專利名稱：：紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準方法及實施裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及煙氣在線監(jiān)測，具體講涉及一種紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準方法及實施裝置。
背景技術(shù)：
：二氧化硫(S0》和氮氧化物(N0X)作為大氣環(huán)境的主要氣體污染，減排和監(jiān)測越來越受到重視。為了及時、準確、系統(tǒng)地掌握排污狀況的目的，要求對二氧化硫等排放情況進行連續(xù)監(jiān)湖U。目甜常用的氣體連續(xù)監(jiān)測方法為抽樣法、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)入射光強度一定時，被測物質(zhì)的吸光度與被測物質(zhì)的濃度和厚度的乘積成IH比。嚴格的講，Lambert-Beer定律只適用于理想氣體和單位體積含量較低的條件，且測量濃度為被測氣體某一橫截面上的濃度。因此對于實際環(huán)境下的氣體測量則會出現(xiàn)偏離Lambert-Beer定律的現(xiàn)象。為了修正這種偏離現(xiàn)象，一般在計算得到氣體濃度后需要對結(jié)果進行修TH校準?，F(xiàn)有常用的校準方法是在樣品池長度不變的情況下，向樣品池中充入不同濃度的被測氣體，此時，被測氣體的壓力對濃度是有影響的，特別是當(dāng)所需要的被測氣體濃度較低時，通過這種方法來控制氣體濃度就會產(chǎn)生很大的測量誤差，不能滿足測量精度的要求，且采用數(shù)個不同濃度的標準氣體進行校準，成本高，擬和點少，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方法，并設(shè)計相應(yīng)的校準裝置，簡便快速完成煙氣濃度測量系統(tǒng)校準，并適合現(xiàn)場應(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量系統(tǒng)校準方法，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)出的光通過準直擴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，采集此時的光譜儀接收到的光強，作為參考光強檢查樣品池氣密性以3-4個大氣壓的壓力向樣品池持續(xù)通入標準濃度的被測氣體，在測量前先通氣至少10分鐘，保證樣品池內(nèi)充滿被測氣體且濃度相對穩(wěn)定，測量時，依次分別將不同長度的樣品池放入基座內(nèi)靠光源一端，采集接收光強；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系數(shù)，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>，上式中，單位體積下的被測氣體成分的單位含量計為c*x，(。x)，為被測氣體的計算單位含量，(。x)自表示標準單位含量，j。、4、^、^、4為非線性校準系數(shù)。所述用最小二乘擬合法求出非線性校準系數(shù)是，利用標準濃度和樣品池長度所獲得的等效氣體濃度標準值與實際測量值使用標定軟件進行，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)情況選擇擬合次數(shù)，得到校IH后的濃度測量系數(shù)，即非線性校準系數(shù)。一種紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準方法的實施裝置，包舌光源、準直擴束器件、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)出的光通過準直擴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，進入接收組件并通過光纖傳至光譜分析儀，樣品池共有多個，每個樣品池內(nèi)部長度為第1號樣品池的整數(shù)倍且所述內(nèi)部長度互不相等，每個樣品池的兩端上部分別設(shè)有氣體進出口，由軟管串行連接于標準氣瓶減壓輸出裝置，樣品池兩端設(shè)有光學(xué)窗用于透過測量光束，前述所有光學(xué)器件對紫外波段具有高透過率。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，其可用長度即為校準裝置的總光程長，也就是最長樣品池的長度。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)理論公式中被測氣體的濃度和長度之間在數(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準濃度的氣體，用于校準擬和非線性系數(shù)，大大提高了擬和的準確性，且降低了成本和操作復(fù)雜性。圖l校準系統(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校準系統(tǒng)測量示意圖。圖5紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準裝置。圖6得到校IH后的濃度測量系數(shù)示意圖。圖7擬合曲線示意圖。具體實施例方式1.理論依據(jù)1.1擬和公式的推導(dǎo)根據(jù)Lambert-Beer定律，通過被測氣體之后的理想光強變化可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>被測物質(zhì)的吸光度.4與被測物質(zhì)的濃度c和厚度J的乘積成正比，《為比例常數(shù)。實際條件下，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)可以擴展為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，力為接收到的光強；,(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，義為光學(xué)測量長度，c,為平均濃度，/12為儀器光譜響應(yīng)波段，i為被測成分序號。因為所接收到的光強是光源發(fā)射的光經(jīng)過長度為義的被測氣體后得到的，因此通過公式只能獲得這段長度上的氣體平均濃度。另外，單位體積下的被測氣體成分的單位含量計為(C'X)，光學(xué)厚度朋計為(。w;O。由式(l)、(2)可推導(dǎo)出差分吸收度的表達式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，i;6U為光譜的慢變部分的光強；da為差分吸收截面，反映了氣體成分的精細結(jié)構(gòu)；dz/為差分吸收度。顯然，只要獲得光源出射光譜強度和經(jīng)過被測氣體后的光譜強度，利用被測氣體容器的長度和其差分吸收截面，通過式(3)即可求得被測氣體的含量。此時的結(jié)果僅僅是理論值，和實際結(jié)果還有一定的差距，這主要是由于實際條件下較強的非線性造成的，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，所對應(yīng)的氣體范圍是某厚度無限小的橫截面卜.的被測氣體成分。從信號處理的角度，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信號通過一個線性系統(tǒng)的過程，故在J。處的接收光強表示為進入光譜儀器的光強和儀器光譜響應(yīng)函數(shù)的巻積。由此，實際上的光學(xué)厚度可以通過Ttiylor展開并化簡表示為為了能夠精確的表達實際數(shù)學(xué)模型，考慮到整個系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差等，被測氣體的i(算單位含量的一般表達式為&'-"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)個數(shù)的不同的標準單位含量數(shù)值。但是實際條件下，特別是工業(yè)現(xiàn)場等環(huán)境中不可能備有多個不同濃度的標準氣體。為此，需要一種新的途徑來提供多個標準氣體含量。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)化為氣體測量長度的變化。對于一種己知濃度的標準氣體，通過改變其在被測光路屮所經(jīng)過的長度就可以獲得多個不同的單位含量。這一點也可以從式(1)中得到同樣的結(jié)論，在接收光強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)計一套含有長度可變的氣體池的試驗裝詈來完成非線性系數(shù)的確定。下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。'2.實施裝置根據(jù)式(7)可知，設(shè)標準氣體濃度為c。，被測氣體長度以某一數(shù)值x。為基準，每次測量時將氣體長度改變?yōu)锳的整數(shù)倍，即等效地獲得濃度為c邀數(shù)倍的標準氣體。為此，設(shè)計一組長度固定且符合上述要求的樣品池。測量時，分別將不同長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)計成圓形并略大于光束直徑，這是因為一方面不會出現(xiàn)因為樣品池內(nèi)壁對光線的散射而減弱接受光強的現(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)對測量的影響。2.1裝置組成校準裝置主要包括光源、準直擴束器件、樣品池、會聚器件、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，通過準直擴束器件形成均勻光束，通過放黃在基座上的樣品池，進入會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)器件對紫外波段具有高透過率。樣品池共有15個，內(nèi)部長度為第1號樣品池的1-15倍，單個樣品池如圖2所示。其中每個樣品池的兩端上部分別設(shè)有氣體進出口，由軟管串行連接于標準氣瓶減壓輸出裝置。樣品池兩端設(shè)有光學(xué)窗用于透過測量光束。為了提卨測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。其可用長度即為校準裝覽的總光程長，也就是式(2)中的x，等于第15號樣品池的長度。2.2標定過程首先清空基座上的樣品池，采集此時的光譜儀接收到的光強，作為參考光/。。清理各光學(xué)器件上的灰塵等，依照圖3所示連接好被測氣體通路，并檢查樣品池氣密性。以3-4個大氣爪的壓力向樣品池持續(xù)通入標準濃度的被測氣體，在測量前先通氣至少IO分鐘，保證樣品池內(nèi)充滿被測氣體且濃度相對穩(wěn)定。測量時，依次分別將不同長度的樣品池放入基座內(nèi)靠光源一端，采集接收光強，如圖4所示。根據(jù)15個標準氣體濃度值和接收光強，以及測量前所采集的參考光強，通過式(3)計算出對應(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系數(shù)。為了檢驗系數(shù)的準確性，再次采集I5個標準氣體濃度所對應(yīng)接收光強并通過非線性系數(shù)進行校準。-需要指出的是，測量光路中樣品池以外的部分充滿空氣，樣品池內(nèi)是被測氣休，空氣部分會對光束的吸收產(chǎn)生額外的影響，而這部分的變化可以由計算中所加入的參考光的強度反映出來，因此樣品池以外的空氣不影響最終測量效果。將所有15個樣品池組連通并密封好，通入固定壓力的標準濃度氣體。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氣體。通過放置不同長度的樣品池就可以獲得不同等效濃度的被測氣體濃度。在每種濃度下采集并記錄光譜曲線，根據(jù)紫外差分的方法計黨得到氣體濃度，標定裝置如圖5所不。之后利用標準濃度和樣品池長度所獲得的等效氣體濃度理論值與實際測量值使用標定軟件進行最小二乘擬合，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量系數(shù)，如圖6所示。同時獲得擬合曲線，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)進行計算。實驗先后采用三種不同濃度的NO、S02的標準氣體分別進行，記錄理論濃度和校準后濃度，以及校準后濃度與標準濃度的偏差值。校準前后的數(shù)據(jù)如表l、2所示。由偏差值可以看出，三組數(shù)據(jù)在某些相同的序號的樣品池測量數(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)生對光路的T擾。另外，由于S02有較強的吸附特性，極容易造成樣品池內(nèi)壁和光學(xué)窗卜.的沉積，使得測量光束的吸收加大，對校準系數(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氣體濃度校準數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2S02氣體濃度校準數(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量系統(tǒng)校準方法，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)出的光通過準直擴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，采集此時的光譜儀接收到的光強，作為參考光強I0；檢查樣品池氣密性以3-4個大氣壓的壓力向樣品池持續(xù)通入標準濃度的被測氣體，在測量前先通氣至少10分鐘，保證樣品池內(nèi)充滿被測氣體且濃度相對穩(wěn)定，測量時，依次分別將不同長度的樣品池放入基座內(nèi)靠光源一端，采集接收光強；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量系統(tǒng)校準方法，其特征是，所述用最小二乘擬合法求出非線性校準系數(shù)是，利用標準濃度和樣品池長度所獲得的等效氣體濃度標準值與實際測量值使用標定軟件進行，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量系數(shù)，即非線性校準系數(shù)。3.—種紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準方法的實施裝置，包括光源、準直擴束器件、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)出的光通過準直擴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，進入接收組件并通過光纖傳至光譜分析儀，樣品池共有多個，每個樣品池內(nèi)部長度為第1號樣品池的整數(shù)倍且所述內(nèi)部長度互不相等，每個樣品池的兩端上部分別設(shè)有氣體進出口，由軟管串行連接于標準氣瓶減壓輸出裝置，樣品池兩端設(shè)有光學(xué)窗用于透過測量光束，甜述所有光學(xué)器件對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量系統(tǒng)校準方法的實施裝置，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，其可用長度即為校準裝置的總光程長，也就是最長樣品池的長度。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準方法的實施裝置，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，具體講涉及一種紫外差分煙氣濃度測量系統(tǒng)校準方法及實施裝置。為提供一種高精度的校準方法及裝置，簡便快速完成煙氣濃度測量系統(tǒng)校準。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，通入固定壓力的標準濃度氣體，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氣體，通過放置不同長度的樣品池就可以獲得不同等效濃度的被測氣體濃度，在每種濃度下采集并記錄光譜曲線，根據(jù)紫外差分的方法計算得到氣體濃度，之后利用標準濃度和樣品池長度所獲得的等效氣體濃度理論值與實際測量值使用標定軟件進行最小二乘擬合，得到校正后的濃度測量系數(shù)。本發(fā)明主要應(yīng)用于煙氣在線監(jiān)測。文檔編號G01N21/25GK101290289SQ20081005335公開日2008年10月22日申請日期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,韓貴重申請人:天津市藍宇科工貿(mào)有限公司