二氧化硫(SO2)檢測原理——紫外熒光法
二氧化硫的檢測原理是紫外熒光法。紫外熒光法是基于分子發(fā)射光譜法。SO2分子吸收紫外線(190nm~230nm)能量成為激發(fā)態(tài)分子,激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定,在返回基態(tài)時,以熒光光子的形式釋放出過剩能量。這個反應分兩個步驟進行:
(1)SO2分子吸收190nm~230nm波長的紫外線能級躍遷到激發(fā)態(tài)。
(2)處于激發(fā)態(tài)的SO2分子再次回到基態(tài),發(fā)出特征波長的熒光,熒光的中心波長為330nm。
(3)根據(jù)紫外熒光法原理,所發(fā)出熒光總光強(1)與激發(fā)態(tài)的SO2分子數(shù)之間的關(guān)系可表示為:
其中,轉(zhuǎn)化為SO2的轉(zhuǎn)化率k與溫度相關(guān),溫度越高,轉(zhuǎn)化為SO2越快,則單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為SO2的越多。
所以,由(1)~(3)式可知,當初始光強、氣體室的光程L、氣體溫度T已知,且沒有干擾條件(如:沒有干擾氣體和雜散光),轉(zhuǎn)化為SO2的轉(zhuǎn)化率k為常數(shù),則熒光的光強與氣體室中SO2的濃度成正比。
氮氧化物(NOX)檢測原理——化學發(fā)光法
氮氧化物的檢測原理是化學發(fā)光法,由于化學反應產(chǎn)生的光能發(fā)射。氮氧化物吸收化學能后,被激發(fā)到激發(fā)態(tài),由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時,會以光量子的形式釋放能量。通過對光量子的光強度測定可以對物質(zhì)進行定量分析。
NO分子與O3發(fā)生化學發(fā)光反應,分為兩個步驟,第一步,反應產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2分子:
第二步,激發(fā)態(tài)的NO2返回基態(tài)釋放出光子,光譜范圍為(600~3200)nm,最強發(fā)光波長為1200nm:
NOX是NO和NO2總和,為測量NO2時,需要先將NO2轉(zhuǎn)化為NO,再利用NO和O3的化學發(fā)光反應進行測定。通常采用鉬催化劑在高溫條件將NO2轉(zhuǎn)化為NO,反應轉(zhuǎn)化率>99%:
通過氣路控制,樣氣經(jīng)兩路測量,一路測樣氣中的NO,一路測以NO的NO2和NO的總和,即NOX,則
一氧化碳(CO)檢測原理——非分光紅外法
一氧化碳檢測原理是非分光紅外法,通過高能發(fā)熱元件產(chǎn)生一束已知光強的寬帶紅外光(在校準儀器過程中會測定其光強)。紅外光束直接透過充滿樣品氣體的氣體室(懷特池回返光路結(jié)構(gòu)),光線在氣體室內(nèi)來回反射多次測,透射光離開氣體室后,經(jīng)過一個4.7μm波長的濾波片,被光電探測器接收,光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號,根據(jù)衰減光強度變化來分析氣體室內(nèi)的一氧化碳濃度。
基本原理是Beer-Lambert關(guān)系式,在給定溫度、壓力下,一定光程內(nèi)一定濃度氣體對特定波長的光強的吸收。標準狀況(STP)下的數(shù)學表達式為:
但是,環(huán)境溫度和壓力會影響樣氣的密度,使一氧化碳吸收的紅外光發(fā)生變化。考慮溫度、壓力的影響,濃度計算公式修正為:
當初始光強、光程、吸收系數(shù)、壓力、溫度等參數(shù)一定的情況下,就可以通過上式計算CO濃度。
臭氧(O3)檢測原理——紫外吸收法
臭氧檢測原理是紫外吸收法,是Beer-Lambert關(guān)系式,在給定溫度、壓力下,一定光程內(nèi)一定濃度氣體對特定波長的光強的吸收。標準狀況(STP)下的數(shù)學表達式為:
顆粒物(PM2.5/PM10)檢測原理——β射線吸收法
顆粒物的檢測原理是β射線吸收法,儀器是根據(jù)β射線吸收原理設(shè)計的,β射線是一種高速電子流,當高能量的粒子由14C發(fā)射出來,在碰到塵粒子時,能量減退或被粒子吸收。β射線強度一定時,被吸收量大小只與吸收物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān),與吸收物質(zhì)的物化特性無關(guān)。物質(zhì)放置在發(fā)射源14C和監(jiān)測β射線的裝置中間,β射線被吸收,能量衰減。這樣導致監(jiān)測到的β粒子的數(shù)量減少。
通過吸收物質(zhì)(如紙帶上的塵),β射線粒子的衰減量接近指數(shù)。公式1基本恰當?shù)乇憩F(xiàn)了兩者之間的聯(lián)系。
??? ?? ??? 公式(1)
公式(1)中,I是測定(每一單位時間的計數(shù))β射線的衰減強度(帶塵樣的紙帶),I0測定未經(jīng)衰減的β射線的強度(清潔紙帶),μm稱為質(zhì)量吸收系數(shù)或質(zhì)量衰減系數(shù)(cm2/g),x是吸收物質(zhì)的質(zhì)量密度(g/cm2)。
公式(1)可轉(zhuǎn)變成計算x--吸收物質(zhì)質(zhì)量密度的公式,見公式2:
?? ? ?? ??? 公式(2)
在實際操作中,吸收截面是在校準過程中的實驗測定。一旦I和I0被測定,計算物質(zhì)密度x就很簡單。
在實際操作中,在特定時間(△t)內(nèi),環(huán)境空氣以恒定流率采入。這些采入的空氣通過紙帶的表面區(qū)域A。一旦算出吸收物質(zhì)密度x,即可通過公式(3)算出環(huán)境中粒子物質(zhì)的濃度值。
????????? 公式(3)
在公式(3)中,Mc是環(huán)境粒子濃度,A是通過紙帶的塵樣的截面積。Q是收集在紙帶上粒子物質(zhì)的流量,△t是采樣時間。將這些等式換算成最后的公式,表明大氣粒子濃度和測定的數(shù)量之間的關(guān)系見公式(4):
????????? 公式(4)
檢測原理動圖
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