紫外臭氧在線檢測(cè)儀技術(shù)原理與校準(zhǔn)方法

1.紫外光譜吸收法基礎(chǔ)理論

紫外臭氧在線檢測(cè)儀的核心工作原理基于紫外光譜吸收法，這是一種利用物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)紫外線的吸收特性進(jìn)行定量分析的技術(shù)。該方法已被美國(guó)等國(guó)家作為臭氧標(biāo)準(zhǔn)分析方法，并在中國(guó)被列為環(huán)境空氣中測(cè)定臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法（GB1/T1154348）。

紫外光譜吸收法的理論基礎(chǔ)是朗伯 - 比爾（Lambert-Beer）定律，該定律描述了光在介質(zhì)中傳播時(shí)的吸收規(guī)律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I = I?e^(-klc)，其中 I?為入射光束的強(qiáng)度，I 為光束穿透樣品后的強(qiáng)度，l 為通過樣品光程的長(zhǎng)度，c 為樣品內(nèi)吸收物質(zhì)的濃度，k 為吸收物質(zhì)對(duì)該光線波長(zhǎng)的比吸收系數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，該定律可轉(zhuǎn)換為更常用的形式：I/I? = e^(a×c×L)，其中 a 為臭氧在特定波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，c 為臭氧濃度，L 為光程長(zhǎng)度。通過測(cè)量透過率 I/I?，結(jié)合已知的吸收系數(shù)和光程長(zhǎng)度，即可計(jì)算出臭氧濃度。

2.254nm 波長(zhǎng)特征吸收機(jī)制

臭氧分子在紫外光譜區(qū)域具有獨(dú)特的吸收特性，特別是在 253.7nm（通常近似為 254nm）波長(zhǎng)處具有很大吸收峰。這一特征吸收特性是紫外臭氧檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

臭氧對(duì) 254nm 波長(zhǎng)紫外光的特征吸收機(jī)制源于其分子結(jié)構(gòu)的電子躍遷特性。在 254nm 波長(zhǎng)處，臭氧的吸收系數(shù)值范圍從 303.9 到 313.2cm?1?mol?1?L（273K 和 760mmHg 條件下），研究者證實(shí)該值為 302.4cm?1?mol?1?L。在環(huán)境空氣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，該吸收系數(shù)被確定為 a=1.44×10??m2/g。

這種強(qiáng)烈的特征吸收使得紫外臭氧檢測(cè)儀具有極高的選擇性和靈敏度。臭氧分子對(duì) 254nm 波長(zhǎng)的紫外光存在很大吸收，這一特性不受其他常見氣體的干擾，確保了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 .雙光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作機(jī)制

為了克服單光路系統(tǒng)存在的光源老化、環(huán)境溫度變化等因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差，現(xiàn)代紫外臭氧在線檢測(cè)儀普遍采用雙光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)顯著提高了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

雙光路系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)理念是通過參考光路來補(bǔ)償測(cè)量光路中可能出現(xiàn)的各種干擾因素。典型的雙光路系統(tǒng)包含兩條獨(dú)立的光路：

測(cè)量光路：氘燈發(fā)射的紫外光穿過樣品氣室，臭氧分子吸收特定波長(zhǎng)后，光電探測(cè)器記錄光強(qiáng)衰減。這一路徑直接反映了被測(cè)氣體中臭氧的濃度信息。

參考光路：同步監(jiān)測(cè)光源波動(dòng)，通過算法消除溫度、濕度及光源老化引起的偏差。參考光路通常采用經(jīng)過臭氧滌除器處理的零空氣作為參考介質(zhì)。

雙光束差分技術(shù)的工作機(jī)制是一束光通過采樣氣室，另一束光經(jīng)參比池，通過朗伯比爾定律實(shí)時(shí)比對(duì)兩路光強(qiáng)，抵消光源老化與灰塵干擾，換算出 ppb 級(jí)濃度。這種設(shè)計(jì)使得零點(diǎn)漂移可控制在 0.5ppb/24h 以內(nèi)，年漂移小于 0.05%。

4.光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理系統(tǒng)

光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是紫外臭氧檢測(cè)儀的核心組件之一，其性能直接影響檢測(cè)精度和響應(yīng)速度。現(xiàn)代紫外臭氧檢測(cè)儀采用多種先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。

信號(hào)處理系統(tǒng)的工作流程包括以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

光電轉(zhuǎn)換：光電傳感器將紫外線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);

信號(hào)放大：經(jīng)過兩次運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)整理放大，提高信號(hào)質(zhì)量;

對(duì)數(shù)計(jì)算：通過 log100 進(jìn)行計(jì)算處理，將光強(qiáng)比值轉(zhuǎn)換為濃度值;

數(shù)據(jù)輸出：將處理后的濃度數(shù)據(jù)通過顯示模塊或通信接口輸出.

現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)還集成了溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、光源自動(dòng)補(bǔ)償?shù)戎悄芩惴ǎM(jìn)一步提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

5.校準(zhǔn)方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

紫外臭氧在線檢測(cè)儀的校準(zhǔn)是確保測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。校準(zhǔn)過程需要遵循嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范。

5.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系：

HJ 590-2010：《環(huán)境空氣 臭氧的測(cè)定 紫外光度法》，規(guī)定了測(cè)定環(huán)境空氣中臭氧的紫外光度法，適用于環(huán)境空氣中臭氧的瞬時(shí)測(cè)定和連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)定濃度范圍為 0.003～2mg/m3；

HJ 1099-2020：《環(huán)境空氣臭氧監(jiān)測(cè)一級(jí)校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范》，要求采用臭氧標(biāo)準(zhǔn)參考光度計(jì) (SRP) 作為核心設(shè)備，其紫外雙光程檢測(cè)技術(shù)需確保 253.7nm 波長(zhǎng)吸收測(cè)量的準(zhǔn)確性；

GB/T37397-2019：《臭氧校準(zhǔn)分析儀》標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 校準(zhǔn)方法與要求：

5.2.1 多點(diǎn)校準(zhǔn)要求：在臭氧傳遞標(biāo)準(zhǔn)滿量程范圍內(nèi)，設(shè)置濃度點(diǎn)不少于 7 個(gè)（包含一個(gè)零點(diǎn)和 6 個(gè)不同梯度的濃度點(diǎn)），每個(gè)濃度點(diǎn)讀值設(shè)置為 10 次重復(fù)讀值的平均值，10 次重復(fù)讀值的標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于 2nmol/mol.

5.2.2 校準(zhǔn)曲線評(píng)價(jià)指標(biāo)：

多次多點(diǎn)校準(zhǔn)的每個(gè)斜率均應(yīng)在 0.97~1.03 之間

每個(gè)截距均應(yīng)在 (0±3) nmol/mol 之間

多點(diǎn)校準(zhǔn)斜率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)≤3.7%

截距的標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)≤1.5nmol/mol

5.2.3 校準(zhǔn)周期：

臭氧監(jiān)測(cè)一級(jí)校準(zhǔn)復(fù)校時(shí)間間隔一般不超過一年

產(chǎn)品建議返回廠家校驗(yàn)周期：18 個(gè)月

5.2.4 校準(zhǔn)方法：

儀器校準(zhǔn)法：采用紫外光法臭氧檢測(cè)儀對(duì)已生產(chǎn)的臭氧檢測(cè)儀進(jìn)行分布選取 10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)比，誤差范圍控制在 ±1% 以內(nèi)為合格.

化學(xué)滴定法：采用國(guó)際公認(rèn)的碘化鉀、硫代硫酸鈉滴定法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.

6.產(chǎn)品介紹

北京同林 3S-J5000 型臺(tái)式臭氧濃度在線分析儀是一款基于雙光路紫外吸收法的高精度臭氧檢測(cè)設(shè)備，其核心部件采用進(jìn)口組件，確保了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

技術(shù)特點(diǎn)：

雙光路紫外光源系統(tǒng)：采用先進(jìn)的雙光路設(shè)計(jì)，相比單光束具有更快的響應(yīng)速度和更高的測(cè)量精度

智能校零系統(tǒng)：設(shè)備可設(shè)置自動(dòng)校零或手動(dòng)校零，開機(jī)自動(dòng)校零，根據(jù)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)可設(shè)置自動(dòng)校零時(shí)間

燈管智能管理系統(tǒng)：開機(jī)后可使紫外燈管迅速達(dá)到測(cè)量狀態(tài)，延長(zhǎng)燈管使用壽命

德國(guó)分離式光池技術(shù)：具有無泄漏、耐壓高、耐大流量采樣氣體沖擊、易清潔、維護(hù)方便等特點(diǎn)

智能補(bǔ)償功能：內(nèi)置光源自動(dòng)補(bǔ)償功能，有效消除光源老化影響

觸屏操控：配備觸控顯示屏，操作簡(jiǎn)便直觀

存儲(chǔ)功能：帶存儲(chǔ)功能，可以接入臭氧質(zhì)量流量計(jì)信號(hào)