一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于高温转化与紫外差分吸收光谱技术结合的硫化氢气体浓度检测装置，其包括氘灯、第一石英凸透镜、20cm石英样品池、光屏障、第二石英凸透镜、光纤、光谱仪、计算机、加热系统、水冷装置、石英螺旋管、紫外激发光灯、30cm石英样品池、氧气储气罐、硫化氢储气罐、电磁阀以及流量计等装置。氘灯发出的光依次经同轴的第一石英凸透镜、20cm石英样品池及第二石英凸透镜后汇聚到光纤上，光纤与光谱仪相连，光谱仪的输出端连接计算机。紫外激发光灯用于激发30cm石英样品池中的气体分子，被激发的气体分子进入加热系统发生化学反应。本发明专利技术可以独立完成各种气体流速下的硫化氢实时浓度测量，测量速度快且准确度高。测量速度快且准确度高。测量速度快且准确度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及气体浓度的检测
，尤其是一种基于高温转化和紫外差分吸收光谱技术结合的硫化氢气体浓度检测装置及检测方法。

技术介绍

[0002]硫化氢是一种毒性极强且带有恶臭的大气污染气体，主要来自于化工工业，如天然气的开采与加工。目前，世界上40％以上的天然气开采点的环境中含有大量硫化氢，它的存在严重威害着工人的身体健康。硫化氢的危害与神经系统和肝脏，肾脏等器官衰竭有关。一项关于人类健康的研究表明，浓度高于700ppm的硫化氢很快就会致使人体死亡。此外，燃烧含有硫化氢的天然气会造成酸性气体大量排放，例如二氧化硫和三氧化硫。这些气体在大气中可以转化为硫酸，对自然环境造成破坏。
[0003]在当前能源消耗巨大的时代环境下，电力能源作为一种清洁能源被广泛应用于各个行业。众多电气设备中，SF6电气设备凭借其性能优越性被大量应用在多种电力系统中，尤其是我国126kV及以上电压等级的电网主要采用的就是SF6电气设备。但是，SF6电气设备运行过程中，设备内部会较为频繁的出现放电现象，放电会使SF6发生分解产生硫化氢等腐蚀性气体成分，损坏电气设备，造成安全隐患。
[0004]目前的硫化氢检测方法主要有化学法(包括气相色谱法、碘量法等)、气体浓度传感器测量法和光谱法(包括紫外吸收光谱法、激光光谱法等)。其中，紫外差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)凭借其稳定性高、检测精确、仪器成本低廉且可在线实时检测等优点已被广泛应用于硫化氢气体的检测中。然而，由于硫化氢主要对200nm以下的紫外光具有吸收作用，在利用光谱法对其进行测量时，受到空气中氧气等成分的干扰大，不利于浓度的测量。而使用传统的硫化氢气体浓度传感器进行浓度测量时，对环境稳定性有一定要求，当气体流速过快时，传感器会出现失灵现象，无法进行高流速下硫化氢浓度的测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种基于高温转化和紫外差分吸收光谱技术结合的硫化氢气体浓度检测装置及检测方法，实现可在非真空，高流速环境下等不利环境下，方便、快捷、准确的对硫化氢浓度进行测量。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢浓度检测装置，包括光路部分、气路部分、气体转化部分和计算机；
[0008]所述气路部分包括：氧气储气罐、硫化氢储气罐，氧气储气罐连接的气路管道上设置有电磁阀一、流量计一，硫化氢储气罐连接的气路管道上设置有电磁阀二、流量计二，连接两储气罐的两路气路管道连接在气体三通管上，两路合并为一路；
[0009]所述气体转化部分包括：紫外激发灯，在紫外激发灯能直接照射到位置设置有
30cm石英样品池，,30cm石英样品池入气口连接有气路部分的气体三通管合并出的一路气路，30cm石英样品池出气口通过气路管道连接在放置在加热炉内的石英螺旋管上，加热炉外部设置有加热炉温度控制器，石英螺旋管上连接有水冷装置；
[0010]所述光路部分包括：氚灯，氚灯正照射面上设置有两个相对的第一石英凸透镜和第二石英凸透镜，两个凸透镜中间设置有20cm石英样品池，20cm石英样品池进气口与气体转化部分的水冷装置上引出的气路管道相连，20cm石英样品池尾端设置有光屏障，第二石英凸透镜的光汇聚点设置有光纤接收端，光纤尾端连接有光谱仪，光谱仪通过信号线连接计算机。
[0011]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述20cm石英样品池和30cm石英样品池均为圆柱形，所述紫外激发光灯发出的光为185
‑
254nm波段的紫外光。
[0012]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述加热炉的有效加热长度为50cm，内部放置有K型铠装热电偶与温度控制器构成闭环负反馈系统，所述石英螺旋管长度为60cm。
[0013]一种硫化氢浓度检测方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1：打开氘灯和紫外激发光灯，随后打开氧气储气罐和硫化氢储气罐的电磁阀一和电磁阀二，氧气和硫化氢分别通过流量计一和流量计二控制气体流速并借助气体管道进入30cm石英样品池，持续通入混合气体一段时间以排净其他干扰气体，紫外激发光灯对30cm石英样品池中的硫化氢和氧气混合气体不断照射，使硫化氢分子从基态向激发态转变并使一部分氧气分子转化为氧化性更强的臭氧分子；
[0015]步骤2：30cm石英样品池的出气口与放置在加热炉内的石英螺旋管进气口相连，硫化氢气体在石英螺旋管内被加热并发生氧化反应生成二氧化硫，随后通过气体管道导入水冷装置进行快速降温，水冷装置的出气口与20cm石英样品池进气口相连；
[0016]步骤3：氘灯发出的光经过第一石英凸透镜后变成一束平行光，平行光穿透20cm石英样品池后再经过第二石英凸透镜汇聚至光纤的接收端上，光纤将接收到的光信号传输给光谱仪，光谱仪会把光信号处理成为特征吸收光谱数据信号并将数据信号传输给计算机，20cm石英样品池的出气口用于排出废气；
[0017]步骤4：计算机对含有噪声的二氧化硫气体的原始特征吸收光谱数据信号进行小波去噪；
[0018]步骤5：利用基于紫外差分吸收光谱技术的多波长最小二乘拟合法对去噪后的特征光谱进行处理，计算得到转化生成的二氧化硫气体的浓度；
[0019]步骤6:通过转化生成的二氧化硫气体的浓度反演出初始硫化氢气体的浓度。
[0020]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤4具体包括：
[0021]采用小波变换的方法对二氧化硫气体的原始特征吸收光谱信号进行去噪处理，设被噪声污染的吸收光谱信号为：
[0022]X
i
＝f(t
i
)+e
i
,i＝1,2,3......,n
ꢀꢀ
(1)
[0023]其中，f(t
i
)为纯净的吸收光谱信号，e
i
是随机噪声信号，利用正交小波变换对含有噪声的光谱信号的初始信号序列s
i
进行多级分解，得到低频信号s
i
和高频信号d
i
，小波变换采用的小波基为db小波，分别层数为3层；
[0024]在各分阶层利用式(2)对高频信号d
i
进行噪声方差估计，全局统一阈值为σ为白噪声的均方差，N为光谱信号X
i
的尺寸，并采用软阈值按照式(3)对d
i
进行
处理，
[0025]σ＝MID(d1)/0.6745
ꢀꢀ
(2)
[0026][0027]对处理后的低频信号和高频信号进行重构，得到滤除噪声的吸收光谱信号。
[0028]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤5具体包括：
[0029]选取210
‑
220nm波段范围作为测量二氧化硫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢浓度检测装置，其特征在于：包括光路部分、气路部分、气体转化部分和计算机；所述气路部分包括：氧气储气罐(14)、硫化氢储气罐(15)，氧气储气罐(14)连接的气路管道上设置有电磁阀一(19)、流量计一(16)，硫化氢储气罐(15)连接的气路管道上设置有电磁阀二(21)、流量计二(17)，连接两储气罐的两路气路管道连接在气体三通管(20)上，两路合并为一路；所述气体转化部分包括：紫外激发灯(12)，在紫外激发灯(12)能直接照射到位置设置有30cm石英样品池(13)，30cm石英样品池(13)入气口连接有气路部分的气体三通管(20)合并出的一路气路，30cm石英样品池(13)出气口通过气路管道连接在放置在加热炉(9)内的石英螺旋管(10)上，加热炉(9)外部设置有加热炉温度控制器(8)，石英螺旋管(10)上连接有水冷装置(11)；所述光路部分包括：氚灯(1)，氚灯(1)正照射面上设置有两个相对的第一石英凸透镜(2)和第二石英凸透镜(5)，两个凸透镜中间设置有20cm石英样品池(3)，20cm石英样品池(3)进气口与气体转化部分的水冷装置(11)上引出的气路管道相连，20cm石英样品池(3)尾端设置有光屏障(4)，第二石英凸透镜(5)的光汇聚点设置有光纤(6)接收端，光纤(6)尾端连接有光谱仪(7)，光谱仪(7)通过信号线连接计算机(18)。2.根据权利要求1所述的一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢浓度检测装置，其特征在于：所述20cm石英样品池(3)和30cm石英样品池(13)均为圆柱形，所述紫外激发光灯(12)发出的光为185
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254nm波段的紫外光。3.根据权利要求1所述的一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢浓度检测装置，其特征在于：所述加热炉(9)的有效加热长度为50cm，内部放置有K型铠装热电偶与温度控制器构成闭环负反馈系统，所述石英螺旋管(10)长度为60cm。4.一种使用权利要求1
‑
3所述的基于高温转化和光谱技术的硫化氢浓度检测装置的硫化氢浓度检测方法，其特征在于：所述硫化氢浓度检测方法包括如下步骤：步骤1：打开氘灯(1)和紫外激发光灯(12)，随后打开氧气储气罐(14)和硫化氢储气罐(15)的电磁阀一(19)和电磁阀二(21)，氧气和硫化氢分别通过流量计一(16)和流量计二(17)控制气体流速并借助气体管道进入30cm石英样品池(13)，持续通入混合气体一段时间以排净其他干扰气体，紫外激发光灯(12)对30cm石英样品池(13)中的硫化氢和氧气混合气体不断照射，使硫化氢分子从基态向激发态转变并使一部分氧气分子转化为氧化性更强的臭氧分子；步骤2：30cm石英样品池(13)的出气口与放置在加热炉(9)内的石英螺旋管(10)进气口相连，硫化氢气体在石英螺旋管(10)内被加热并发生氧化反应生成二氧化硫，随后通过气体管道导入水冷装置(11)进行快速降温，水冷装置的出气口与20cm石英样品池(3)进气口相连；步骤3：氘灯(1)发出的光经过第一石英凸透镜(2)后变成一束平行光，平行光穿透20cm石英样品池(3)后再经过第二石英凸透镜(5)汇聚至光纤(6)的接收端上，光纤(6)将接收到的光信号传输给光谱仪(7)，光谱仪(7)会把光信号处理成为特征吸收光谱数据信号并将数据信号传输给计算机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云刚，李鑫辉，高杰，张新宇，史广文，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：