反射式可拆卸紫外氣體吸收池設(shè)計(jì)

吳 軻，張奧男，劉 瑩，雍盛貴

(1.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121；2.上海寶川自控成套設(shè)備有限公司，上海 201204)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展和人們生活品質(zhì)不斷提升，國(guó)家對(duì)環(huán)境污染這一問(wèn)題越來(lái)越重視，特別是大氣污染問(wèn)題。大氣污染產(chǎn)生的危害極為廣泛，它能夠破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類(lèi)健康。在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，國(guó)家重拳出擊，陸續(xù)出臺(tái)和修改了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[1]、《鍋爐大氣污染物排標(biāo)準(zhǔn)》[2]。在中國(guó)，大氣污染主要來(lái)源于工業(yè)廢氣，因此各種煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備大量應(yīng)用于工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)。

目前，煙氣分析按照原理劃分通常有光譜吸收分析法、電化學(xué)檢驗(yàn)法、氣象色譜法等。電化學(xué)檢驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，傳感器和檢測(cè)氣體一一對(duì)應(yīng)；但其不能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工況。氣象色譜法檢測(cè)精度高，但體積大、成本高。光譜吸收法中的傅里葉紅外煙氣分析儀技術(shù)成熟，長(zhǎng)期用于化學(xué)分析，具有分辨率高、可以對(duì)多種氣體分子進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴、易受水汽和粉塵等的影響[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來(lái)測(cè)量煙氣中特征污染氣體組分[4],具有高靈敏度、可實(shí)時(shí)測(cè)量、環(huán)境適用性高、設(shè)備價(jià)格低、維護(hù)成本不高的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)很多單位都采用這個(gè)方法對(duì)二氧化硫、一氧化氮進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而作為紫外煙氣分析儀的核心部件，氣體吸收池為光路傳播和氣體吸收的提供了一個(gè)穩(wěn)定的場(chǎng)所，對(duì)整個(gè)分析儀的測(cè)量精度和穩(wěn)定性有著重要的影響。

現(xiàn)有直通氣室受整機(jī)體積限制，光程短，而氣體的低濃度測(cè)量需要使用長(zhǎng)光程。長(zhǎng)期工作時(shí)，與氣體直接接觸的光學(xué)鏡片上會(huì)附著污染物，而光學(xué)玻璃是整個(gè)氣體吸收池光傳播的核心器件，拆卸清洗后安裝需要重新調(diào)整光路，用戶(hù)自行維護(hù)困難。因此設(shè)計(jì)一款長(zhǎng)光程，以滿(mǎn)足低濃度測(cè)量，且定期維護(hù)方便的氣體吸收池取代現(xiàn)有紫外差分分析儀中的直通氣體吸收池具有一定的實(shí)際意義。

1 基本原理

比爾-郎伯定律表達(dá)式為：

(1)

式中:A為吸光度；I0為入射光強(qiáng)度；It為出射光強(qiáng)度；K為摩爾吸收系數(shù)；c為吸收光物質(zhì)的濃度；b為吸收層厚度[5]。

摩爾吸收系數(shù)與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，吸收層厚度也可以理解為光程。根據(jù)式(1)可以看出，只要待測(cè)物質(zhì)和光源確定，吸收物質(zhì)的濃度和吸收層厚度成反比。想要測(cè)量更低的濃度，就需要增加吸層厚度。對(duì)于氣體吸收池來(lái)說(shuō)，有效的方法就是增大光程。

直通氣體吸收池光路原理如圖1所示。

圖1 直通氣體吸收池光路原理圖

現(xiàn)有的紫外直通氣體吸收池采用的是單通路，即氣室一頭發(fā)射光，另一頭接收光。光的入射端和出射端都分布有光學(xué)鏡片，用于光的整形。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。如果要增大光程，直接的方法就是將氣室加長(zhǎng)，但考慮到整臺(tái)設(shè)備的大小和設(shè)備內(nèi)部其他組件的分布，氣體吸收池的長(zhǎng)度增加會(huì)受到限制,不能設(shè)計(jì)單通路氣體吸收池來(lái)滿(mǎn)足低濃度測(cè)量。

反射式氣體吸收池光路原理如圖2所示。

圖2 反射式氣體吸收池光路原理圖

采用反射原理，能保證在吸收池合理體積范圍內(nèi)極大程度地提高氣體吸收池的有效光程?；诜瓷湓淼男滦烷L(zhǎng)光程主要包括懷特型吸收池、積分球吸收池[6]、基于直角棱鏡的吸收池等。懷特型氣體吸收池依靠三面曲率半徑相同的凹面鏡進(jìn)行反射，可實(shí)現(xiàn)幾十米光程，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定；但反射過(guò)程中光能量損失大、價(jià)格昂貴[7]。積分球吸收池也是運(yùn)用反射的原理，體積小、成本低；但由于氣光路原理的特性決了其測(cè)量精度有限，對(duì)光源及連接部件封裝工藝要求高[8]?；谥苯抢饨晴R的吸收池采用兩個(gè)直角棱鏡來(lái)對(duì)光進(jìn)行多次反射，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光在傳遞過(guò)程不會(huì)發(fā)生相互干擾，使得探測(cè)器的測(cè)量更為準(zhǔn)確。其采用的是全反射原理，因此對(duì)棱鏡的安裝精度及抗震性要求都很高?；诔杀?、測(cè)量精度和穩(wěn)定性的考慮，采用單次反射原理，從結(jié)構(gòu)上能夠保證其構(gòu)造簡(jiǎn)單，光路調(diào)整方便，能夠?qū)崿F(xiàn)不破壞光路的前提下實(shí)現(xiàn)可拆卸性。從光路原理上來(lái)說(shuō)，采用單次反射不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)元件、無(wú)需定制，只需選購(gòu)市場(chǎng)上標(biāo)注的光學(xué)元件就能實(shí)現(xiàn)光路的一次反射，替換現(xiàn)有的直通氣體吸收池不會(huì)大幅度增加成本，實(shí)現(xiàn)低濃度測(cè)量和低成本維護(hù)。

反射式可拆卸吸氣體吸收池的光路分為三大部分。通過(guò)光纖，將光源發(fā)出的紫外光引入到氣體吸收池內(nèi),穿過(guò)待測(cè)氣體后再通過(guò)光纖將光傳入到接收器上。兩個(gè)窗口玻璃之間(包括窗口玻璃)作為一部分，兩玻璃之間存儲(chǔ)著待測(cè)氣體。反射端作為第三部分，主要對(duì)光進(jìn)行反射。為提高200～400 nm波段的紫外光傳遞效率、降低光傳遞過(guò)程中的損失，光學(xué)透鏡均采用石英材質(zhì)。石英玻璃的光學(xué)性能非常優(yōu)異,在紅外到紫外光的連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都有良好的透過(guò)率[9]。根據(jù)吸收池體積要求來(lái)確定光學(xué)透鏡的尺寸，再結(jié)合所要求的光程以及元件的安裝結(jié)構(gòu)對(duì)入射端和出射端之間的夾角進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際過(guò)程中，入射端的準(zhǔn)直透鏡無(wú)法保證光線(xiàn)嚴(yán)格意義上的準(zhǔn)直，紫外光通過(guò)透鏡后都會(huì)有一定的發(fā)射角。如果反射鏡面采用常規(guī)平面反射鏡，反射到出射端的光會(huì)繼續(xù)發(fā)散，不能保證盡可能多的光都能回到出射端的透鏡上。如果發(fā)射角過(guò)大，發(fā)散的光還可能在吸收池的內(nèi)壁反射，降低整機(jī)的性噪比。因此，反射鏡采用外形為平凸透鏡，反射膜采用適用于紫外波段的金屬鋁膜，既能實(shí)現(xiàn)光的反射，又能對(duì)光進(jìn)行整形，以提高光的利用率、延長(zhǎng)光源的使用壽命。同時(shí)，運(yùn)用光學(xué)反正軟件ZEMAX對(duì)光路進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和光路優(yōu)化。ZEMAX光路仿真圖如圖3所示。

圖3 ZEMAX光學(xué)仿真圖

通過(guò)圖3可以看出，上下兩端的光路實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)。在實(shí)際安裝過(guò)程中入射端和出射端沒(méi)有嚴(yán)格意義的區(qū)分,降低了整機(jī)裝配的復(fù)雜程度?？紤]兩面窗口玻璃是否會(huì)影響光的傳播。通過(guò)仿真可以看到，由于兩面玻璃厚度很薄，光通過(guò)窗口玻璃產(chǎn)生很微小的偏移，不會(huì)對(duì)光路產(chǎn)生影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上一節(jié)闡述的光學(xué)原理，開(kāi)始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。反射氣體吸收池結(jié)構(gòu)如圖4所示。主氣室的移動(dòng)不會(huì)對(duì)整個(gè)氣體吸收池的光路產(chǎn)生影響，待測(cè)氣體也不會(huì)與光學(xué)的核心鏡片發(fā)生直接接觸，不會(huì)造成污染的情況。整個(gè)氣體吸收池的定期清洗只需拆卸中間的主氣室進(jìn)行維護(hù)，不會(huì)破壞光路。

圖4 反射氣體吸收池結(jié)構(gòu)圖

2.1 發(fā)射接收模塊設(shè)計(jì)

發(fā)射接收模塊主要包含發(fā)射和接收端光學(xué)透鏡，以及透鏡的調(diào)整裝置。通過(guò)光學(xué)原理可知，該模塊主要用于入射光和出色光的整形。通過(guò)調(diào)整裝置來(lái)調(diào)節(jié)光的準(zhǔn)直度，保證光提高光的利用率。裝置設(shè)計(jì)有光纖的通用接口。

2.2 主氣室設(shè)計(jì)

主氣室主要儲(chǔ)存待測(cè)氣體。主氣室圓筒結(jié)構(gòu)的頂部等距開(kāi)有兩個(gè)螺紋孔，用于進(jìn)、出氣接頭的安裝。兩面窗口玻璃分別設(shè)計(jì)在主氣室兩側(cè)端蓋上，方便氣室的定期拆卸清洗。腔體內(nèi)部是一個(gè)規(guī)整的圓柱形，沒(méi)有復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)阻止待測(cè)氣體的順利流通，因此不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量的滯后，對(duì)整機(jī)測(cè)量的靈敏度有一定的幫助。為了提高氣體吸收池的性噪比，可將主氣室的內(nèi)壁涂刷特定的吸光材料，減少光在內(nèi)壁的反射。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，主氣室兩個(gè)端蓋的端面設(shè)計(jì)有密封結(jié)構(gòu)，保證主氣室裝配完成前后處于密封狀態(tài)。

2.3 反射模塊設(shè)計(jì)

反射模塊包括反射鏡和反射鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)。反射鏡的安裝配有密封結(jié)構(gòu)，以保證反射膜在使用過(guò)程中不被污染。而反射鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)主要用于在進(jìn)行氣體吸收池的光路模塊安裝時(shí)，進(jìn)行反射鏡角度的調(diào)整，保證反射的光能準(zhǔn)確射入到接收端的光學(xué)透鏡。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于紫外煙氣分析儀的基于反射原理的可拆卸氣體吸收池。一方面通過(guò)反射原理，在控制分析儀整機(jī)尺寸條件下大幅度提高了光程，適應(yīng)更低濃度的氣體測(cè)量；另一方面能夠解決現(xiàn)有直通氣室后期維護(hù)繁瑣的問(wèn)題，維修更換也更為方便。結(jié)構(gòu)上，三個(gè)模塊相互獨(dú)立安裝，通過(guò)更換不同的光學(xué)透鏡，還能應(yīng)用到紅外煙氣測(cè)量中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。