本發(fā)明涉及臭氧濃度檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，具體的說(shuō)一種臭氧濃度測(cè)定裝置，特別是一種用于檢測(cè)臭氧濃度的紫外光度計(jì)。

背景技術(shù)：

臭氧是大氣中化學(xué)性質(zhì)活潑的微量氣體，具有強(qiáng)氧化性、溫室效應(yīng)以及紫外吸收特性，對(duì)氣候、生態(tài)、環(huán)境等具有重要意義和影響。臭氧也是城市環(huán)境空氣中最為重要的二次污染物之一，是酸雨、光化學(xué)煙霧、大氣能見(jiàn)度下降等污染現(xiàn)象的主要成因之一，還會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重危害。臭氧已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目。近幾年臭氧也成為國(guó)內(nèi)部分城市的首要污染物，臭氧的監(jiān)測(cè)已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。

目前市面上用于環(huán)境臭氧測(cè)定的臭氧分析儀主要有：(1)美國(guó)Thermo公司的49i型臭氧分析儀、(2)美國(guó)API公司的400系列臭氧分析儀、(3)澳大利亞ECO公司的UV100系列臭氧分析儀、(4)美國(guó)2B公司的106、202、205、211系列臭氧分析儀。這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)也有大量使用，特別是Thermo公司和API公司的產(chǎn)品，已成為國(guó)內(nèi)臭氧監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)參考產(chǎn)品。上述產(chǎn)品均采用紫外光度法，紫外光度法也是我國(guó)環(huán)境空氣臭氧測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。

紫外光度法是利用臭氧分子在波長(zhǎng)在254nm處具有最大吸收值的特性，結(jié)合比爾-朗伯定律計(jì)算樣氣中臭氧的濃度，具有測(cè)定簡(jiǎn)便、迅速、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。目前用于臭氧測(cè)定的紫外光度計(jì)主要采用汞燈作為光源，光源光束從玻璃管氣室的一端入射，在玻璃管氣室中交替通入去除臭氧的參比氣體和含有臭氧的樣氣，在玻璃管氣室的另一端采用光電探測(cè)器來(lái)采集透過(guò)的光信號(hào)，通過(guò)對(duì)兩種情況下采集的信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算出臭氧濃度?，F(xiàn)有的用于臭氧測(cè)定的紫外光度計(jì)存在如下問(wèn)題：

(1)采用低壓汞燈作為光源，需要較長(zhǎng)的預(yù)熱穩(wěn)定時(shí)間，需要上千伏的啟動(dòng)電壓，光源發(fā)光向四周發(fā)散使得能量利用率低，光能會(huì)隨使用時(shí)間的加長(zhǎng)而衰減，影響設(shè)備的壽命。

(2)光源發(fā)出的光束直接透過(guò)石英窗片進(jìn)入玻璃管氣室，這種方式中光束自由進(jìn)入氣室，只有少量光直接到達(dá)探測(cè)器，大多數(shù)光會(huì)在氣室壁上反射，這樣會(huì)使得透過(guò)氣室的光束光程不統(tǒng)一，造成測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏差。

(3)氣室抗污染能力差，當(dāng)前端預(yù)處理部分對(duì)被測(cè)氣體處理不徹底時(shí)，水分或顆粒物沉積在氣室壁上造成氣室壁反射特性變化，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大影響。

(4)光電探測(cè)器直接探測(cè)通過(guò)氣室并透過(guò)石英窗片的光束，這種探測(cè)方式會(huì)受到雜散光干擾，使得探測(cè)的信噪比下降。

(5)光電探測(cè)器感光面前需要加一片紫外干涉濾光片，濾光片的透過(guò)率較低，會(huì)對(duì)光能造成很大衰減，降低信噪比。

如圖1所示為現(xiàn)有紫外光度法臭氧分析儀中紫外光度計(jì)的原理圖。低壓汞燈11發(fā)出的光束12部分透過(guò)前端石英窗片13進(jìn)入玻璃管氣室14，穿過(guò)玻璃管氣室14的光束透過(guò)后端石英窗片15后再經(jīng)過(guò)254nm窄帶濾光片16，經(jīng)窄帶濾光片16過(guò)濾的光束到達(dá)紫外光電探測(cè)器17。進(jìn)入玻璃管氣室14的被測(cè)氣體會(huì)對(duì)氣室的中光束產(chǎn)生吸收，利用紫外光電探測(cè)器17采集的光電信號(hào)可計(jì)算出氣體濃度。現(xiàn)有的用于臭氧測(cè)定的紫外光度計(jì)存在如下問(wèn)題：

(1)低壓汞燈11需要較高的啟動(dòng)電壓(上千伏)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較高；穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，需要數(shù)十分鐘的預(yù)熱才能夠穩(wěn)定；光束12發(fā)散，能量利用率低；隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，能量會(huì)加速衰減，造成穩(wěn)定性下降，需要頻繁標(biāo)定。

(2)前端石英窗片13為平面玻璃板，只起到透光和密封的作用，光束在氣室中處于自由傳播狀態(tài)，會(huì)在氣室壁上發(fā)生多次反射，不同入射角的光束狀態(tài)不一致，造成每束光的光程不一致。

(3)由于很大比例的光束會(huì)在玻璃管氣室14內(nèi)壁上發(fā)生反射，如果氣室壁上存在水蒸氣或顆粒物污染時(shí)，會(huì)造成很大的反射衰減，造成測(cè)量信號(hào)的不穩(wěn)定。

(4)后端石英窗片15也僅起到了透光和密封作用，對(duì)光束的調(diào)整沒(méi)有貢獻(xiàn)，較大出射角的光束將達(dá)到不了紫外光電探測(cè)器17。

(5)由于低壓汞燈11有多條波長(zhǎng)的譜線，所以需要增加窄帶濾光片16，只允許254nm的光透過(guò)，一般窄帶干涉濾光片的透過(guò)率較低，只有20％左右，所以窄帶濾光片會(huì)使能量大大降低。上述現(xiàn)有方案造成光能利用率低，雜散光大，為了提高檢測(cè)能力，采取的方法是增大光源功率，增加氣室長(zhǎng)度，增加數(shù)據(jù)處理的平均時(shí)間，這樣會(huì)造成設(shè)備體積大、功耗高、響應(yīng)慢。

上述問(wèn)題使得現(xiàn)有紫外光度計(jì)探測(cè)能力受限，需要采用較大的光源功率、較長(zhǎng)的氣室光程和較大的體積來(lái)彌補(bǔ)上述缺陷，從而提高臭氧檢測(cè)能力，這也是造成現(xiàn)有設(shè)備體積大、功耗高、響應(yīng)慢的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種臭氧濃度測(cè)定裝置，以減少氣室壁反射光干擾，提高信噪比。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)具體實(shí)現(xiàn)：

一種臭氧濃度測(cè)定裝置，包括紫外光發(fā)射裝置、待測(cè)氣室、紫外光探測(cè)裝置，其中所述紫外光發(fā)射裝置發(fā)出的紫外光射入所述待測(cè)氣室的入射口，所述待測(cè)氣室的出射口的出射光會(huì)聚后照射到所述紫外光探測(cè)裝置上，在所述紫外光探測(cè)裝置的前端光路上設(shè)有消雜光裝置，所述消雜光裝置的中心具有透光孔，并且所述透光孔設(shè)置在主光軸上。

優(yōu)選地，所述消雜光裝置與所述待測(cè)氣室出射口之間的距離大于所述消雜光裝置與所述紫外光探測(cè)裝置之間的距離。

優(yōu)選地，所述消雜光裝置為光闌。

優(yōu)選地，所述透光孔為圓形或方形。

優(yōu)選地，所述待測(cè)氣室為筒形結(jié)構(gòu)，并且所述待測(cè)氣室的壁上設(shè)有進(jìn)氣孔和出氣孔。

優(yōu)選地，所述進(jìn)氣孔和所述出氣孔位于所述待測(cè)氣室的兩端。

優(yōu)選地，在所述待測(cè)氣室的入射口設(shè)有投影透鏡，在所述待測(cè)氣室的出射口設(shè)有會(huì)聚透鏡，所述紫外光發(fā)射裝置設(shè)置在所述投影透鏡的焦點(diǎn)位置，所述紫外光探測(cè)裝置設(shè)置在所述光闌的后方。

優(yōu)選地，所述投影透鏡、所述會(huì)聚透鏡與所述待測(cè)氣室采用密封連接。

優(yōu)選地，所述紫外光發(fā)射裝置為紫外LED燈。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述紫外LED燈頂端集成球狀會(huì)聚透鏡，中心波長(zhǎng)為254nm且以脈沖方式工作的窄帶深紫外LED。

本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)光源穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)電壓高、光能利用率低、光能衰減快的問(wèn)題。同時(shí)提高氣室光程的穩(wěn)定性，提高抗污染能力，提高抗雜散光的能力。

附圖說(shuō)明

下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為現(xiàn)有的用于臭氧測(cè)定的紫外光度計(jì)的原理圖。圖中11為低壓汞燈燈泡，12為低壓汞燈燈泡發(fā)出的光束，13為前端石英窗片，14為玻璃管氣室，15為后端石英窗片，16為254nm窄帶濾光片，17為紫外光電探測(cè)器。

圖2為本發(fā)明提出的一種臭氧濃度測(cè)定裝置的原理圖。圖中21為紫外LED，22為紫外LED發(fā)出的光束，23為投影透鏡，24為玻璃管氣室，25為雜散光，26為會(huì)聚透鏡，27為消雜光光闌，28為紫外光電探測(cè)器。

圖3為紫外LED的光譜功率分布示意圖。

圖4為紫外LED光源的封裝示意圖。

圖5為紫外LED的發(fā)光角度示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖2-5所示,本發(fā)明提供了一種臭氧濃度測(cè)定裝置，包括紫外光發(fā)射裝置、待測(cè)氣室、紫外光探測(cè)裝置，其中所述紫外光發(fā)射裝置發(fā)出的紫外光射入所述待測(cè)氣室的入射口，所述待測(cè)氣室的出射口的出射光會(huì)聚后照射到所述紫外光探測(cè)裝置上，在所述紫外光探測(cè)裝置的前端光路上設(shè)有消雜光裝置，所述消雜光裝置的中心具有透光孔，并且所述透光孔設(shè)置在主光軸上。

其中,所述紫外光探測(cè)裝置為紫外光電探測(cè)器,所述的紫外光電探測(cè)器可為在光源發(fā)光譜段具有良好光譜響應(yīng)的光電探測(cè)器，優(yōu)選為紫外增強(qiáng)型光電二極管探測(cè)器。

所述消雜光裝置與所述待測(cè)氣室出射口之間的距離大于所述消雜光裝置與所述紫外光探測(cè)裝置之間的距離。

所述消雜光裝置為光闌。紫外光電探測(cè)器放置在最后一片消雜光光闌的后方。

其中,光闌為中心開孔的薄金屬片，開孔可為方孔或圓孔，消雜光光闌放置在會(huì)聚透鏡后方光束截面最小處。光闌可有兩個(gè)或兩以上相互相隔一段距離的中心開孔的薄金屬片組成，形成多級(jí)消雜光。

所述透光孔為圓形或方形。

所述待測(cè)氣室為筒形結(jié)構(gòu)，并且所述待測(cè)氣室的壁上設(shè)有進(jìn)氣孔和出氣孔。

所述進(jìn)氣孔和所述出氣孔位于所述待測(cè)氣室的兩端。

在所述待測(cè)氣室的入射口設(shè)有投影透鏡，在所述待測(cè)氣室的出射口設(shè)有會(huì)聚透鏡，所述紫外光發(fā)射裝置設(shè)置在所述投影透鏡的焦點(diǎn)位置，所述紫外光探測(cè)裝置設(shè)置在所述光闌的后方。

所述投影透鏡、所述會(huì)聚透鏡與所述待測(cè)氣室采用密封連接。

其中,投影透鏡為具有會(huì)聚功能的凸透鏡，采用的材料在深紫外譜段有良好透過(guò)率，并且具有耐腐蝕、不吸附氣體的特性，優(yōu)選采用JGS1石英玻璃材料。

所述的會(huì)聚透鏡為凸透鏡，采用的材料在深紫外譜段有良好透過(guò)率，并且具有耐腐蝕，不吸附氣體的特性，優(yōu)選采用JGS1石英玻璃材料。

所述紫外光發(fā)射裝置為紫外LED燈。

其中,紫外LED采用中心波長(zhǎng)為254nm的窄帶深紫外LED，頂端集成球狀會(huì)聚透鏡，紫外LED以脈沖方式工作，提高使用壽命并降低平均功耗。

本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)光源穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)電壓高、光能利用率低、光能衰減快的問(wèn)題。同時(shí)提高氣室光程的穩(wěn)定性，提高抗污染能力，提高抗雜散光的能力。

為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的創(chuàng)造宗旨,下面結(jié)合附圖并以一具體實(shí)施例進(jìn)行闡述:

如圖2所示,光源采用紫外LED 21，紫外LED 21發(fā)出的光束經(jīng)投影透鏡23進(jìn)入玻璃管氣室24，經(jīng)投影透鏡23后的紫外光束接近準(zhǔn)直狀態(tài)，大部分直接通過(guò)玻璃管氣室24到達(dá)會(huì)聚透鏡26，透過(guò)會(huì)聚透鏡26的光束快速會(huì)聚，在會(huì)聚光束截面最小處放置消雜光光闌27，消雜光光闌27為薄金屬片，中央開孔，開孔可為圓形或方形?？刂葡s光光闌27的大小，使得只有未經(jīng)玻璃管氣室24內(nèi)壁反射的光束通過(guò)消雜光開孔。透過(guò)消雜光光闌27的光束可到達(dá)紫外光電探測(cè)器28。圖中25為一束雜散光的示意圖，雜散光可能是非光源發(fā)出的光或經(jīng)玻璃管氣室24內(nèi)壁反射過(guò)的光束，雜散光25經(jīng)會(huì)聚透鏡26后會(huì)被消雜光光闌27阻擋，無(wú)法到達(dá)探測(cè)器。通過(guò)加入會(huì)聚透鏡26和消雜光光闌27，不僅能提高光能利用率還可以有效抑制雜散光，到達(dá)探測(cè)器的光都未經(jīng)玻璃管氣室24內(nèi)壁反射，從而氣室內(nèi)壁的污染不會(huì)對(duì)測(cè)量造成干擾，有效地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。紫外LED 21具有發(fā)光效率高、發(fā)熱量小、瞬間發(fā)光，因此驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以以脈沖模式工作，可有效提高響應(yīng)時(shí)間和增加使用壽命。

如圖3所示,圖3為所選紫外LED的光譜功率分布，其中心波長(zhǎng)為254nm，整個(gè)光譜能量都在臭氧的特征吸收范圍內(nèi)，因此光能使用效率很高。由于沒(méi)有其它無(wú)效光譜成分，所以在紫外光電探測(cè)器28之前無(wú)需增加紫外窄帶干涉濾光片，常用紫外窄帶干涉濾光片峰值透過(guò)率只有20％左右，取消紫外窄帶濾光片可有效提高系統(tǒng)的光能利用率。

如圖4所示,圖4為本方案選擇的紫外LED的封裝形式示意圖，在紫外LED的頂端集成球狀會(huì)聚透鏡，可以使得光源光束發(fā)散角很小.

如圖5所示,圖5為光源光束發(fā)散角示意圖，70％以上的能量能集中在±7°之內(nèi)，95％以上的能量集中在±15°之內(nèi)。較小的發(fā)散角再加上采用了投影透鏡，使得光源發(fā)出的光束幾乎都成為有用光，加大提高了光能的利用率。在相同測(cè)定指標(biāo)的條件下，可以使光源功率更低、氣室更短，從而有效減小設(shè)備的功耗和體積。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)采用中心波長(zhǎng)為254nm的小發(fā)光角度的紫外LED，并且以脈沖方式工作，具有體積小、發(fā)光效率高、光能利用率高、功耗小、啟動(dòng)電壓低、瞬間穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)采用透鏡對(duì)光源光束進(jìn)行調(diào)理，進(jìn)一步縮小光束發(fā)散角一方面提高光能的利用率，另一方面減少氣室壁反射光干擾，提高信噪比。

(3)消除了氣室壁污染導(dǎo)致的反射率下降對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

(4)采用會(huì)聚透鏡并增加消雜光光闌，有效抑制雜散光，降低干擾，使得光程更加準(zhǔn)確，測(cè)量結(jié)果信噪比更高。

(5)無(wú)需在光路中使用紫外窄帶干涉濾光片，提高了光能利用率和信噪比，在相同測(cè)量精度要求的情況下進(jìn)一步縮短光程，使得體積更小，更有利于將儀器小型化。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述僅為發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。