本發(fā)明涉及臭氧濃度檢測設(shè)備領(lǐng)域，具體的說一種臭氧濃度測定裝置，特別是一種用于檢測臭氧濃度的紫外光度計。

背景技術(shù)：

臭氧是大氣中化學性質(zhì)活潑的微量氣體，具有強氧化性、溫室效應(yīng)以及紫外吸收特性，對氣候、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、光化學煙霧、大氣能見度下降等污染現(xiàn)象的主要成因之一，還會對人體造成嚴重危害。臭氧已經(jīng)成為發(fā)達國家空氣質(zhì)量監(jiān)測的必測項目。近幾年臭氧也成為國內(nèi)部分城市的首要污染物，臭氧的監(jiān)測已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。

目前市面上用于環(huán)境臭氧測定的臭氧分析儀主要有：(1)美國Thermo公司的49i型臭氧分析儀、(2)美國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2B公司的106、202、205、211系列臭氧分析儀。這些產(chǎn)品在國內(nèi)也有大量使用，特別是Thermo公司和API公司的產(chǎn)品，已成為國內(nèi)臭氧監(jiān)測的標準參考產(chǎn)品。上述產(chǎn)品均采用紫外光度法，紫外光度法也是我國環(huán)境空氣臭氧測定的標準方法之一。

紫外光度法是利用臭氧分子在波長在254nm處具有最大吸收值的特性，結(jié)合比爾-朗伯定律計算樣氣中臭氧的濃度，具有測定簡便、迅速、抗干擾能力強的優(yōu)點。目前用于臭氧測定的紫外光度計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器來采集透過的光信號，通過對兩種情況下采集的信號進行處理計算出臭氧濃度?，F(xiàn)有的用于臭氧測定的紫外光度計存在如下問題：

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

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

(3)氣室抗污染能力差，當前端預(yù)處理部分對被測氣體處理不徹底時，水分或顆粒物沉積在氣室壁上造成氣室壁反射特性變化，會對測量結(jié)果造成很大影響。

(4)光電探測器直接探測通過氣室并透過石英窗片的光束，這種探測方式會受到雜散光干擾，使得探測的信噪比下降。

(5)光電探測器感光面前需要加一片紫外干涉濾光片，濾光片的透過率較低，會對光能造成很大衰減，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的原理圖。低壓汞燈11發(fā)出的光束12部分透過前端石英窗片13進入玻璃管氣室14，穿過玻璃管氣室14的光束透過后端石英窗片15后再經(jīng)過254nm窄帶濾光片16，經(jīng)窄帶濾光片16過濾的光束到達紫外光電探測器17。進入玻璃管氣室14的被測氣體會對氣室的中光束產(chǎn)生吸收，利用紫外光電探測器17采集的光電信號可計算出氣體濃度?，F(xiàn)有的用于臭氧測定的紫外光度計存在如下問題：

(1)低壓汞燈11需要較高的啟動電壓(上千伏)，對驅(qū)動電路要求較高；穩(wěn)定時間長，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；隨著使用時間的加長，能量會加速衰減，造成穩(wěn)定性下降，需要頻繁標定。

(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，會造成很大的反射衰減，造成測量信號的不穩(wěn)定。

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

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

上述問題使得現(xiàn)有紫外光度計探測能力受限，需要采用較大的光源功率、較長的氣室光程和較大的體積來彌補上述缺陷，從而提高臭氧檢測能力，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)實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來具體實現(xiàn)：

一種臭氧濃度測定裝置，包括紫外光發(fā)射裝置、待測氣室、紫外光探測裝置，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氣室的入射口，所述待測氣室的出射口的出射光會聚后照射到所述紫外光探測裝置上，在所述紫外光探測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，所述待測氣室為筒形結(jié)構(gòu)，并且所述待測氣室的壁上設(shè)有進氣孔和出氣孔。

優(yōu)選地，所述進氣孔和所述出氣孔位于所述待測氣室的兩端。

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

優(yōu)選地，所述投影透鏡、所述會聚透鏡與所述待測氣室采用密封連接。

優(yōu)選地，所述紫外光發(fā)射裝置為紫外LED燈。

進一步優(yōu)選地，所述紫外LED燈頂端集成球狀會聚透鏡，中心波長為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)定時間長、啟動電壓高、光能利用率低、光能衰減快的問題。同時提高氣室光程的穩(wěn)定性，提高抗污染能力，提高抗雜散光的能力。

附圖說明

下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1為現(xiàn)有的用于臭氧測定的紫外光度計的原理圖。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為紫外光電探測器。

圖2為本發(fā)明提出的一種臭氧濃度測定裝置的原理圖。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為會聚透鏡，27為消雜光光闌，28為紫外光電探測器。

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。

具體實施方式

如圖2-5所示,本發(fā)明提供了一種臭氧濃度測定裝置，包括紫外光發(fā)射裝置、待測氣室、紫外光探測裝置，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氣室的入射口，所述待測氣室的出射口的出射光會聚后照射到所述紫外光探測裝置上，在所述紫外光探測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,所述紫外光探測裝置為紫外光電探測器,所述的紫外光電探測器可為在光源發(fā)光譜段具有良好光譜響應(yīng)的光電探測器，優(yōu)選為紫外增強型光電二極管探測器。

所述消雜光裝置與所述待測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裝置之間的距離。

所述消雜光裝置為光闌。紫外光電探測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聚透鏡后方光束截面最小處。光闌可有兩個或兩以上相互相隔一段距離的中心開孔的薄金屬片組成，形成多級消雜光。

所述透光孔為圓形或方形。

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

所述進氣孔和所述出氣孔位于所述待測氣室的兩端。

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

所述投影透鏡、所述會聚透鏡與所述待測氣室采用密封連接。

其中,投影透鏡為具有會聚功能的凸透鏡，采用的材料在深紫外譜段有良好透過率，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。

所述的會聚透鏡為凸透鏡，采用的材料在深紫外譜段有良好透過率，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采用中心波長為254nm的窄帶深紫外LED，頂端集成球狀會聚透鏡，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)定時間長、啟動電壓高、光能利用率低、光能衰減快的問題。同時提高氣室光程的穩(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施例進行闡述:

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進入玻璃管氣室24，經(jīng)投影透鏡23后的紫外光束接近準直狀態(tài)，大部分直接通過玻璃管氣室24到達會聚透鏡26，透過會聚透鏡26的光束快速會聚，在會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。控制消雜光光闌27的大小，使得只有未經(jīng)玻璃管氣室24內(nèi)壁反射的光束通過消雜光開孔。透過消雜光光闌27的光束可到達紫外光電探測器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)壁反射過的光束，雜散光25經(jīng)會聚透鏡26后會被消雜光光闌27阻擋，無法到達探測器。通過加入會聚透鏡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，到達探測器的光都未經(jīng)玻璃管氣室24內(nèi)壁反射，從而氣室內(nèi)壁的污染不會對測量造成干擾，有效地提高了測量的準確性和穩(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)動電路相對簡單，并且可以以脈沖模式工作，可有效提高響應(yīng)時間和增加使用壽命。

如圖3所示,圖3為所選紫外LED的光譜功率分布，其中心波長為254nm，整個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。由于沒有其它無效光譜成分，所以在紫外光電探測器28之前無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。在相同測定指標的條件下，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、啟動電壓低、瞬間穩(wěn)定、壽命長的優(yōu)點。

(2)采用透鏡對光源光束進行調(diào)理，進一步縮小光束發(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致的反射率下降對測量結(jié)果的影響。

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

(5)無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，在相同測量精度要求的情況下進一步縮短光程，使得體積更小，更有利于將儀器小型化。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制發(fā)明，盡管參照前述實施例對發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。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、改進等，均應(yīng)包含在發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。