專利名稱：氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體濃度的測量領(lǐng)域，具體涉及的是一種用于連續(xù)監(jiān)測氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的裝置和方法。
背景技術(shù)：
燃燒煙氣中的汞有三種存在形式氣態(tài)單質(zhì)汞，氣態(tài)二價(jià)氧化態(tài)汞和顆粒態(tài)汞。其 中氣態(tài)汞為主要形式。總汞的含量是通過熱催化或化學(xué)轉(zhuǎn)化的方式將其它形態(tài)的汞轉(zhuǎn)化為 氣態(tài)單質(zhì)汞來測得的。在目前已有應(yīng)用的汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)中，最常被采用的氣態(tài)單質(zhì) 汞測量技術(shù)是基于光譜學(xué)檢測原理的冷蒸汽原子吸收光譜(CVAAS)和冷蒸汽原子熒光光譜 (CVAFS)技術(shù)。前者可對煙氣中的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度實(shí)施直接測量而無需像后者那樣需要載 氣，因而被絕大多數(shù)的汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)所采用。在大部分基于CVAAS的系統(tǒng)中，煙氣流 中的汞在引入光學(xué)檢測系統(tǒng)分析前需經(jīng)預(yù)富集和解吸附兩個(gè)步驟來提高測量靈敏度以及 去除干擾氣體，這兩個(gè)步驟大大降低了汞排放監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，使得汞監(jiān)測只能處于半連續(xù) 狀態(tài)。目前可以做到氣態(tài)單質(zhì)汞連續(xù)監(jiān)測的技術(shù)主要有兩種紫外差分吸收光譜 (UV-DOAS)和塞曼原子吸收光譜(ZAAS)技術(shù)。此兩種技術(shù)均是基于吸收光譜學(xué)原理，在汞 具有最大吸收截面的253. 7nm處對其實(shí)施測量，響應(yīng)速度可達(dá)到秒量級，做到真正意義上 的實(shí)時(shí)測量。前者采用的是覆蓋紫外到可見波段的寬帶發(fā)射光源，但由于汞是單原子分子， 其吸收線寬很窄，即使采用濾光片也難以獲得大的光強(qiáng)吸收比率，從而難以獲得較高的測 量靈敏度。后者是CVAAS中的一個(gè)特例，采用窄帶發(fā)射的汞元素?zé)糇鳛楣庠?，通過應(yīng)用塞曼 背景校正技術(shù)來排除干擾且無需進(jìn)行汞的預(yù)富集和解吸附，但其對檢偏系統(tǒng)的要求很高， 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本而得不到更廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的氣態(tài)單質(zhì)汞監(jiān)測技術(shù)靈敏度低、系統(tǒng)復(fù)雜和成本過高的 問題，從而提供一種氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置和方法。氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置，它由汞元素?zé)簟⒋盆F、準(zhǔn)直透鏡、樣品池、分光 鏡、參考池、第一凸透鏡、第一探測器、第二凸透鏡、第二探測器、數(shù)據(jù)采集分析器組成，汞元 素?zé)糁糜诖盆F的磁場中，并且設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，第一探測器的探測面與第一凸透 鏡的焦平面重合，第二探測器的探測面與第二凸透鏡的焦平面重合，汞元素?zé)舻妮敵龉馊?射至準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡透射得到平行光，所述平行光經(jīng)過樣品池后入射至分光鏡，所述 平行光經(jīng)分光鏡分成反射光和透射光，其中透射光經(jīng)過參考池后入射至第一凸透鏡，再經(jīng) 第一凸透鏡聚焦至第一探測器，反射光入射至第二凸透鏡，再經(jīng)第二凸透鏡聚焦至第二探 測器，所述第一探測器的輸出端和第二探測器的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集分析器的兩個(gè)接 入端，參考池中的介質(zhì)為飽和濃度的單質(zhì)汞氣體。氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測方法，具體過程如下步驟一、樣品池充滿待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)時(shí)，數(shù)據(jù)采集分析器測量第一探測器探測的透射光強(qiáng)Ir和第二探測器探測的反射光強(qiáng)Is ；
步驟二、根據(jù)如下公式計(jì)算步驟一所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度I;
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中d是樣品池中僅含有空氣時(shí)光強(qiáng)對比度#為零所對應(yīng)的常數(shù)； 步驟三、將步驟二得到的光強(qiáng)對比度#與光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng) 關(guān)系曲線對照，得到待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)的濃度。本發(fā)明利用塞曼關(guān)聯(lián)光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對單質(zhì)汞氣濃度的連續(xù)有效監(jiān)測，用參考?xì)?體本身的光譜信息實(shí)現(xiàn)了對氣態(tài)單質(zhì)汞的選擇性探測，排除了二氧化硫和二氧化氮等氣體 帶來的干擾。系統(tǒng)組成簡單，無需使用光譜儀等色散設(shè)備和復(fù)雜的檢偏設(shè)備，成本較低。本 發(fā)明可以達(dá)到的最低檢測限低于1 μ g/m3，充分滿足了工業(yè)廢氣排放中汞含量監(jiān)測的要求。 適用于要求靈敏度高氣態(tài)單質(zhì)汞濃度監(jiān)測領(lǐng)域。


圖1為氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的 連續(xù)監(jiān)測方法的流程圖。圖3為具體實(shí)施方式
十中光強(qiáng)對比度與待測量氣體濃度的對應(yīng)關(guān) 系圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置，它 由汞元素?zé)?、磁鐵2、準(zhǔn)直透鏡3、樣品池4、分光鏡5、參考池6、第一凸透鏡7、第一探測器 8、第二凸透鏡9、第二探測器10、數(shù)據(jù)采集分析器11組成，汞元素?zé)?置于磁鐵2的磁場中， 并且設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡3的焦點(diǎn)處，第一探測器8的探測面與第一凸透鏡7的焦平面重合，第 二探測器10的探測面與第二凸透鏡9的焦平面重合，汞元素?zé)?的輸出光入射至準(zhǔn)直透鏡 3，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡3透射得到平行光，所述平行光經(jīng)過樣品池4后入射至分光鏡5，所述平行光 經(jīng)分光鏡5分成反射光和透射光，其中透射光經(jīng)過參考池6后入射至第一凸透鏡7，再經(jīng)第 一凸透鏡7聚焦至第一探測器8，反射光入射至第二凸透鏡9，再經(jīng)第二凸透鏡9聚焦至第 二探測器10，所述第一探測器8的輸出端和第二探測器10的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集分析 器11的兩個(gè)接入端，參考池6中的介質(zhì)為飽和濃度的單質(zhì)汞氣體。樣品池4中的介質(zhì)是待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)。參考池6中飽和濃度的單質(zhì)汞氣體能 夠使處于波長為253. 7nm附近的光被最大程度的吸收。工作原理汞元素?zé)?發(fā)出紫外光，在磁鐵2產(chǎn)生的磁場作用下其253. 7nm處的 發(fā)射譜線劈裂為一系列具有不同波長的塞曼分量，波長劈裂后的紫外光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡3后變 為平行光，在經(jīng)過裝有待測氣體的樣品池4后被分光鏡5分為透射光和反射光，透射光經(jīng)過 裝有飽和濃度氣態(tài)單質(zhì)汞的參考池6后，處于253. 7nm附近的塞曼分量被最大程度的吸收， 剩余的塞曼分量作為參考光再經(jīng)第一凸透鏡7聚焦后被第一探測器8接收，反射光為樣品 光，反射光直接經(jīng)第二凸透鏡9聚焦后被第二探測器10接收，第一探測器8和第二探測器10的產(chǎn)生的信號輸入到數(shù)據(jù)采集分析器11中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析，采集透射光和反 射光的光強(qiáng)信息。當(dāng)樣品池4中不存在氣態(tài)單質(zhì)汞時(shí)，兩路光的光強(qiáng)對比度為零，當(dāng)樣品池 4中出現(xiàn)氣態(tài)單質(zhì)汞時(shí)，兩路光的光強(qiáng)對比度隨著汞含量的增加而增加，且光強(qiáng)對比度與汞
含量呈一一對應(yīng)的關(guān)系。分光鏡5后的反射光路和透射光路可以對調(diào)，即可由反射光經(jīng)過參考池6后入射 至第一凸透鏡7，經(jīng)第一凸透鏡7聚焦至第一探測器8，透射光入射至第二凸透鏡9，經(jīng)第二 凸透鏡9聚焦至第二探測器10。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不 同之處在于分光鏡5為半反射半透射的分束鏡。
具體實(shí)施方式
三、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不 同之處在于參考池6中單質(zhì)汞氣體的每米飽和濃度為0. 2 20mg/m3。
具體實(shí)施方式
四、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不 同之處在于磁鐵2所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為廣3T。
具體實(shí)施方式
五、結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測方法，具 體過程如下
步驟一、將樣品池4充滿待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)，數(shù)據(jù)采集分析器11測量第一探測器8 探測的透射光強(qiáng)IR和第二探測器10探測的反射光強(qiáng)Is ；
步驟二、根據(jù)如下公式計(jì)算步驟一所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度<formula>formula see original document page 6</formula>
其中d是樣品池4中僅含有空氣時(shí)光強(qiáng)對比度#為零所對應(yīng)的常數(shù)； 步驟三、將步驟二得到的光強(qiáng)對比度#與光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng) 關(guān)系曲線對照，得到待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)的濃度。
具體實(shí)施方式
六、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五的進(jìn)一步說明，步驟二中樣品 池4中僅含有空氣時(shí)光強(qiáng)對比度#為零所對應(yīng)的常數(shù)J是通過下述方法獲得的
步驟二M、樣品池4中僅含有空氣時(shí)，數(shù)據(jù)采集分析器11測量第一探測器8探測的透射 光強(qiáng)IR0和第二探測器10探測的反射光強(qiáng)Iso ；
步驟二 N、求得步驟二 M所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度#為零所對應(yīng)的常數(shù)J ； 其中，光強(qiáng)對比度I通過下式求得
i^m + ^4/迎)具體實(shí)施方式
七、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五的進(jìn)一步說明，步驟三所述的 光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng)關(guān)系曲線是通過下述方法獲得的
步驟三M、將樣品池4充滿已知濃度的氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)，數(shù)據(jù)采集分析器11測量第一探 測器8探測的透射光強(qiáng)IR和第二探測器10探測的反射光強(qiáng)Is ；
步驟三N、根據(jù)如下公式計(jì)算步驟三M所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度I ；<formula>formula see original document page 7</formula>
其中d是樣品池4中不含有待測氣體時(shí)對比度為零所對應(yīng)的常數(shù)； 步驟三P、重復(fù)執(zhí)行步驟三N，直到獲得η組氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的光強(qiáng)對比度見并以 氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度為橫軸，光強(qiáng)對比度#為縱軸描繪光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃 度的對應(yīng)關(guān)系曲線。
具體實(shí)施方式
八、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五的進(jìn)一步說明，步驟四中的光 強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng)關(guān)系曲線為直線。
具體實(shí)施方式
九、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五的進(jìn)一步說明，步驟四中的測 量η個(gè)氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度時(shí)光強(qiáng)對比度#為測量5-12個(gè)值。
具體實(shí)施方式
十、結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式采用具體實(shí)施方式
一所 述的裝置和具體實(shí)施方式
五所述的方法測量待測氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的具體實(shí)例，選定如下參 數(shù) 磁鐵2所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為1Τ，參考池6中的單質(zhì)汞氣體的每米飽和濃度為lmg/m3。通過公式計(jì)算出兩光強(qiáng)對比度，根據(jù)得到的不同光強(qiáng)對比度確定樣品池的氣態(tài)單 質(zhì)汞濃度，結(jié)果如圖3所示，橫軸為氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度；縱軸為光強(qiáng)對比度。
權(quán)利要求
氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置，其特征在于它由汞元素?zé)?1)、磁鐵(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、樣品池(4)、分光鏡(5)、參考池(6)、第一凸透鏡(7)、第一探測器(8)、第二凸透鏡(9)、第二探測器(10)、數(shù)據(jù)采集分析器(11)組成，汞元素?zé)?1)置于磁鐵(2)的磁場中，并且設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡(3)的焦點(diǎn)處，第一探測器(8)的探測面與第一凸透鏡(7)的焦平面重合，第二探測器(10)的探測面與第二凸透鏡(9)的焦平面重合，汞元素?zé)?1)的輸出光入射至準(zhǔn)直透鏡(3)，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(3)透射得到平行光，所述平行光經(jīng)過樣品池(4)后入射至分光鏡(5)，所述平行光經(jīng)分光鏡(5)分成反射光和透射光，其中透射光經(jīng)過參考池(6)后入射至第一凸透鏡(7)，再經(jīng)第一凸透鏡(7)聚焦至第一探測器(8)，反射光入射至第二凸透鏡(9)，再經(jīng)第二凸透鏡(9)聚焦至第二探測器(10)，所述第一探測器(8)的輸出端和第二探測器(10)的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集分析器(11)的兩個(gè)接入端，參考池(6)中的介質(zhì)為飽和濃度的單質(zhì)汞氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置，其特征在于分光鏡(5)為 半反射半透射的分束鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置，其特征在于參考池(6)中 單質(zhì)汞氣體的每米飽和濃度為0. 2 20mg/m3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置，其特征在于磁鐵(2)所產(chǎn) 生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為廣3T。
5.利用權(quán)利要求1所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置的連續(xù)監(jiān)測方法，其特征在 于具體過程如下步驟一、將樣品池(4)充滿待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)，數(shù)據(jù)采集分析器(11)測量第一探測 器(8)探測的透射光強(qiáng)厶和第二探測器(10)探測的反射光強(qiáng)厶；步驟二、根據(jù)如下公式計(jì)算步驟一所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度I;<formula>formula see original document page 2</formula>其中d是樣品池(4)中僅含有空氣時(shí)光強(qiáng)對比度I為零所對應(yīng)的常數(shù)；步驟三、將步驟二得到的光強(qiáng)對比度#與光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng) 關(guān)系曲線對照，得到待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)的濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測方法，其特征在于步驟二中樣品 池(4)中僅含有空氣時(shí)光強(qiáng)對比度I為零所對應(yīng)的常數(shù)J是通過下述方法獲得的步驟二M、樣品池(4)中僅含有空氣時(shí)，數(shù)據(jù)采集分析器(11)測量第一探測器(8)探測 的透射光強(qiáng)/皿和第二探測器(10)探測的反射光強(qiáng)步驟二 N、求得步驟二 M所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度#為零所對應(yīng)的常數(shù)J ；其中，光強(qiáng)對比度I通過下式求得<formula>formula see original document page 2</formula>
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測方法，其特征在于步驟三所述的 光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng)關(guān)系曲線是通過下述方法獲得的步驟三Μ、將樣品池(4)充滿已知濃度的氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)，數(shù)據(jù)采集分析器(11)測量第 一探測器(8)探測的透射光強(qiáng)厶和第二探測器(10)探測的反射光強(qiáng)IS；步驟三N、根據(jù)如下公式計(jì)算步驟三M所述的透射光和反射光的光強(qiáng)對比度I ；M=(IR-AIS)/(IR+AIS)其中d是樣品池(4)中不含有待測氣體時(shí)對比度為零所對應(yīng)的常數(shù)； 步驟三P、重復(fù)執(zhí)行步驟三N，直到獲得η組氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的光強(qiáng)對比度見并以 氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度為橫軸，光強(qiáng)對比度#為縱軸描繪光強(qiáng)對比度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃 度的對應(yīng)關(guān)系曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測方法，其特征在于光強(qiáng)對比 度#與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng)關(guān)系曲線為直線。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測方法，其特征在于步驟三P中的 獲得η組氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的光強(qiáng)對比度#為獲得5-12組光強(qiáng)對比度#數(shù)值。
全文摘要
氣態(tài)單質(zhì)汞濃度的連續(xù)監(jiān)測裝置和方法，涉及氣體濃度的測量領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有的氣態(tài)單質(zhì)汞監(jiān)測技術(shù)靈敏度低、系統(tǒng)復(fù)雜和成本過高的問題。本發(fā)明的裝置，汞元素?zé)糁糜诖盆F的磁場中，輸出光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡透射得到平行光，平行光經(jīng)過樣品池后入射至分光鏡，透射光經(jīng)過參考池后入射至第一凸透鏡，聚焦至第一探測器，反射光入射至第二凸透鏡，聚焦至第二探測器，第一探測器和第二探測器與數(shù)據(jù)采集分析器連接。本發(fā)明的方法，具體如下一、確定光強(qiáng)對比度M為零所對應(yīng)的常數(shù)A；二、描繪光強(qiáng)對比度M與氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)濃度的對應(yīng)關(guān)系曲線；三、測量待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)的光強(qiáng)對比度M，并與對應(yīng)關(guān)系曲線對照，得到待測氣態(tài)單質(zhì)汞介質(zhì)的濃度。用于監(jiān)測氣態(tài)汞濃度。
文檔編號G01N21/33GK101819140SQ201010171418
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者婁秀濤, 張?jiān)苿? 張治國, 王華山, 王鵬, 瑞小川, 陳斌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)