反射式可拆卸紫外气体吸收池设计

吴 轲，张奥男，刘 莹，雍盛贵

(1.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121；2.上海宝川自控成套设备有限公司，上海 201204)

0 引言

随着中国经济转型发展和人们生活品质不断提升，国家对环境污染这一问题越来越重视，特别是大气污染问题。大气污染产生的危害极为广泛，它能够破坏生态环境，危害人类健康。在这种严峻的形势下，国家重拳出击，陆续出台和修改了一系列行业标准，例如《环境空气质量标准》[1]、《锅炉大气污染物排标准》[2]。在中国，大气污染主要来源于工业废气，因此各种烟气监测设备大量应用于工业废气监测。

目前，烟气分析按照原理划分通常有光谱吸收分析法、电化学检验法、气象色谱法等。电化学检验法的优点是简单，传感器和检测气体一一对应；但其不能应对复杂的工况。气象色谱法检测精度高，但体积大、成本高。光谱吸收法中的傅里叶红外烟气分析仪技术成熟，长期用于化学分析，具有分辨率高、可以对多种气体分子进行测量的优点。其缺点是：价格昂贵、易受水汽和粉尘等的影响[3]。紫外差分法主要是利用吸收分子在紫外光段的特征吸收来测量烟气中特征污染气体组分[4],具有高灵敏度、可实时测量、环境适用性高、设备价格低、维护成本不高的特点。国内很多单位都采用这个方法对二氧化硫、一氧化氮进行监测。而作为紫外烟气分析仪的核心部件，气体吸收池为光路传播和气体吸收的提供了一个稳定的场所，对整个分析仪的测量精度和稳定性有着重要的影响。

现有直通气室受整机体积限制，光程短，而气体的低浓度测量需要使用长光程。长期工作时，与气体直接接触的光学镜片上会附着污染物，而光学玻璃是整个气体吸收池光传播的核心器件，拆卸清洗后安装需要重新调整光路，用户自行维护困难。因此设计一款长光程，以满足低浓度测量，且定期维护方便的气体吸收池取代现有紫外差分分析仪中的直通气体吸收池具有一定的实际意义。

1 基本原理

比尔-郎伯定律表达式为：

(1)

式中:A为吸光度；I0为入射光强度；It为出射光强度；K为摩尔吸收系数；c为吸收光物质的浓度；b为吸收层厚度[5]。

摩尔吸收系数与吸收物质的性质及入射光的波长有关，吸收层厚度也可以理解为光程。根据式(1)可以看出，只要待测物质和光源确定，吸收物质的浓度和吸收层厚度成反比。想要测量更低的浓度，就需要增加吸层厚度。对于气体吸收池来说，有效的方法就是增大光程。

直通气体吸收池光路原理如图1所示。

图1 直通气体吸收池光路原理图

现有的紫外直通气体吸收池采用的是单通路，即气室一头发射光，另一头接收光。光的入射端和出射端都分布有光学镜片，用于光的整形。这种结构设计简单。如果要增大光程，直接的方法就是将气室加长，但考虑到整台设备的大小和设备内部其他组件的分布，气体吸收池的长度增加会受到限制,不能设计单通路气体吸收池来满足低浓度测量。

反射式气体吸收池光路原理如图2所示。

图2 反射式气体吸收池光路原理图

采用反射原理，能保证在吸收池合理体积范围内极大程度地提高气体吸收池的有效光程。基于反射原理的新型长光程主要包括怀特型吸收池、积分球吸收池[6]、基于直角棱镜的吸收池等。怀特型气体吸收池依靠三面曲率半径相同的凹面镜进行反射，可实现几十米光程，结构简单、性能稳定；但反射过程中光能量损失大、价格昂贵[7]。积分球吸收池也是运用反射的原理，体积小、成本低；但由于气光路原理的特性决了其测量精度有限，对光源及连接部件封装工艺要求高[8]。基于直角棱角镜的吸收池采用两个直角棱镜来对光进行多次反射，其优点是结构简单，光在传递过程不会发生相互干扰，使得探测器的测量更为准确。其采用的是全反射原理，因此对棱镜的安装精度及抗震性要求都很高。基于成本、测量精度和稳定性的考虑，采用单次反射原理，从结构上能够保证其构造简单，光路调整方便，能够实现不破坏光路的前提下实现可拆卸性。从光路原理上来说，采用单次反射不需要结构复杂的光学元件、无需定制，只需选购市场上标注的光学元件就能实现光路的一次反射，替换现有的直通气体吸收池不会大幅度增加成本，实现低浓度测量和低成本维护。

反射式可拆卸吸气体吸收池的光路分为三大部分。通过光纤，将光源发出的紫外光引入到气体吸收池内,穿过待测气体后再通过光纤将光传入到接收器上。两个窗口玻璃之间(包括窗口玻璃)作为一部分，两玻璃之间存储着待测气体。反射端作为第三部分，主要对光进行反射。为提高200～400 nm波段的紫外光传递效率、降低光传递过程中的损失，光学透镜均采用石英材质。石英玻璃的光学性能非常优异,在红外到紫外光的连续波长范围内都有良好的透过率[9]。根据吸收池体积要求来确定光学透镜的尺寸，再结合所要求的光程以及元件的安装结构对入射端和出射端之间的夹角进行设计。实际过程中，入射端的准直透镜无法保证光线严格意义上的准直，紫外光通过透镜后都会有一定的发射角。如果反射镜面采用常规平面反射镜，反射到出射端的光会继续发散，不能保证尽可能多的光都能回到出射端的透镜上。如果发射角过大，发散的光还可能在吸收池的内壁反射，降低整机的性噪比。因此，反射镜采用外形为平凸透镜，反射膜采用适用于紫外波段的金属铝膜，既能实现光的反射，又能对光进行整形，以提高光的利用率、延长光源的使用寿命。同时，运用光学反正软件ZEMAX对光路进行辅助设计和光路优化。ZEMAX光路仿真图如图3所示。

图3 ZEMAX光学仿真图

通过图3可以看出，上下两端的光路实现了对称的设计。在实际安装过程中入射端和出射端没有严格意义的区分,降低了整机装配的复杂程度。考虑两面窗口玻璃是否会影响光的传播。通过仿真可以看到，由于两面玻璃厚度很薄，光通过窗口玻璃产生很微小的偏移，不会对光路产生影响。

2 结构设计

基于上一节阐述的光学原理，开始结构设计。反射气体吸收池结构如图4所示。主气室的移动不会对整个气体吸收池的光路产生影响，待测气体也不会与光学的核心镜片发生直接接触，不会造成污染的情况。整个气体吸收池的定期清洗只需拆卸中间的主气室进行维护，不会破坏光路。

图4 反射气体吸收池结构图

2.1 发射接收模块设计

发射接收模块主要包含发射和接收端光学透镜，以及透镜的调整装置。通过光学原理可知，该模块主要用于入射光和出色光的整形。通过调整装置来调节光的准直度，保证光提高光的利用率。装置设计有光纤的通用接口。

2.2 主气室设计

主气室主要储存待测气体。主气室圆筒结构的顶部等距开有两个螺纹孔，用于进、出气接头的安装。两面窗口玻璃分别设计在主气室两侧端盖上，方便气室的定期拆卸清洗。腔体内部是一个规整的圆柱形，没有复杂的腔体结构阻止待测气体的顺利流通，因此不会产生测量的滞后，对整机测量的灵敏度有一定的帮助。为了提高气体吸收池的性噪比，可将主气室的内壁涂刷特定的吸光材料，减少光在内壁的反射。因此在设计时，主气室两个端盖的端面设计有密封结构，保证主气室装配完成前后处于密封状态。

2.3 反射模块设计

反射模块包括反射镜和反射镜调整机构。反射镜的安装配有密封结构，以保证反射膜在使用过程中不被污染。而反射镜调整机构主要用于在进行气体吸收池的光路模块安装时，进行反射镜角度的调整，保证反射的光能准确射入到接收端的光学透镜。

3 结束语

本文设计了一种用于紫外烟气分析仪的基于反射原理的可拆卸气体吸收池。一方面通过反射原理，在控制分析仪整机尺寸条件下大幅度提高了光程，适应更低浓度的气体测量；另一方面能够解决现有直通气室后期维护繁琐的问题，维修更换也更为方便。结构上，三个模块相互独立安装，通过更换不同的光学透镜，还能应用到红外烟气测量中，具有一定的实用价值。