一種臭氧濃度實(shí)時(shí)測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳巖磊，李洪剛，李少亨

(天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司 天津300384)

大氣中 90%以上的臭氧存在于大氣層的上部或平流層，離地面有 10～50km 距離，是需要人類(lèi)保護(hù)的大氣臭氧層。然而如果大氣中的臭氧，尤其是地面附近的大氣中的臭氧聚集過(guò)多，對(duì)人類(lèi)安全有害。臭氧幾乎能與任何生物組織反應(yīng)，對(duì)呼吸道的破壞性很強(qiáng)，對(duì)肺功能也有影響，較高濃度的臭氧對(duì)植物也是有害的，因此環(huán)保部已經(jīng)將臭氧 8h濃度列入了污染物監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

本設(shè)計(jì)的目的在于，面向環(huán)境空氣質(zhì)量檢測(cè)需求，在紫外光譜吸收法的理論基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)臭氧濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量，尤其可以對(duì)大氣中低濃度的臭氧進(jìn)行濃度實(shí)時(shí)在線(xiàn)連續(xù)測(cè)量。

1 測(cè)量原理

通過(guò)了解臭氧分子(O3)自身的特性可以知道，臭氧分子(O3)分子可以吸收波長(zhǎng)為254nm的紫外光(UV)的能量，通過(guò)檢測(cè)紫外光強(qiáng)的變化情況，確定通過(guò)的臭氧氣體的濃度。而高壓汞燈發(fā)出的主光譜剛好與此對(duì)應(yīng)，其帶寬內(nèi)的離散光譜，對(duì)測(cè)量并無(wú)影響，這種單一的紫外光的強(qiáng)度和 O3的濃度有直接的關(guān)系，其關(guān)系式如下：

式中：K為分子吸收系數(shù)，在 0℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下取值；L為單元長(zhǎng)度cm；C為臭氧濃度，μL/L；I為臭氧樣品(樣品氣)對(duì)應(yīng)的紫外光強(qiáng)度；I0為無(wú)臭氧樣品(參比氣)對(duì)應(yīng)的紫外光強(qiáng)度。

上式變形則有：

由此可見(jiàn)，利用光電傳感器監(jiān)測(cè)氣體流經(jīng)光路前后能量的變化情況，即可計(jì)算出臭氧的實(shí)時(shí)濃度。

2 測(cè)量系統(tǒng)主體光路的搭建

系統(tǒng)核心主體光路的搭建可分為單光路和雙光路2套方案，分別見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 單光路方案Fig.1 Single light path scheme

單光路測(cè)量流程：待測(cè)氣體首先經(jīng)過(guò)臭氧濾除器，濾除掉待測(cè)氣體中的臭氧成分后進(jìn)入光室，通過(guò)光電B管測(cè)量當(dāng)前基底光強(qiáng)Io；然后，切換電磁閥使待測(cè)氣體直接進(jìn)入光室，通過(guò)光電管 B測(cè)量含有臭氧成分的測(cè)量光強(qiáng)Io，利用公式計(jì)算整個(gè)周期內(nèi)的臭氧濃度 C顯示并輸出。其中，光電管 A的作用是補(bǔ)償光源差異帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

圖2 雙光路方案Fig.2 Double light path scheme

雙光路測(cè)量流程：待測(cè)氣體進(jìn)入測(cè)量氣路后分為兩路，通過(guò)電磁閥A和B控制，一路經(jīng)過(guò)臭氧濾除器除去臭氧成分后進(jìn)入光室 B，另一路不經(jīng)處理直接進(jìn)入光室 A，通過(guò)光電管 A、光電管 B同時(shí)測(cè)量 Ioa和Ia，此時(shí)利用公式計(jì)算光室A內(nèi)部臭氧濃度 Ca；完成上述濃度測(cè)量后，切換電磁閥A和B，使經(jīng)過(guò)臭氧濾除器的氣體進(jìn)入光室A，不經(jīng)過(guò)處理的氣體直接進(jìn)入光室B，通過(guò)光電管B、光電管A同時(shí)測(cè)量Iob和Ib，利用公式計(jì)算光室B內(nèi)部臭氧濃度Cb。

完成上述 2次測(cè)量過(guò)程，為一個(gè)測(cè)量周期，取一個(gè)周期內(nèi)的 Ca和 Cb均值記為濃度 C顯示并輸出。采用雙光路的測(cè)量方法，由理論分析可知，通過(guò)交換測(cè)量通道，取 2次測(cè)量的均值作為最終測(cè)量值，能夠有效抵消測(cè)量誤差。

綜上所述：?jiǎn)喂饴泛碗p光路設(shè)計(jì)，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧濃度的測(cè)量。相比而言，單光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，硬件搭建和成本相對(duì)較低；雙光路方案可以同時(shí)測(cè)量 Io和I，比單光路方案響應(yīng)更加快速，省略了對(duì)初始光強(qiáng)的補(bǔ)償，使用雙氣路取平均值規(guī)避了光強(qiáng)差異帶來(lái)的誤差?？梢?jiàn)雙光路方案的優(yōu)勢(shì)比較明顯，但同時(shí)增加了氣路和光路的復(fù)雜程度。

圖3 雙光路設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of double light path design

光路和氣路設(shè)計(jì)，以雙光路方案為例，在單光路方案驗(yàn)證過(guò)程中，可選擇只用 1個(gè)氣路，同時(shí)調(diào)整光電管的安裝位置即可。圖 3中反射鏡用于將紫外燈光折射至光電管，對(duì)于光室的設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格控制光路長(zhǎng)度的尺寸公差以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，光室采用鋁制外殼內(nèi)部鑲嵌 PTFE材料以最大限度減少材料對(duì)臭氧的消耗。氣路中設(shè)置溫度及壓強(qiáng)傳感器，以實(shí)時(shí)對(duì)檢測(cè)濃度進(jìn)行溫度壓強(qiáng)補(bǔ)償。為了濾除雜波干擾，可選擇在光室前端增加254nm濾光片。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖 4所示，流量壓強(qiáng)檢測(cè)，光電管驅(qū)動(dòng)板均與系統(tǒng)氣路連接，主控板由內(nèi)置 AD采集各路模擬量，并通過(guò)計(jì)算輸出環(huán)境溫濕度，氣路氣壓和流量，同時(shí)利用 PID控制紫外燈狀態(tài)，使紫外照射光強(qiáng)保持穩(wěn)定。臭氧濃度采樣過(guò)程中控制電磁閥的周期性切換，利用多次讀取紫外光電管信號(hào)取均值后經(jīng)公式計(jì)算和修正輸出最終臭氧濃度，并與顯示控制板進(jìn)行通信上傳數(shù)據(jù)。

圖4 硬件總體框圖Fig.4 Hardware block diagram

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

測(cè)試條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，25℃；通入臭氧濃度200nL/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后，連續(xù)測(cè)量30min。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2，對(duì)比見(jiàn)圖5。

表1 單光路系統(tǒng)測(cè)量Tab.1 Single light path system measurement

表2 雙光路系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurement results of double light path system

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，采用單光路和雙光路均可實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧濃度的檢測(cè)，并且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性均達(dá)到測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，均可應(yīng)用到實(shí)際檢測(cè)中。相比而言，采用雙光路的方案，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性略好，其原因是雙光路在測(cè)量的過(guò)程中，不斷交叉轉(zhuǎn)換測(cè)量氣路，從而抵消了測(cè)量過(guò)程中的大部分測(cè)量誤差，此誤差包括紫外燈光強(qiáng)的微小波動(dòng)，環(huán)境溫濕度的波動(dòng)，光電管檢測(cè)誤差等，與此同時(shí)設(shè)備成本會(huì)有一定的增加。因此，在要求測(cè)量精度較高，測(cè)量環(huán)境較差的場(chǎng)合，可以考慮采用雙光路方案，在測(cè)量精度不高的普通應(yīng)用場(chǎng)合，可以考慮單光路方案。

圖5 單、雙光路測(cè)試對(duì)比Fig.5 Comparison of single and double light path tests