一种臭氧浓度实时测量的设计与实现

2019-08-02吴岩磊李洪刚李少亨

天津科技 2019年7期

吴岩磊，李洪刚，李少亨

(天津同阳科技发展有限公司天津300384)

大气中 90%以上的臭氧存在于大气层的上部或平流层，离地面有 10～50km 距离，是需要人类保护的大气臭氧层。然而如果大气中的臭氧，尤其是地面附近的大气中的臭氧聚集过多，对人类安全有害。臭氧几乎能与任何生物组织反应，对呼吸道的破坏性很强，对肺功能也有影响，较高浓度的臭氧对植物也是有害的，因此环保部已经将臭氧 8h浓度列入了污染物监测指标。

本设计的目的在于，面向环境空气质量检测需求，在紫外光谱吸收法的理论基础上，实现臭氧浓度的实时测量，尤其可以对大气中低浓度的臭氧进行浓度实时在线连续测量。

1 测量原理

通过了解臭氧分子(O3)自身的特性可以知道，臭氧分子(O3)分子可以吸收波长为254nm的紫外光(UV)的能量，通过检测紫外光强的变化情况，确定通过的臭氧气体的浓度。而高压汞灯发出的主光谱刚好与此对应，其带宽内的离散光谱，对测量并无影响，这种单一的紫外光的强度和 O3的浓度有直接的关系，其关系式如下：

式中：K为分子吸收系数，在 0℃和标准大气压下取值；L为单元长度cm；C为臭氧浓度，μL/L；I为臭氧样品(样品气)对应的紫外光强度；I0为无臭氧样品(参比气)对应的紫外光强度。

上式变形则有：

由此可见，利用光电传感器监测气体流经光路前后能量的变化情况，即可计算出臭氧的实时浓度。

2 测量系统主体光路的搭建

系统核心主体光路的搭建可分为单光路和双光路2套方案，分别见图1、图2所示。

图1 单光路方案Fig.1 Single light path scheme

单光路测量流程：待测气体首先经过臭氧滤除器，滤除掉待测气体中的臭氧成分后进入光室，通过光电B管测量当前基底光强Io；然后，切换电磁阀使待测气体直接进入光室，通过光电管 B测量含有臭氧成分的测量光强Io，利用公式计算整个周期内的臭氧浓度 C显示并输出。其中，光电管 A的作用是补偿光源差异带来的系统误差。

图2 双光路方案Fig.2 Double light path scheme

双光路测量流程：待测气体进入测量气路后分为两路，通过电磁阀A和B控制，一路经过臭氧滤除器除去臭氧成分后进入光室 B，另一路不经处理直接进入光室 A，通过光电管 A、光电管 B同时测量 Ioa和Ia，此时利用公式计算光室A内部臭氧浓度 Ca；完成上述浓度测量后，切换电磁阀A和B，使经过臭氧滤除器的气体进入光室A，不经过处理的气体直接进入光室B，通过光电管B、光电管A同时测量Iob和Ib，利用公式计算光室B内部臭氧浓度Cb。

完成上述 2次测量过程，为一个测量周期，取一个周期内的 Ca和 Cb均值记为浓度 C显示并输出。采用双光路的测量方法，由理论分析可知，通过交换测量通道，取 2次测量的均值作为最终测量值，能够有效抵消测量误差。

综上所述：单光路和双光路设计，均可实现对臭氧浓度的测量。相比而言，单光路设计简单，硬件搭建和成本相对较低；双光路方案可以同时测量 Io和I，比单光路方案响应更加快速，省略了对初始光强的补偿，使用双气路取平均值规避了光强差异带来的误差。可见双光路方案的优势比较明显，但同时增加了气路和光路的复杂程度。

图3 双光路设计示意图Fig.3 Schematic diagram of double light path design

光路和气路设计，以双光路方案为例，在单光路方案验证过程中，可选择只用 1个气路，同时调整光电管的安装位置即可。图 3中反射镜用于将紫外灯光折射至光电管，对于光室的设计需要严格控制光路长度的尺寸公差以保证计算结果的准确性，光室采用铝制外壳内部镶嵌 PTFE材料以最大限度减少材料对臭氧的消耗。气路中设置温度及压强传感器，以实时对检测浓度进行温度压强补偿。为了滤除杂波干扰，可选择在光室前端增加254nm滤光片。

3 硬件电路设计

如图 4所示，流量压强检测，光电管驱动板均与系统气路连接，主控板由内置 AD采集各路模拟量，并通过计算输出环境温湿度，气路气压和流量，同时利用 PID控制紫外灯状态，使紫外照射光强保持稳定。臭氧浓度采样过程中控制电磁阀的周期性切换，利用多次读取紫外光电管信号取均值后经公式计算和修正输出最终臭氧浓度，并与显示控制板进行通信上传数据。

图4 硬件总体框图Fig.4 Hardware block diagram

4 测试结果及结论

测试条件：标准大气压，25℃；通入臭氧浓度200nL/L，系统稳定后，连续测量30min。测试结果见表1、表2，对比见图5。

表1 单光路系统测量Tab.1 Single light path system measurement

表2 双光路系统测量结果Tab.2 Measurement results of double light path system

综合实验数据对比可知，采用单光路和双光路均可实现对臭氧浓度的检测，并且数据稳定性均达到测量标准，均可应用到实际检测中。相比而言，采用双光路的方案，数据稳定性略好，其原因是双光路在测量的过程中，不断交叉转换测量气路，从而抵消了测量过程中的大部分测量误差，此误差包括紫外灯光强的微小波动，环境温湿度的波动，光电管检测误差等，与此同时设备成本会有一定的增加。因此，在要求测量精度较高，测量环境较差的场合，可以考虑采用双光路方案，在测量精度不高的普通应用场合，可以考虑单光路方案。