紫外臭氧在线检测仪技术原理与校准方法

紫外臭氧在线检测仪技术原理与校准方法

1.紫外光谱吸收法基础理论

紫外臭氧在线检测仪的核心工作原理基于紫外光谱吸收法，这是一种利用物质对特定波长紫外线的吸收特性进行定量分析的技术。该方法已被美国等国家作为臭氧标准分析方法，并在中国被列为环境空气中测定臭氧的标准方法（GB1/T1154348）。

紫外光谱吸收法的理论基础是朗伯 - 比尔（Lambert-Beer）定律，该定律描述了光在介质中传播时的吸收规律。其数学表达式为：I = I₀e^(-klc)，其中 I₀为入射光束的强度，I 为光束穿透样品后的强度，l 为通过样品光程的长度，c 为样品内吸收物质的浓度，k 为吸收物质对该光线波长的比吸收系数。

在实际应用中，该定律可转换为更常用的形式：I/I₀ = e^(a×c×L)，其中 a 为臭氧在特定波长处的吸收系数，c 为臭氧浓度，L 为光程长度。通过测量透过率 I/I₀，结合已知的吸收系数和光程长度，即可计算出臭氧浓度。

2.254nm 波长特征吸收机制

臭氧分子在紫外光谱区域具有独特的吸收特性，特别是在 253.7nm（通常近似为 254nm）波长处具有很大吸收峰。这一特征吸收特性是紫外臭氧检测技术的关键基础。

臭氧对 254nm 波长紫外光的特征吸收机制源于其分子结构的电子跃迁特性。在 254nm 波长处，臭氧的吸收系数值范围从 303.9 到 313.2cm⁻¹・mol⁻¹・L（273K 和 760mmHg 条件下），研究者证实该值为 302.4cm⁻¹・mol⁻¹・L。在环境空气检测标准中，该吸收系数被确定为 a=1.44×10⁻⁴m²/g。

这种强烈的特征吸收使得紫外臭氧检测仪具有极高的选择性和灵敏度。臭氧分子对 254nm 波长的紫外光存在很大吸收，这一特性不受其他常见气体的干扰，确保了检测结果的准确性和可靠性。

3 .双光路系统设计与工作机制

为了克服单光路系统存在的光源老化、环境温度变化等因素导致的测量误差，现代紫外臭氧在线检测仪普遍采用双光路系统设计。这种设计显著提高了测量的稳定性和准确性。

双光路系统的核心设计理念是通过参考光路来补偿测量光路中可能出现的各种干扰因素。典型的双光路系统包含两条独立的光路：

测量光路：氘灯发射的紫外光穿过样品气室，臭氧分子吸收特定波长后，光电探测器记录光强衰减。这一路径直接反映了被测气体中臭氧的浓度信息。

参考光路：同步监测光源波动，通过算法消除温度、湿度及光源老化引起的偏差。参考光路通常采用经过臭氧涤除器处理的零空气作为参考介质。

双光束差分技术的工作机制是一束光通过采样气室，另一束光经参比池，通过朗伯比尔定律实时比对两路光强，抵消光源老化与灰尘干扰，换算出 ppb 级浓度。这种设计使得零点漂移可控制在 0.5ppb/24h 以内，年漂移小于 0.05%。

4.光电转换与信号处理系统

光电转换系统是紫外臭氧检测仪的核心组件之一，其性能直接影响检测精度和响应速度。现代紫外臭氧检测仪采用多种先进的光电转换技术。

信号处理系统的工作流程包括以下关键环节：

光电转换：光电传感器将紫外线的光信号转换为电压信号;

信号放大：经过两次运算放大器进行信号整理放大，提高信号质量;

对数计算：通过 log100 进行计算处理，将光强比值转换为浓度值;

数据输出：将处理后的浓度数据通过显示模块或通信接口输出.

现代信号处理系统还集成了温度补偿、压力补偿、光源自动补偿等智能算法，进一步提高了测量精度和稳定性。

5.校准方法与技术标准

紫外臭氧在线检测仪的校准是确保测量准确性的关键环节。校准过程需要遵循严格的技术标准和操作规范。

5.1 技术标准体系：

HJ 590-2010：《环境空气 臭氧的测定 紫外光度法》，规定了测定环境空气中臭氧的紫外光度法，适用于环境空气中臭氧的瞬时测定和连续自动监测，测定浓度范围为 0.003～2mg/m³；

HJ 1099-2020：《环境空气臭氧监测一级校准技术规范》，要求采用臭氧标准参考光度计 (SRP) 作为核心设备，其紫外双光程检测技术需确保 253.7nm 波长吸收测量的准确性；

GB/T37397-2019：《臭氧校准分析仪》标准。

5.2 校准方法与要求：

5.2.1 多点校准要求：在臭氧传递标准满量程范围内，设置浓度点不少于 7 个（包含一个零点和 6 个不同梯度的浓度点），每个浓度点读值设置为 10 次重复读值的平均值，10 次重复读值的标准偏差应小于 2nmol/mol.

5.2.2 校准曲线评价指标：

多次多点校准的每个斜率均应在 0.97~1.03 之间

每个截距均应在 (0±3) nmol/mol 之间

多点校准斜率的相对标准偏差应≤3.7%

截距的标准偏差应≤1.5nmol/mol

5.2.3 校准周期：

臭氧监测一级校准复校时间间隔一般不超过一年

产品建议返回厂家校验周期：18 个月

5.2.4 校准方法：

仪器校准法：采用紫外光法臭氧检测仪对已生产的臭氧检测仪进行分布选取 10 个测试点对比，误差范围控制在 ±1% 以内为合格.

化学滴定法：采用国际公认的碘化钾、硫代硫酸钠滴定法进行对比验证.

6.产品介绍

北京同林 3S-J5000 型台式臭氧浓度在线分析仪是一款基于双光路紫外吸收法的高精度臭氧检测设备，其核心部件采用进口组件，确保了产品的可靠性和稳定性。

技术特点：

双光路紫外光源系统：采用先进的双光路设计，相比单光束具有更快的响应速度和更高的测量精度

智能校零系统：设备可设置自动校零或手动校零，开机自动校零，根据测量时长可设置自动校零时间

灯管智能管理系统：开机后可使紫外灯管迅速达到测量状态，延长灯管使用寿命

德国分离式光池技术：具有无泄漏、耐压高、耐大流量采样气体冲击、易清洁、维护方便等特点

智能补偿功能：内置光源自动补偿功能，有效消除光源老化影响

触屏操控：配备触控显示屏，操作简便直观

存储功能：带存储功能，可以接入臭氧质量流量计信号