氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检测方法
【专利摘要】一种氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检测方法，该装置由紫外光源、准直透镜、转轮、气体吸收池、会聚透镜、紫外光纤、光谱仪和计算机组成；解决了两种气体吸收谱线的FFT特征频率处峰值相互干扰的问题。本发明具有无需测量气体吸收截面、计算简单、响应速度快等优点，无需用温度与压强来修正吸收截面，因此成本低，且稳定性好。
【专利说明】氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体浓度检测，特别是一种氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检 测方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的发展，电力和煤炭的消耗日益增多，火力发电会产生大量的氮氧 化物和二氧化硫，对环境造成危害，因此是全国节能减排的重点之一。一般对燃煤电厂氮氧 化物减排用选择性催化还原（SCR)烟气脱硝技术。其中用于脱硝的NH 3逃逸是该过程控制 的关键指标之一。对于氨气（NH3)浓度的检测，相比于传统的电化学方法，光学法具有非接 触、快速和灵敏度高等特点，被广泛应用于工业过程的监测与监控以及工业废气排放的连 续在线监测等，如非分散红外分析法、差分吸收光谱法、可调谐二极管激光吸收光谱法等。 一台二极管激光器只能测量一种气体，若要同时检测多种气体，需要增加激光器数量，成本 高，也难于集成。非分散红外分析法及差分吸收光谱法可用于多组分气体的测量。
[0003] 在先技术一，利用非分散红外技术测量气体浓度，见《专利：非分散红外多组分烟 气分析仪[P]. 2011》。这一装置含有一个光学滤波轮，滤波轮上的多个窄带滤光片将宽带 (1?10 μ m)的红外光分成多个波段，每个波段对应一种气体的吸收，红外光经多次反射吸 收池被红外探测器接收，经处理计算得出各种气体的浓度。多次反射吸收池的使用增加了 吸收光程，提高了精度，但该技术使用的前提是各组分气体无交叉重叠吸收，且稳定性没有 差分吸收光谱法好。
[0004] 在先技术二，利用吸收截面测量气体浓度，见《专利：同时监测二氧化硫和一氧化 氮气体浓度的便携装置及测量方法[P]. 2008》。这一方法依据502和N0气体在两个波段 处的吸收峰不同特征，测量S02和N0气体浓度，S0 2在200nm和300nm波段都有明显的吸收 峰，而N0气体在300nm波段处没有吸收峰。具体实施：首先利用300nm波段S0 2气体的吸 收谱线计算S02气体浓度，然后选择200nm波段与S02有重叠吸收的N0气体的一个吸收峰 (226nm)，利用300nm波段测量得到的S0 2浓度与226nm处的吸收谱线计算得到N0气体浓 度。该技术可用于测量S02和NH 3混合气体的浓度，但需测量气体的吸收截面，而吸收截面 会随温度压力等因素改变，精确测量需要对其做温度与压力的修正，计算过程复杂。
[0005] 在先技术三，运用傅里叶变换测量气体浓度，见《文献：傅里叶变换在差分吸收光 谱技术气体浓度计算中的应用[J].光谱学与光谱分析，2008, 28 (12) :2830-2834》。该技术 对S02、NO、N02等具有准周期特性的吸收光谱做傅里叶变换，利用特征频率的幅值与气体浓 度呈线性关系从而反演气体的浓度。但是当两种气体在同一波段的准周期吸收特性相同或 者相近时，两种气体的相互影响将会十分严重，由于两种气体的吸收谱线非绝对周期，一方 的吸收会对另一方的FFT峰值也有贡献，直接运用FFT特征频率处的峰值来同时反演两种 气体浓度将产生较大的误差，特别是在高30 2气体浓度（5000?lOOOOppm)下，无法精确测 量200?230nm波段与S02有严重重叠吸收的低NH 3气体的浓度（0?20ppm)。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决上述在先技术的不足，利用氨气与二氧化硫气体的吸收 谱线具有准周期性规律的特点，提供一种氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置和检测方 法，解决两种气体吸收谱线的FFT特征频率处峰值相互干扰的问题。无需测量气体吸收截 面，计算简单，可在高S0 2气体浓度（5000?lOOOOppm)下精确测量低NH3气体浓度（0? 20ppm)。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] -种氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置，其特点在于该装置由紫外光源、准直 透镜、转轮、气体吸收池、会聚透镜、紫外光纤、光谱仪和计算机组成；沿所述的紫外光源发 出的紫外光依次是所述的准直透镜、转轮上的氮气参比气室或氨气参比气室、气体吸收池、 会聚透镜、紫外光纤，该紫外光纤的输出端连接光谱仪的接收端，该光谱仪的输出端接计算 机的输入端；
[0009] 所述的氨气参比气室的氨气浓度为lOOOppm?2000ppm ;
[0010] 所述的紫外光源为氙灯、氘灯或卤钨灯，发射的光波段覆盖185?400nm ;
[0011] 利用上述氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置检测氨气和二氧化硫气体浓度的 方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
[0012] 步骤一、标定：
[0013] 1)在所述的气体吸收池充入氮气，将所述的氮气参比气室通过转轮置于光路中， 启动所述的紫外光源和计算机，紫外光源发出紫外光经准直透镜后变成平行光通过高浓度 氮气参比气室，入射到气体吸收池，从气体吸收池出射的光经会聚透镜聚焦耦合进紫外光 纤输入到所述的光谱仪的接收端，光谱仪输出的数据信号输入所述的计算机，计算机通过 软件采集得到背景光强Ι〇(λ);
[0014] 2)在所述的气体吸收池充入浓度为lOOOppm的二氧化硫气体，将所述的氨气参比 气室通过转轮置于光路中，紫外光源发出紫外光经准直透镜后变成平行光通过高浓度氨气 参比气室，入射到气体吸收池，从气体吸收池出射的光经会聚透镜聚焦耦合进紫外光纤输 入到所述的光谱仪的接收端，光谱仪输出的数据信号输入所述的计算机，计算机通过软件 采集得到气体吸收后的光强Ii ( λ );
[0015] 3)计算机对数据信号进行计算处理，选取195?225nm的光谱数据，根据 Beer-Lambert定律山（入）=IQU)exp(-。（λ)α)，σ (λ)为吸收截面，C为气体浓度， L为吸收长度，得到吸收度
【权利要求】
1. 一种氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置，其特征在于该装置由紫外光源（1)、准 直透镜（2)、转轮（3)、气体吸收池（4)、会聚透镜（5)、紫外光纤（6)、光谱仪（7)和计算机 (8)组成；沿所述的紫外光源（1)发出的紫外光依次是所述的准直透镜（2)、转轮（3)上的 氮气参比气室（301)或氨气参比气室（302)、气体吸收池（4)、会聚透镜（5)、紫外光纤（6)， 该紫外光纤（6)的输出端连接光谱仪（7)的接收端，该光谱仪（7)的输出端接计算机（8) 的输入端。
2. 根据权利要求1所述的氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置，其特征在于所述的氨 气参比气室（302)的氨气浓度为lOOOppm?2000ppm。
3. 根据权利要求1所述的氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置，其特征在于所述的紫 外光源（1)为氙灯、氘灯或卤钨灯，发射的光波段覆盖185?400nm。
4. 利用权利要求1所述的氨气和二氧化硫气体浓度的检测装置检测氨气和二氧化硫 气体浓度的方法，其特征在于该方法包括如下步骤： 步骤一、标定： 1) 在所述的气体吸收池（4)充入氮气，将所述的氮气参比气室（301)通过转轮（3)置 于光路中，启动所述的紫外光源（1)和计算机（8)，紫外光源（1)发出紫外光经准直透镜 (2)后变成平行光通过高浓度氮气参比气室（301)，入射到气体吸收池（4)，从气体吸收池 (4)出射的光经会聚透镜（5)聚焦耦合进紫外光纤（6)输入到所述的光谱仪（7)的接收端， 光谱仪（7)输出的数据信号输入所述的计算机（8)，计算机（8)通过软件采集得到背景光强 1〇(入）； 2) 在所述的气体吸收池（4)充入浓度为lOOOppm的二氧化硫气体，将所述的氨气参比 气室（302)通过转轮（3)置于光路中，紫外光源（1)发出紫外光经准直透镜（2)后变成平 行光通过高浓度氨气参比气室（302)，入射到气体吸收池（4)，从气体吸收池（4)出射的光 经会聚透镜（5)聚焦耦合进紫外光纤（6)输入到所述的光谱仪（7)的接收端，光谱仪（7) 输出的数据信号输入所述的计算机（8)，计算机（8)通过软件采集得到气体吸收后的光强 L(入）； 3) 计算机⑶对数据信号进行计算处理，选取195?225nm的光谱数据，根据 Beer-Lambert定律山（入）=IQ(A)exp(-〇 (X)CL)，〇 U)为吸收截面，C为气体浓度， L为吸收长度，得到吸收度
*其中i表示气体组分；由 于待测对象多为混合气体和颗粒的混合物，所以存在水蒸气的吸收、CCD的响应、米氏散射、 瑞利散射因素的影响，因而吸收度分为快变D':(入）和慢变D":(入）两部分： Di(入）=D，！（入）+D" !(入）
其中eR、eM分别表示瑞利散射系数和米氏散射系数，o' i是随波长快速变化的窄带 吸收截面，〇 ib是随波长缓慢变化的宽带吸收截面；对由195?225nm的光谱数据计算得到 的吸收度Di ( A )进行五阶多项式拟合，得到拟合系数ai、bp Cl、屯、ei、，吸收度慢变部分 表示为： D " i (入）=ai 入 5+bi 入 4+Ci 入 3+di 入 2+ei 入 +f 工， 差分吸收度D'从入丨二口从入）-。"从入），对具有准周期性规律的差分吸收度 D' 进行傅里叶变换，得到二氧化硫气体的特征峰值校-,2; 4) 重复步骤2)、3)，所不同的是在所述的气体吸收池（4)依次充入浓度为1500、2000、 2500、3000、3500、4000、4500、5000DDm的二氧化硫气体，分别得到二氧化硫气体的特征峰值
5) 用最小二乘法对二氧化硫气体的特征峰值与二氧化硫的气体浓度C%进行拟 合，得到拟合系数叫、如Cs〇2 = ,/^〇2 +?|; 6) 重复步骤2)、3)，所不同的是在所述的气体吸收池（4)充入浓度分别为2、4、6、 8、10、12、14、16、18、20ppm的氨气以及lOOOppm的二氧化硫混合气体，用最小二乘法对氨 气的特征峰值与氨气浓度Ckh,进行线性拟合，得到拟合系数m2、n2，所述的氨气浓度
7) 重复步骤6)，所不同的是二氧化硫的浓度依次换成1500、2000、2500、3000、3500、 4000、4500、5000ppm，得到不同二氧化硫浓度下的氨气的特征峰值与氨气浓度拟合 公式，所述的拟合系数m2与二氧化硫浓度Cs〇2近似三次函数关系，通过三次拟合得到拟合 系数
所述的拟合系数n2与二氧化硫浓度 近似线性关系，通过拟合得到系数qi、q2，所述的拟合系娄
步骤二、测量： 1) 重复步骤一中的2)、3)，所不同的是在所述的气体吸收池（4)充入待测氨气和二氧 化硫混合气体，得到经参考气室氨气、待测氨气和二氧化硫混合气体吸收后的光强12 (入）， 计算机对光谱仪传输的数据信号进行计算处理，得到波长为195?225nm的经氮气参比 气室和氨气、二氧化硫混合气体吸收的吸收度D2U)，D2(X)=D' 2(A)+D" 2(入），对 由195?225nm的光谱数据计算得到的吸收度％(入）进行五阶多项式拟合，D" 2U)= a2入5+b2入4+c2人 3+d2人2+e2人+f2,得到拟合系数a 2、b2、c2、d2、e2、f 2，差分吸收度IV 2 ( X )= D2(A)-D" 2(入），对具有准周期性规律的差分吸收度D' 2(入）进行傅里叶变换，得到待测 二氧化硫气体的特征峰值，通过下式计算二氧化硫气体浓度Cs〇j :
2) 重复步骤二中的1)，所不同的是：转轮转动180°，切换到氮气参比气室（301)，得到 待测氨气和二氧化硫混合气体吸收后的光强I3( A )，计算机对光谱仪传输的数据信号进行 计算处理，得到波长为195?225nm的经氮气参比气室和氨气、二氧化硫混合气体吸收的吸 收度〇3(入），03(入）=0'3(入）+0"3(入），对由195?225腦的光谱数据计算得到的吸收 度D3 (入）进行五阶多项式拟合，D " 3 (入）=a3 X 5+b3入4+c3入3+d 3入2+e3入+f3,得到拟合系 数83、153、。3、(13、63、心，差分吸收度1)' 3(入）=〇3(入）-〇"3(入），对具有准周期性规律的 差分吸收度D' 3(X)进行傅里叶变换，得到氨气气体的特征峰值，通过下式计算氨气 的浓度
【文档编号】G01N21/33GK104280355SQ201410578821
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】董作人, 郁敏捷, 孙延光, 蔡海文, 叶青, 刘铭晖, 魏芳 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所