(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210884312.8 (22)申请日 2022.07.25 (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北 大街438号 (72)发明人 张云刚　李鑫辉　高杰　张新宇　 史广文　 (74)专利代理 机构 石家庄众志华清知识产权事 务所(特殊普通 合伙) 13123 专利代理师 张建 (51)Int.Cl. G01N 21/33(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于高温转化和光谱技术的硫化氢检 测装置及方法 (57)摘要 本发明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、 2 0cm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、 2 0cm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。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 115165778 A 2022.10.11 CN 115165778 A 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(1 1)； 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185‑254nm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6 0cm。 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30c m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30c m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(18)， 20 cm石英样品池的出气口用于排出废气； 步骤4： 计算机(18)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权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115165778 A 2波去噪； 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； 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。 5.根据权利要求 4所述的一种硫化氢浓度检验方法， 其特 征在于： 所述 步骤4具体包括： 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： Xi＝f(ti)+ei,i＝1,2,3……,n    (1) 其中， f(ti)为纯净的吸收光谱信号， ei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si进行多级分解， 得到低频信号si和高频信号di， 小波变换采用 的小波基为db小 波， 分别层数为3层； 在各分阶层利用式(2)对高频信号di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Xi的尺寸， 并采用软阈值按照式(3)对di进行处理， σ ＝MID(d1)/0.6745      (2) 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。 6.根据权利要求 4所述的一种硫化氢浓度检验方法， 其特 征在于： 所述 步骤5具体包括： 选取210‑220nm波段范围作为测量二氧化硫浓度的特征波长， 对这一波段范围内的二 氧化硫吸收光谱信号进行多项式拟合， 得到吸收光谱的慢变吸收光谱S( λ )， 进一步对慢变 吸收光谱与二氧化硫的吸 收光谱之比取自然对数， 得到 差分吸收光谱P( λ )； 选择已知浓度二氧化硫的吸收光谱作为标准光谱,Pm( λ )被定义为待测差分吸收光谱， PS( λ )定义为标准差分吸 收光谱。 根据式(4)， (6)建立Pm( λ )和PS( λ )之间的关系： F(k)＝Σ[Pm( λ )‑kPs( λ )]2      (4) k＝[∑Pm( λ )Ps( λ )]/∑Ps2( λ )     (6) 其中F(k)是待测气体的吸收光谱与标准吸收光谱之差的平方； 系数k是光学参数， 它与 标准光谱所对应的气体浓度相乘， 得到待测二氧化硫的浓度： 7.根据权利要求 4所述一种的硫化氢浓度检验方法， 其特 征在于： 所述 步骤6具体包括： 硫化氢发生的反应具体为： 2H2S+3O2→2SO2+2H2O以及H2S+O3→SO2+H2O， 根据硫元素守恒 原理， 最终测得二氧化硫的气体浓度即为初始硫化氢的气体浓度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115165778 A 3