路中，使得紫外光可以透過樣品池中的被測(cè)氣體，通過放置不同長(zhǎng)度的樣品池就可以獲得不同等效濃度的被測(cè)氣體濃度，在每種濃度下采集并記錄光譜曲線，根據(jù)紫外差分的方法計(jì)算得到氣體濃度，之后利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和樣品池長(zhǎng)度所獲得的等效氣體濃度理論值與實(shí)際測(cè)量值使用標(biāo)定軟件進(jìn)行最小二乘擬合，得到校正后的濃度測(cè)量系數(shù)。本發(fā)明主要應(yīng)用于煙氣在線監(jiān)測(cè)。文檔編號(hào)G01N21/25GK101290289SQ20081005335公開日2008年10月22日申請(qǐng)日期2008年5月30日優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日發(fā)明者趙玉梅,韓貴重申請(qǐng)人:天津市藍(lán)宇科工貿(mào)有限公司