专利名称：非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器的制作方法
技术领域：
新型实用涉及一种用非脉冲紫外荧光法针对大气污染H2S、SO2气体进行实时连续 监测的光、机、电一体化传感器。
背景技术：
随着社会经济的发展和城市化工业化进程的加快，环境污染已经作为一个不可回 避的重要问题，因此利用现代化科学技术手段对环境质量进行实时监测，及时反应污染状 况，为环境标准的制定、污染减排、促进经济社会与环境协调发展和实施可持续发展战略具 有积极的意义。目前，我国环境空气质量监测基本上处于仍以手动和半自动采样仪器为主，只有 部分用户使用了自动监测。由于缺乏连续自动的空气质量监测仪器，影响并制约了我国环 保执法和环境质量监督管理水平。发展自主知识产权的监测技术，形成环境监测仪器产业， 可替代进口，节省外汇，满足当前我国对空气质量监测仪器的迫切需求，带动其它相关领域 的发展；从长远看，可打破发达国家在这一技术领域的垄断，提高我国在环境监测仪器国际 大市场中的竞争力，提高环境监测能力和环境监督执法现代化水平，响应国家号召大力发 展环保产业。随着我国在环保方面投资的持续增加，环保产业将成为国民经济新的增长点。
发明内容本实用新型的目的是针对上述现状，旨在提供一种的非脉冲紫外荧光法大气污染 监测气体传感器。本实用新型目的的实现方式为，非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，光 学平台与光电传感器连接，光学平台外有紫外光源，光学平台通过管道和恒流装置与碳烃 剔除器的外管连接，气体转换装置分接三通、三通电磁阀，三通电磁阀与碳烃剔除器内管连 接，碳烃剔除器内管与光学平台连接，碳烃剔除器的外管接抽气泵，光学平台通过光电传感 器、放大电路、电子测量控制系统与标准信号输出等外围接口连接，光学平台的紫外光源固定在光源座上，光学平台装透镜，装透镜的透镜座与反应 池连接，反应池有出气口，反应池上装锥形套、聚焦镜，聚焦镜与冷却器相连，冷却器内装光 电倍增管PMT、光电倍增管PMT外有冷却器总成，冷却器外装散热片，锥形套一边有进气 口，锥形套上部装光电管，气体催化转化装置的马弗炉内装石英玻璃管，内壁有保温材料，光电倍增管PMT放大电路由0PA124DR低噪声精密运算放大器构成。本实用新型利用SO2分子吸收紫外光(UV)，在某个波长受到激励，然后衰减至较低 的能量状态，在另一个不同的波长发射UV光。S02+hvl — SO2* — SO2+hv2被测样气通过气路接口流经碳氢化合物剔除器，剔除器迫使碳氢化合物分子反渗 透穿过管壁，将碳氢化合物从样品中去除。SO2分子经过碳氢化合物剔除器时不受影响。[0012]一定波长的非脉冲紫外光经过透镜总成，进入荧光反应室，受到激励的SO2分子衰 减至较低的能量状态时，发射出另一波长的荧光，所发射的荧光光强与SO2浓度成比例；带 通滤光片由经过激励的SO2分子发射的波长到达光电倍增管PMT被检测。位于荧光反应室 后面的光电探测器持续监控紫外光源的光强，并连接到电路补偿光照强度里产生的波动。光电倍增管PMT将检测到的光信号转换成电流信号，再通过放大电路及低噪声精 密运算放大器0PA124DR进行电流转电压并放大成0-5V的标准信号输出。H2S气体利用其高温分解的特性，恒温加热，分解成S02+H20，通过数字信号处理和 阀组切换，先测量SO2，然后测量H2S、SO2的总和，再减去SO2的浓度，即为H2S的浓度。本实用新型采用了非脉冲紫外荧光、低噪声精密放大电路，气体转换装置加热和 冷却器制冷，利用了 H2S气体高温分解原理，可以实时连续监测大气污染物中的S02、H2S气 体，最低检测限达到Ippb级，降低了噪声，抗干扰能力强，测量精度大大提高，数据更稳定。

图1是本实用新型结构示意图，图2是光学平台结构示意图，图3是放大电路原理图，图4是制冷电路原理图，图5是加热电路原理图，图6是气体转换装置的马弗炉结构示意图。
具体实施方式
本实用新型包括气体传感器光学平台、电子测量控制系统、气体转化装置、以及外 围接口。下面参照附图详述本实用新型。参照图1，本实用新型光学平台6与光电传感器7连接，光学平台6外有紫外光源 5，光学平台6通过管道和恒流装置11与碳烃剔除器4的外管连接，气体转换装置3分接三 通1、三通电磁阀2，三通电磁阀2与碳烃剔除器4内管连接，碳烃剔除器4内管与光学平台 6连接，碳烃剔除器4的外管接抽气泵12，光学平台6通过光电传感器7、放大电路8、电子 测量控制系统9与标准信号输出等外围接口 10连接，紫外光源6为开关电源供电的非脉冲紫外光，紫外光源6发出紫外光，进入光学平 台6，由光电传感器7接收至放大电路8放大处理和标准信号输出等外围接口 10。被测样 气经三通1分两路一路由三通电磁阀2到达碳烃剔除器4内管，另一路经过气体转换装置 3，由三通电磁阀2到达碳烃剔除器4内管，再到达光学平台6，再经过恒流装置11流经碳烃 剔除器4的外管经过抽气泵12排出。被测样气气体进口、抽气泵12的出气口采用316L不锈钢材料制作，主要是不与被 测量物质发生反应，其次是耐腐蚀。反应池17、透镜座15、锥形套18等组件采用铝合金材 料精密加工而成，保证其强度要求，且不易变形，同时须保证聚焦镜的焦距尺寸；表面均勻 喷涂特富龙，防止与被测物质发生反应以及耐腐蚀；透镜采用石英玻璃材料，保证最大透过 率，防止光散射和衰减。
4[0027]碳烃剔除器4采用反渗透Kicker管，内管为直径2mm、长70英寸的软管，外管为 直径6X4mm的Teflon管。流体流向为内管与外管成反向。外管气体对内管产生负向压 力，即使碳氢分子反向渗透排除，也不损失样气中SO2的浓度。被测气体经过Kicker管过滤碳氢化合物，到达气体转换装置3，在非脉冲紫外光 的激励下，呈激发态并瞬间返回基态发射出荧光，荧光被聚焦到光电倍增管PMT接收，荧光 的光强与SO2的浓度的浓度成正比。光电管检测紫外光的强度并参与计算，补偿因为光源起 伏对SO2的测量浓度的影响。气体浓度和电压输出通过标准气体传递，线性方程y = ax+b 拟合，式中b为截距由零点浓度气体确定，a为斜率由满量程80%标准气体确定。参照图2，光学平台的紫外光源5固定在光源座14上，装透镜15的透镜座16与反 应池17连接，反应池17有出气口 18，反应池上装锥形套19、聚焦镜24，聚焦镜24与冷却器 23相连，冷却器23内装光电倍增管PMT22、光电倍增管PMT外有冷却器器23，冷却器23外 装散热片25，锥形套19 一边有进气口 20，锥形套上部装光电管21。反应池17表面喷涂Teflon，内部管路采用Teflon或316L不锈钢材料。紫外光源5发出紫外光，经过透镜15到达反应池17，激发S02发出的荧光由PMT22 接收，紫外光的光强由光电管21接收用于补偿由于光源起伏对测量的影响，冷却器总成23 和散热片25用于对PMT22的制冷。样气由进气口 20进入光学平台，由出气口 13排出。如图3所示，紫外光源采用非脉冲直流电源供电，光电倍增管PMT放大电路由 0PA124DR低噪声精密运算放大器构成。光电倍增管PMT22的信号输出到0PA124DR，由Rl、 R2、Cl及0PA124DR组成电流转电压电路，经过R3到TLC2202进行放大至0-5V输出。参照图4，光电传感器7采用帕贴耳(Peltier)热电制冷器，恒定制冷7°C，使光电 倍增管PMT工作在最稳定状态，将暗电流控制在最低，提高增益信号，测量精度更高。NTC输 出到由R29分压，至U8A-TL082射级跟随器，由U8A-TL082射级跟随器输出至由U8B-TL082 及R31、R33、C20组成的积分电路，再由4N30控制LT1083CP输出供电给帕贴耳(Peltier) 热电制冷器。参照图5，气体转换装置3采用子弹式加热器，恒温加热50°C，防止样气冷凝导致
测量误差。温度传感器输出至R15由U6-LTC1050、R16、R17放大输出至U7-TL494比较输出脉 宽信号，经过电阻R27控制SSR给子弹式加热器供电。经过反应池17恒温加热和光电倍增管PMT冷却处理。本实用新型可以在不同的气候条件下正常工作，消除了环境、样品的温度和湿度 变化带来的测量误差，具有很高的推广使用价值。如图6所示，气体转化装置3的马弗炉28内装石英玻璃管27，内壁有保温材料26。 马弗炉炉体采用美国陶瓷纤维材料，升温速度快、保温性能好，升到iiocrc炉体表面温度只 有60°C (国家标准是100°C )左右，加热丝采用瑞典康泰尔公司的镍烙合金材料及硅钼棒 和硅碳棒材料。加热温度均勻、升温速度快，使用寿命更长，升到650°C只要10-15分钟，节 能性能好，是普通马弗炉能耗的40%左右，不掉粉尘、不掉渣，不会影响做试验的效果。被测 样气在马弗炉内，加热至650°C，气体经过恒定高温催化分解，成为S02+H20，效率可达96% 以上。
权利要求非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于光学平台与光电传感器连接，光学平台外有紫外光源，光学平台通过管道和恒流装置与碳烃剔除器的外管连接，气体转换装置分接三通、三通电磁阀，三通电磁阀与碳烃剔除器内管连接，碳烃剔除器内管与光学平台连接，碳烃剔除器的外管接抽气泵，光学平台通过光电传感器、放大电路、电子测量控制系统与标准信号输出外围接口连接，光学平台的紫外光源固定在光源座上，光学平台装透镜，装透镜的透镜座与反应池连接，反应池有出气口，反应池上装锥形套、聚焦镜，聚焦镜与冷却器相连，冷却器内装光电倍增管PMT、光电倍增管PMT外有冷却器总成，冷却器外装散热片，锥形套一边有进气口，锥形套上部装光电管，气体催化转化装置的马弗炉内装石英玻璃管，内壁有保温材料，光电倍增管PMT放大电路由OPA124DR低噪声精密运算放大器构成，紫外光源为开关电源供电的非脉冲紫外光。
2.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于反 应池(17)表面喷涂Teflon，内部管路采用Teflon或316L不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于反 应池(17)、透镜座(15)、锥形套(18)采用铝合金材料加工而成，表面均勻喷涂特富龙。
4.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于碳 烃剔除器(4)采用反渗透Kicker管，内管为直径2mm、长70英寸的软管，外管为直径6X4mm 的 Teflon 管。
5.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于光 电传感器(7)采用帕贴耳(Peltier)热电制冷器。
6.根据权利要求1所述的非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，其特征在于被 测样气气体进口、抽气泵(12)的出气口采用316L不锈钢材料制作。
专利摘要非脉冲紫外荧光法大气污染监测气体传感器，涉及一种用非脉冲紫外荧光法针对大气污染H2S、SO2气体进行实时连续监测的传感器。它包括气体传感器光学平台、电子测量控制系统、气体转化装置、以及外围接口。气体光学平台包括进、出气口、紫外光源、光学镜片、气体转换装置、紫外光传感器、光电传感器等。电子测量系统包括I/V转换及放大电路加热制冷等组成。气体转化装置将被测H2S气体转换成SO2气体。本实用新型采用了非脉冲紫外荧光、低噪声精密放大电路，气体转换装置加热和冷却器制冷，利用了H2S气体高温分解原理，可以实时连续监测大气污染物中的SO2、H2S气体，最低检测限达到1ppb级，降低了噪声，抗干扰能力强，测量精度大大提高，数据更稳定。
文档编号G01N21/64GK201666873SQ20092008717
公开日2010年12月8日 申请日期2010年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者万勇, 代波华 申请人:武汉怡特环保科技有限公司