[发明专利]一种基于紫外宽带吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体浓度的检测装置及方法。

背景技术

氧气(O₂)不仅是大气中的重要组成物质，也是工业生产过程和医疗仪器中的重要气体，对氧气进行浓度监测对环境监测、工业过程控制等方面都有着重要作用。氧气是助燃气体，在工业生产过程当中，实时并准确地在线监控和反馈氧气浓度，并根据要求进行控制是节能减排的重要手段之一。同时，在金属冶炼、无氧焊接等行业中，痕量氧气检监测可以保证工业生产的顺利进行和操作人员的安全。因此，无论是环境监测，还是工业生产过程控制，都对发展高灵敏度、高准确性、实时性强、便携小型化的氧气浓度检测仪器有极大需要。

氧传感器技术被广泛应用于氧气测量，采用氧传感器技术测量O₂浓度仍然存在一些问题，限制了这种技术在工业中的应用。氧传感器主要包括：原电池式，氧气能力充足时输出平稳，但稳定性保持方面仍有待改进；热磁式，使用过程中无损耗、寿命长，但响应速度慢、测量误差大、易发生堵塞、元件腐蚀；氧化锆式，适用于650℃以上高温环境，工作温度高，不适用于低温环境，制备工艺复杂，成本高；荧光淬灭式，荧光强度很弱，易受干扰、精度不高；吸收光谱技术，利用了气体在特定波段的特征吸收强度与浓度之间的固定关系来实现气体浓度的测量，可实现氧气浓度的长时间、实时测量，稳定性好。吸收光谱技术中，气体的吸收满足Beer-Lambert定律，即I(λ)＝I₀(λ)exp(-σ(λ)CL)，式中，I(λ)表示在波长λ处探测到的透射光强，I₀(λ)表示在波长λ处的入射光强，C为O₂的浓度，L为吸收的光程长度，σ(λ)为O₂的吸收截面；由此公式能够得出，吸收光谱技术的吸光度A为A＝ln(I₀(λ)/I(λ))。目前常采用O₂在760nm附近的吸收进行O₂测量，但O₂在红外波段的吸收信号很小，测量误差大，导致测量结果灵敏度不高，同时，红外吸收的特异性不高，容易受其他干扰气体的影响，并且红外探测的成本会随探测性能的提高而急剧上升。

因此，我们需要寻找新的具有大吸收截面、吸收特性明显的吸收波段来实现O₂的精准测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决氧传感器技术测量氧气浓度时，稳定性差、误差大、维护困难、成本高、灵敏度不高的问题。提出了一种基于紫外宽带吸收光谱的氧气浓度测量系统及测量方法。

本发明所述的一种基于紫外宽带吸收光谱的氧气浓度测量系统，该系统包括氘灯、第一透镜、气体池、第二透镜、光纤和光谱仪；

所述氘灯发出的紫外宽带光，经过第一透镜，射入气体池内，气体池的出射光经过第二透镜，射入光纤的一端；

所述光纤的另一端与光谱仪的光信号接收端相连；

所述光谱仪的数据信号输入输出端与计算机相连；

所述气体池内充入待测氧气。

优选的是，所述第一透镜和第二透镜均为石英凸透镜。

优选的是，所述气体池设置有入射窗口、出射窗口、入气口和出气口；

气体池为圆柱型气体池，入射窗口和出射窗口分别位于圆柱型气体池的两个端面上，入气口和出气口分别位于圆柱型气体池的两端侧壁上；

所述入射窗口和出射窗口上均为石英窗口。

本发明所述的一种基于紫外宽带吸收光谱的氧气浓度测量系统的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、氘灯发出的紫外宽带光经过第一透镜准直为平行光；

步骤二、平行光射入气体池内，平行光经过待测氧气吸收导致平行光的光谱强度减弱形成透射光；

步骤三、透射光经过第二透镜汇聚后，形成汇聚光；

步骤四；汇聚光经过光纤入射到光谱仪中，光谱仪将汇聚光转换为数据信号；

步骤五、计算机对光谱仪的数据信号进行数据处理，得出待测氧气的浓度。

优选的是，所述步骤五中计算机对光谱仪的数据信号进行数据处理过程为：对待测氧气吸收处于186nm-200nm波段的平行光的吸收度进行积分，得到与待测氧气浓度相关的光学参量OP，通过将待测氧气浓度的光学参量OP与系统的氧气浓度定标曲线进行对比，得出待测氧气浓度。