二氧化硫氣體濃度檢測機理的研究

Study on Measurement Mechanism for the Concentration of Sulfur D ioxide

GONG Ruikun, WANG Rulin

(College of Information and Electrical Engineering,
CUMT(Beijing), Be ijing 100083, China)

　　Key words: measurement mechanism; sulfur dioxide; time bilight route

　　紫外熒光法測量二氧化硫濃度是近年來(lái)提出的測定二氧化硫的一種較好方法。根據物質(zhì)分子吸收光譜和熒光光譜能級躍遷機理，有吸收光子能力的物質(zhì)在特定波長(cháng)的光(如紫外光)照射下，分子受激發(fā)躍遷到高能級(激發(fā)態(tài))，在返回基態(tài)瞬間發(fā)射出較激發(fā)光波長(cháng)更長(cháng)的光即熒光。二氧化硫分子便具有這個(gè)特點(diǎn)，其過(guò)程方程式如下：
　　
　　由上式可以看出熒光強度與SO2分子個(gè)數有一定關(guān)系，通過(guò)測量熒光強度可求出SO2濃度。?
　　根據朗伯—比爾定律，光反應腔體中被二氧化硫吸收的紫外光強度的表達式為：
　　
式中：I0為紫外光入射光強，α表示SO2分子對紫外光的吸收系數，l表示光程，c表示SO2氣體的濃度。則光電倍增管接收到的熒光強度表達式為：
　　
式中：G表示光反應腔體的幾何系數，φ表示熒光量子效率。將式(4)在零點(diǎn)泰勒級數展開(kāi)，得到
　
　　這就是小光束單色光測量低濃度二氧化硫的熒光檢測原理。由該式可知，當單色光入射光強不變時(shí)，低濃度二氧化硫氣體的熒光強度與其濃度成正比關(guān)系，這為定量分析二氧化硫濃度提供了理論依據。

　　本文給出了時(shí)間雙光路二氧化硫熒光檢測方法。它通過(guò)電機轉動(dòng)使中心波長(cháng)分別為λ1和λ2的2個(gè)濾光片交替工作，如同二氧化硫熒光前后通過(guò)2個(gè)不同的光路，在間隔很短的時(shí)間內產(chǎn)生2個(gè)熒光信號，通過(guò)對這2個(gè)熒光信號的處理，達到去除干擾和噪聲的目的，提高測量精度。時(shí)間雙光路檢測數學(xué)模型如下：
　
　　
成正比關(guān)系；其他干擾光信號被完全消除，該方法可克服由于背景噪聲和氣體成分改變所引起的偏差。

3.1儀器結構
　　時(shí)間雙光路紫外熒光法測量二氧化硫濃度的分析儀結構原理如圖1所示。首先將待測氣體送入測量氣室，測量氣室左邊的激發(fā)光源所發(fā)出的紫外光經(jīng)過(guò)中心波長(cháng)為214nm，半寬12nm的干涉濾光片進(jìn)入氣室。當紫外光射過(guò)待測氣體時(shí)，氣體中濃度很低的SO2分子受紫外光的激發(fā)成為激發(fā)態(tài)，分子在返回基態(tài)的過(guò)程中發(fā)射出熒光。在測量氣室的上方，通過(guò)石英凸透鏡收集熒光并使其穿過(guò)窄帶干涉濾光片，被光電倍增管接收。電機的轉動(dòng)使兩個(gè)濾光片交替透射熒光，在間隔很短的時(shí)間產(chǎn)生兩個(gè)采樣波段不同的熒光電信號，這兩個(gè)信號通過(guò)信號處理系統的放大，運算，最后轉換成二氧化硫的濃度顯示出來(lái)。其中實(shí)驗選用的元件主要有：激發(fā)光源—鋅燈，其激發(fā)的紫外光主譜線(xiàn)為213.8nm；濾光片1的中心波長(cháng)340nm，半波寬度100nm，可透過(guò)二氧化硫激發(fā)的所有光譜；濾光片2的中心波長(cháng)350nm，半波寬度30nm，可透過(guò)二氧化硫激發(fā)的部分光譜。

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　　光源預熱30分鐘，光強穩定后通入用SO2滲透管和經(jīng)過(guò)除塵，除硫，除濕的空氣配制成的樣氣，測量濾光片1和濾光片2分別工作時(shí)的輸出電壓。改變樣氣中二氧化硫濃度，再次測量輸出電壓，如此重復10次，測量所得數據如表1所示。

　　根據表中數據，我們利用遞推最小二乘參數辨識確定參數c=3.89和d=1.03，將其代入式(7)，計算出每次測量雙光路修正后SO2分子受激發(fā)產(chǎn)生熒光的電壓信號如表2所示。

　　
算上述3條擬合直線(xiàn)各自的相關(guān)系數分別為：
　　
　　通過(guò)對比可以看出，雙光路修正后的電壓信號與二氧化硫濃度的相關(guān)系數R雙更接近1，說(shuō)明時(shí)間雙光路紫外熒光測量方法優(yōu)于單光路測量方法。

　　時(shí)間雙光路二氧化硫熒光檢測法從理論上消除了因氣體成分改變所引起的二氧化硫的測量誤差。通過(guò)實(shí)驗分析，該方法明顯優(yōu)于單光路檢測方法，使之在選擇性、靈敏度、抗干擾能力等都有較大的提高，具有很強的推廣價(jià)值。