专利名称：一种低浓度烟气紫外分析仪及检测方法
技术领域：
本发明属于烟气监测设备领域，尤其是一种低浓度烟气紫外分析仪及检测方法。
背景技术：
现有的低浓度气体在线检测方法采用非分散紫外吸收光度法也有所见。它们都是通过紫外单色光源照射样品气后，样品中的分子会吸收某些波长的光；没有被吸收的光到达检测器。检测器检测到该光强后，产生交流电压信号，信号经放大处理后，通过计算机运算分析，得到气体对应的吸光度值。由于吸收度正比于试样中该成分的浓度，利用获得的吸光度的大小和光谱，并根据吸收与已知浓度的标样的比较，即可对待测样品气进行定量精确分析。上述检测方法的核心部件是检测器，应用紫外光电倍增管居多。例如申请号为·200910135826. 8的中国发明专利申请公开了一种智能紫外气体分析仪产品，它由紫外光源、窄带干涉滤光片、测量气室、参比侧光电检测器和测量侧光电检测器组成，其特征在于在紫外光源的出口处的侧边设有一可旋转的切光轮；该发明通过部分反射镜将入射光分成了双光束，分别进入测量气室、参比室；其中，测量气室和参比室分成两个部件，成90度相互垂直配置，并各自分别对应了两个电检测器；检测器均为光电倍增管或光电二极管阵列。上述发明的主要不足有
1)测量气室和参比室分成两个部件，成90度相互垂直配置，并各自分别对应了两个电检测器，将使结构较为复杂、庞大；
2)发明方案中两路光路，并对应配置了两个电检测器，各自光路和电路中产生的外界影响无法避免，并且检测器属于二代检测器，量子化效率、噪声均低于固态检测器，难以长期地、稳定地实现低浓度气体的测量。目前固态紫外探测器代替传统的紫外光电倍增管已经成为可能。光导型探测器和光伏型探测器是固态紫外探测器的两种主要类型。它们都是利用光电效应产生电子-空穴对，再利用电场分开它们而在外电路收集，从而对光进行探测。
发明内容
为解决上述技术问题，提供一种高精度、高可靠性的低浓度烟气紫外分析仪，本发明采用的技术方案如下
本发明的低浓度烟气紫外分析仪，包括机箱I、加热控制单元2、输出显示单元3、数据采集处理单元4、供电电源5，机箱I内设置烟气管路，滤水过滤装置6设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器7、气态污染物检测单元8，所述的气态污染物检测单元8包括紫外光源10及设置在其后的切光器11，沿光路方向布置在切光器后依次为测量气室12、滤光器13、固态检测器14 ;测量气室12沿光路方向分隔分别为样品池18、参比池19，参比池19内封装标准气体，样品池18设样品池样气进口 16和样品池样气出口 17。
本发明的低浓度烟气紫外分析仪，所述的固态检测器14包括半导体块20、电极
21、外电路导线22、负载23，电源24组成，其中，半导体块20设置在滤光器13后部正对光路方向位置，电极21分别位于半导体块20两侧，外电路导线22串联负载23、电源24后分别与半导体块20两侧的电极21相连接。上述技术方案中，半导体块20材料为ZnO。本发明的参比池19内封装的标准气体为浓度为100mg/m3的SO2或NO2 ；当待测气体浓度超标时，本发明分析仪将自动报警，判定气体不合格。如果需要兼容各种浓度的气体检测，可以根据客户要求封装特定浓度的待测气体在参比池内。本发明的低浓度烟气紫外检测方法，包括如下步骤
步骤I、向低浓度烟气紫外分析仪中通入氮气N2,至氮气N2充满样品池18 ；· 步骤2、紫外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过样品池18、滤光器13到达检测传感器14，测量获得光的强度Itl ;另一束光依次通过参比池19、滤光器13到达检测传感器14，测量获得光的强度1# ；
步骤3、通过公式T参=I参/ I。，获得通入氮气N2透射率T参；
步骤4、氮气N2排出；
步骤5、将待测气体通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置6过滤干燥后，充满样品池18 ；
步骤6、紫外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过样品池18、滤光器13到达检测传感器14，测量获得光的强度I ;
步骤7、通过公式T=I/ I0,获得通入待测气体透射率T ；
步骤8、记参比池21内封装标准气体浓度为C# ；
步骤9、通过公式C = (logT/logT#) C#。，计算得到待测气体浓度C。本发明的原理如下非分散紫外吸收光度法是一种新型的气体浓度检测方法通过非分散紫外单色光源照射样品气后，样品中的分子会吸收某些波长的光；没有被吸收的光到达检测器。检测器检测到该光强后，产生交流电压信号，信号经放大处理后，通过计算机运算分析，得到气体对应的吸光度值。由于吸收度正比于试样中该成分的浓度，利用获得的吸光度的大小和光谱，并根据吸收与已知浓度的标样的比较，即可对待测样品气进行定量精确分析。本发明由于紫外探测器选用了光伏型结构，并选择ZnO作为半导体材料，因此暗电流较小，背景噪声较低，响应时间较快；并且化学性质稳定，可以在较高温度下工作，从而大大降低了对冷却系统的要求，使整个系统结构简化、重量减轻、降低了成本。本发明是针对低浓度S02气体或N02气体的测量。选用的紫外半导体探测器，其检测灵敏度可根据待测气体类型、通过调节内嵌高欧姆电阻来获得。与通常所用的紫外光电倍增管只能检测一个光信号相比较，本发明采用的紫外光导型探测器可以同时检测多个光信号，并且在噪音、量子化效率方面都优于传统的光电倍增管或微流传感器，抗干扰能力更强，从而确保分析仪检测高灵敏度、探测下限低，使灵敏度感测范围实现在(TlO ppm。本发明利用切光器使得单一光源发出的紫外光束变为双光束，采用双光束分光光度法测量，相比其他光学测量技术，具有以下明显优点通过参比光随时监测光强变化并对变化的影响进行校正的作用，可自动消除光源强度变化所引起的误差，避免由于电源波动或者光源老化引起的测量误差，同时也消除了放大器增益变化和光学及电子学元器件对两条光路不平衡的影响，从而使得飘移减小、基线平直度提高，而且不随温度的变化而变化，提高了仪器的稳定性。本发明选用的紫外光，具有宽连续光谱和高分辨率；相比红外光，电磁波长较短，能量更大；可以快速通过固态检测器获得反映气体浓度的电信号强度，因此抗干扰能力强，可避免和消除颗粒物、粉尘、水分、背景气体的干扰等因素引起的测量漂移；因此，采用紫外分析技术的最大好处是抑制共模，温漂小，具有在线测量稳定性好的优点。而新版《火电厂大气污染排放标准》规定脱硫、脱硝后烟气SO2和NO2排放限值不高于100mg/m3，NDIR非发散红外分析技术面临烟气水分干扰和低浓度无法有效测量的技术瓶颈，因此无法胜任脱硝烟气低浓度的测量要求；
本发明可受益的行业有精炼、石化和化学处理、冶金生产、硬化热处理、天然气生产和分配，易燃混合气体的测量、生物技术、垃圾填埋处理、锅炉烟道气体分析、电厂、过程熔炉和焚化炉、各地CEMS集成商和环监站等。本发明除了适合于S02低浓度烟气的测量，也可·应用于对低浓度N02等烟气的检测。
图I为本发明实施例烟气分析仪的结构布局图。图2为本发明气态污染物检测单元结构示意图。图3为本发明气态污染物检测单元双路布置结构示意图。图4为固态检测器结构示意图(箭头所示为紫外光源10光束入射方向)。
具体实施例方式实施例I :
图I为本发明实施例烟气分析仪的结构布局图，如图所示，包括机箱I、加热控制单元
2、输出显示单元3、数据采集处理单元4、供电电源5，机箱I内设置烟气管路，滤水过滤装置6设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器7、气态污染物检测单元8，本实施例的气态污染物检测单元8，气态污染物检测单元8包括紫外光源10及设置在其后的切光器11，沿光路方向布置在切光器后依次为测量气室12、滤光器13、固态检测器14 ;测量气室12沿光路方向分隔分别为样品池18、参比池19，参比池19内封装标准气体，样品池18设样品池样气进口 16和样品池样气出口 17。切光器11调制紫外光源10发出的光束形成两束单色光，一束进入样品池18，另一束进入参比池19，两束单色光交替照射。上述技术方案中，固态检测器14可以优选半导体光伏型紫外探测器，固态检测器14包括半导体块20、电极21、外电路导线22、负载23，电源24组成，其中，半导体块20设置在滤光器13后部正对光路方向位置，电极21分别位于半导体块20两侧，外电路导线22串联负载23、电源24后分别与半导体块20两侧的电极21相连接。探测器检测灵敏度可根据待测气体类型、通过调节内嵌高欧姆电阻来获得，以满足不同的低浓度检测要求；可调电阻值为12MQ—450MQ ；
上述技术方案中，半导体块20材料优选为ZnO。
本发明的参比池19内封装的标准气体为浓度为100mg/m3的SO2或NO2 ；当待测气体浓度超标时，本发明分析仪将自动报警，判定气体不合格。如果需要兼容各种浓度的气体检测，可以根据客户要求封装特定浓度的待测气体在参比池内。实施例2
如图2所示，为提高烟气分析仪的利用效率，气态污染物检测单元8平行设置两个，可同时针对不同污染物进行测量，只需要在参比池19中封装不同的标准气体并选择想对应的固态检测器即可。例如固态检测器14为SO2固态检测器，还可以再增加一路NO2固态检测器15，两组固态检测器分别为测量量程在(Tl0(T3000 mg/m3 (双量程)的SO2光导型紫外探测器和(T5(T3000 mg/m3 (双量程)的NO2光导型紫外探测器。实施例3 · 将SO2或NO2气体分别与氮气N2 (N2吸收峰较少或不干扰待测气体测定)配制成相同浓度Csq2标=Cnq2标=100mg/m3的标准气体；然后分别封装在对应气体的光路中参比池19内。每个参比池封装一种与待测气体相同的标准气体。本发明的低浓度烟气紫外检测方法，包括如下步骤
步骤I、向低浓度烟气紫外分析仪中通入氮气N2,至氮气N2充满样品池18 ；
步骤2、紫外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过样品池18、滤光器13到达检测传感器14，测量获得光的强度Itl ;另一束光依次通过参比池19、滤光器13到达检测传感器14，测量获得光的强度1# ；
步骤3、通过公式T参=I参/ I。，获得通入氮气N2透射率T参；
步骤4、氮气N2排出；
步骤5、将待测气体通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置6过滤干燥后，充满样品池18 ；
步骤6、紫外光源10发出单色光，经切光器11切光后形成两束光；一束光依次通过样品池18、滤光器13到达检测传感器14，测量获得光的强度I ;
步骤7、通过公式T=I/ I0,获得通入待测气体透射率T ；
步骤8、记参比池21内封装标准气体浓度为C# ；
步骤9、通过公式C = (logT/logT#) C#。，计算得到待测气体浓度C。再通过数据采集处理单元4和输出显示单元3，即可输出待测气体NO或CO的浓度值。在进行上述测量步骤的同时，通过烟气多参数测量腔9中的湿度传感器、温度传感器和压力传感器，预先测得湿度、温度和压力三个参数，得到待测气体的环境参数数据，从而获得标准状态条件。
权利要求
1.一种低浓度烟气紫外分析仪，包括机箱(I)、加热控制单元(2)、输出显示单元(3)、数据采集处理单元(4)、供电电源(5)，机箱(I)内设置烟气管路，滤水过滤装置(6)设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器(7)、气态污染物检测单元(8)，其特征在于所述的气态污染物检测单元(8)包括紫外光源(10)及设置在其后的切光器(11)，沿光路方向布置在切光器后依次为测量气室(12)、滤光器(13)、固态检测器(14);测量气室(12)沿光路方向分隔分别为样品池(18)、参比池(19)，参比池(19)内封装标准气体，样品池(18)设样品池样气进口( 16)和样品池样气出口( 17)。
2.根据权利要求I所述的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于所述的固态检测器(14)包括半导体块(20)、电极(21)、外电路导线(22)、负载(23)，电源(24)组成，其中，半导体块(20)设置在滤光器(13)后部正对光路方向位置，电极(21)分别位于半导体块(20)两侦牝外电路导线(22)串联负载(23)、电源(24)后分别与半导体块(20)两侧的电极(21)相连接。
3.根据权利要求2所述的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于所述的半导体块(20)材料为ZnO。
4.根据权利要求I所述的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于参比池(19)内封装的标准气体为浓度为lOOmg/m3的SO2或NO2。
5.一种低浓度烟气紫外检测方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I、向低浓度烟气紫外分析仪中通入氮气N2，至氮气N2充满样品池(18)； 步骤2、紫外光源(10)发出单色光，经切光器(11)切光后形成两束光；一束光依次通过样品池(18)、滤光器(13)到达检测传感器(14)，测量获得光的强度Itl ;另一束光依次通过参比池(19)、滤光器(13)到达检测传感器(14)，测量获得光的强度1# ； 步骤3、通过公式T参=I参/ I。，获得通入氮气N2透射率T参； 步骤4、氮气N2排出； 步骤5、将待测气体通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，充满样品池(18)； 步骤6、紫外光源(10)发出单色光，经切光器(11)切光后形成两束光；一束光依次通过样品池(18)、滤光器(13)到达检测传感器(14)，测量获得光的强度I ; 步骤7、通过公式T=I/ I0,获得通入待测气体透射率T ； 步骤8、记参比池(21)内封装标准气体浓度为C# ； 步骤9、通过公式C = (logT/logT#) C#,计算得到待测气体浓度C。
全文摘要
本发明属是一种低浓度烟气紫外分析仪及检测方法，提供一种高精度、高可靠性的低浓度烟气分析仪，本发明的气态污染物检测单元8包括紫外光源10及设置在其后的切光器11，沿光路方向布置在切光器后依次为测量气室12、滤光器13、固态检测器14；测量气室12沿光路方向分隔分别为样品池18、参比池19，参比池19内封装标准气体，样品池18设样品池样气进口16和样品池样气出口17，以进行烟气的高精度测量，本发明采用的紫外光导型探测器可以同时检测多个光信号，并且在噪音、量子化效率方面都优于传统的光电倍增管或微流传感器，本发明除了适合于SO2低浓度烟气的测量，也可应用于对低浓度NO2等烟气的检测。
文档编号G01N21/33GK102788764SQ20121029832
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者刘德允, 吴忠, 孙明伟, 范黎锋, 董拯, 陈清, 陈莹 申请人:南京埃森环境技术有限公司