差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气监测中的应用研究

本文将差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscoy,DOAS)技术中的浓度反演方法运用到烟气中NO、NO2、NH3和SO2的监测.利用它们在200～250 nm附近具有不同强度吸收的特性,测量烟气的吸收光谱,用DOAS方法反演出NO、NO2、NH3和SO2分子的浓度,这种方法消除了烟气中烟尘、水汽和其它成分的影响,使在线实时测量成为可能,在实验室内对不同气体分子浓度样气进行了测量和浓度反演,经过现场对比测量证明这种方法是正确的.     

LEDs-DOAS系统的标定及反演方法研究

针对氙弧灯作为主动差分吸收谱(DOAS)宽带热光源带来严重的能源浪费和一些不必要的干扰,提出采用新型冷光源—发光二极管(LEDs)作为光学遥感DOAS系统的光源。研究了LEDs-DOAS系统的标定及反演方法,首先介绍了LEDs-DOAS光学遥感系统的结构,分析了其获取痕量气体大气浓度的原理;然后通过把具有线状吸收谱特性的汞灯光引入到LEDs-DOAS仪器,得到仪器函数,对系统进行标定;再把标准库待测气体的吸收截面和仪器函数卷积,得到该痕量气体的在LEDs-DOAS仪器吸收强度,并基于最小二乘原理反演痕量气体的大气浓度;最后利用NO2样品标定LEDs-DOAS系统的测量精度,实验结果表明,测量误差小于5%。     

大气污染监测中的DOAS技术研究

简要介绍UV-VIS的差分吸收光谱技术(以下简称DOAS技术),其应用非常广泛.对于在紫外及可见光谱范围内有较明显吸收峰的各类气体及气态物质从理论上讲都可以测量.DOAS以远优于点测量的空间分辨能力和时间响应能力而大量用来测量非标准污染物.并且易于操作,费用低廉,实时分析,全路径非接触测量,比点监测系统有极高的优越性.DOAS作为光谱监测技术,利用激光在开放大气中的各种痕量气体的特征吸收,来确定光通过的路径上各气体的平均浓度.可监测SO2,NO,NO2,NO3,HONO,及形成光化学烟雾的不同痕量气体,诸如:O3,NO2,HCHO,NO3,SO2,BrO,IO,ClO和若干种芳香烃. 我们正在研制有自主产权的DOAS系统,目前正在进行开路监测的系列实验,已能明显获取SO2,NO,NO2的吸收谱线,并且和现有监测技术的测量比对误差小于10%.(OE31)     

基于傅立叶变换红外光谱技术的烟气超低排放监测系统应用研究

中国的大气环境污染形势严峻,地域性大气问题严重,以燃煤为主的火力发电厂、燃煤锅炉等是最主要的SO₂、NO_x排放源。现行的燃煤烟气排放标准做了严格规定,从而对烟气连续排放在线监测技术提出更苛刻的要求。基于傅立叶变换红外光谱技术与伴热式多次反射池技术,研究燃煤电厂SO₂、NO污染气体超低浓度检测系统。针对SO₂、NO的分子吸收光谱特征, 采用SiC作为光源,选择测量波段1900~2600 nm;采用傅立叶变换红外光谱技术对测量光谱进行处理,与现场两台设备的测量数据进行分析, SO₂、NO气体的相关性良好,满足超低排放烟气监测需求。     

一种Rb蒸气对窄线宽780nm激光吸收率和吸收峰的测量方法

为了消除Rb蒸气室窗口内表面未镀膜引起的吸收率测量误差,本文提出采用差分吸收的方法准确测量高气压缓冲气体下Rb蒸气对780nm激光的吸收率,参考光源为787nm单管半导体激光器(LD)。吸收峰的测量,则通过观察780nm激光通过Rb蒸气室后激光光谱出现的凹陷确定。采用本文方法对充有252.5kPa He气和50.5kPa CH4缓冲气体的Rb蒸气的吸收率和吸收峰进行了测量,验证了该方法具有较高的测量精度。     

苯和甲苯差分吸收光谱方法的实验室测量研究

本文介绍了差分光学吸收光谱法(DOAS)测量大气污染气体浓度的基本原理。DOAS方法就是利用氙灯发出的紫外—可见光，经望远镜准直后再经过一段距离的传输，由望远镜来接收．在传输中，由于各种不同的分子在不同的波段对光有不同的吸收特征，使光谱具有了污染物的特征，再通过与光源发出的光进行比较，反演这些气体在大气中浓度．我们将DOAS方法应用在监测有机物上，在分析光谱的过程中，应用多项式拟合和最小二乘法，从而精确地从测量光谱中来反演出大气中污染气体的浓度．文中用DOAS方法测量了苯和甲苯的样品，并分析了结果，结果和理论吻合．可为环境中有机污染物监测提供可靠的方法。     

基于太阳散射光测量系统反演痕量气体方法研究

为了克服利用太阳散射光作光源的被动差分吸收光谱(DOAS)系统中异方差对反演结果的影响,对DOAS反演算法进行了研究。鉴于局部多项式回归良好的统计性质,且当采用非参回归时不必人为设定异方差的结构,能适应几乎所有回归估计,提出利用非参稳健局部多项式回归方法估计DOAS系统测量谱中的慢变吸收部分,并据此反演痕量气体斜柱浓度。把该方法应用于外场实验获得光谱信息处理中,结果表明,本文方法比最小二乘多项式回归估计反演效果更好,降低了被动DOAS系统测量误差。     

基于非线性标准差模型的差分光学吸收光谱技术烟气浓度测量

采用差分光学吸收光 谱(DOAS)技术测量烟气时,需采用非线性补偿方法来提高测量精度。本文基于自行研制的DO AS技术烟气测量系统,对SO₂和NO标准气体进行了单一气体的建模实验,提出了利用 差分光学密度标准差和气体浓度之间关系的非线性模型预测烟气浓度的方法,并以此测量 了SO₂和NO单一组分及混合气体的浓度,将实验结果与传统最小二乘法的反演浓度进行 了对比。结果显示,测量单一气体时,得到的两种气体非线性模型的判定系数 R²分别为 0.999和0.999,SO₂的满量程误差为±0.7％,最大误差为 2.6%和2.8%,明显优于最小 二乘法反演最大误差－16.1%和－19.9%;测量混合气体时,最大误差 由传统方法的－24.6%和－28.1%减小至－4.8%和5.2%。结果表明,本文方法可提高烟气测量的准确度。     

用于二氧化碳浓度红外检测的温度补偿研究

二氧化碳(carbon dioxide,CO₂)浓度监测是实现碳达峰、碳中和的重要基础,非分散红外(non-dispersive infrared,NDIR)检测技术作为温室气体测量领域应用最为广泛的技术之一,如何有效抑制温度漂移、确保长期监测数据的稳定性和可靠性是研究重点。实验表明,光源光功率、气体吸收线强、滤光片中心波长等容易受到环境温度影响。文中提出一种红外气体检测的温度补偿方法,研制了用于大气二氧化碳浓度红外检测的分析仪。选取以4.26μm为中心波长的CO₂气体吸收线;利用高低温试验箱,对分析仪进行温度补偿实验研究;配置标准CO₂气体浓度,对分析仪进行浓度标定实验研究。测量结果表明,红外CO₂气体分析仪浓度测量稳定,温度补偿显著,具有快速响应、应用范围广等优点。该红外CO₂气体分析仪为陆地生态系统碳收支监测等领域提供可靠数据支撑。     

基于MAX-DOAS的对流层NO2和气溶胶光学厚度遥测反演

随着全球工业化速度加快和人口的增多,大气环境问题日益突出,NO2和气溶胶在大气化学中扮演着重要的角色。地基多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）基于被动DOAS原理,近年来已成功应用于大气痕量气体柱浓度和气溶胶光学厚度（AOD）测量方面。本文基于被动DOAS算法对合肥秸秆燃烧期间NO2柱浓度以及气溶胶光学厚度进行了观测,并把对流层柱浓度和臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument, OMI)结果进行对比;测量的气溶胶光学厚度和太阳光度计（CE318）进行了对比。结果表明,MAX-DOAS测量结果要高于卫星值,11月6日MAX-DOAS测量NO2柱浓度日均值为OMI的1.9倍;二者在无云条件下一致性较好;MAX-DOAS反演AOD和太阳光度计结果相关性在0.9以上。     

基于可调谐半导体激光器的甲烷气体监测技术

介绍了一种利用分布反馈(DFB)可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)实现甲烷气体浓度监测系统。不同于直接测量气体吸收前后光源强度的变化值,TDLAS通过提取二次谐波幅值信息,在频域换算气体浓度,因此具有更高的稳定性和精确度。同时对不同输出特性的DFB半导体激光器进行对比研究,分析光源的波长调谐特性及功率-电流特性对实际应用的影响。     

烟道污染气体SO_2的差分光学吸收光谱测量

研究了利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量烟道污染气体SO2的方法.介绍了差分吸收光谱的基本原理和数据处理方法.讨论并分析了测量过程中光谱波段的选择.以氘灯作为光源,分别利用光谱分辨率为0.6 nm、0.7 nm和1.8 nm的光谱仪对SO2的吸收光谱进行了测量,分析了光谱分辨率对测量结果的影响.DOAS方法分析的是吸收光谱的高频部分,避免了烟尘、水汽等对测量结果的影响,可以利用差分光学吸收光谱对烟道污染气体进行检测.     

内调制激光差分NO2检测

为了实时检测空气中NO2的浓度,采用差分检测与内调制技术相结合的方法设计了一套激光NO2检测系统。该系统采用波长为450 nm的蓝光激光器作为光源,这是根据NO2吸收峰特点选取的。采用光源内调制技术,通过TTL调制驱动电流实现对输出光强及其频率的调制。在常温常压下,对NO2浓度进行了测量,并用最小二乘法对实验数据进行了处理。结果表明,实验系统的最低浓度检测极限是6 ppm,拟合系数R2为0.9996。     

成像差分吸收光谱系统设计及应用

被动差分吸收光谱技术(DOAS)是一种以太阳散射光为光源,利用不同气体分子的特征吸收来实现气体定性定量测量的方法。成像光谱技术作为一种新型光电探测技术,能同时获取观测区域的空间信息和光谱信息,该技术与DOAS结合构成了成像差分吸收光谱系统(IDOAS),可实现对气体的二维成像测量。设计了基于凸面光栅Offner成像光谱仪、面阵CCD、紫外镜头和扫描旋转台的成像差分吸收光谱系统,描述了系统的组成并着重介绍了Offner成像光谱仪的光学设计。针对该系统开发了基于MFC框架的软件系统,实现了探测器参数设置、数据采集与显示、数据存储、电机扫描控制、多波段成像、图谱合一等功能。利用该系统对发电厂烟羽排放进行外场测量,采用被动差分吸收光谱方法对采集的太阳散射光谱进行处理获得SO_2柱浓度,实验证明系统运行稳定可靠,可用于污染气体的二维成像解析。     

基于深度信念网络和极限学习机的SO2浓度检测

使用差分吸收光谱技术(Differential optical absorption spectroscopy, DOAS)进行工业在线气体检测,在气体浓度较低时,其光谱吸收不明显, 信噪比较低,通过传统方法来对工业气体浓度进行反演,预测结果难以满足工业应用具体要求。针对SO$_2$气体的差分吸收光谱特点, 采用氚灯作为光源,采集189.73$\sim$644 nm波段内的标准浓度SO$_2$的吸收光谱高维数据,选取吸收光谱数据并进行预处理,然后 利用训练集数据建立深度信念网络模型进行低维特征提取。在此基础上,利用训练数据的低维嵌入特征构建极限学习机反演模型, 实现SO$_2$气体浓度计算,并对该模型进行了有效性测试,从而得到一种更加精确的SO$_2$气体浓度在线检测方法。     

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

根据甲烷气体的吸收光谱 ,研究了用 L ED作光源的差分吸收式光纤甲烷气体传感器。选择两个同型号 L ED光源作为差分吸收信号 ,光源驱动器自动实行交替斩波。建立了气体浓度差分吸收的数学模型 ,给出了甲烷气体浓度的测量结果。实验表明该仪器的测量灵敏度达到 2× 10 - 4。     

多种气体一体化测量的光纤传感技术研究

基于气体在吸收峰波长下对光的吸收随浓度变化的原理,研制一种光纤式气体监测仪,根据被测气体的吸收峰对应的波长选择分布反馈式半导体激光器作为光源,采用不同频率的光源驱动电路实现对多种气体浓度的同时检测。对甲烷和乙炔气体浓度的检测实验表明,该系统具有一定的检测灵敏度和精度。     

光纤CH_4气体传感器的实验研究

根据CH4气体近红外的光谱吸收特性,讨论并制作了一种易于实现的光纤CH4气体传感器。传感器基于Lambert-beer定律,采用1653nm的分布反馈式激光器(DFB-LD)光源,具有很高的测量精度。通过分析实验测得的CH4吸收曲线,得出系统的灵敏度为6.252×10-4μW/ppm,分辨率为64ppm,可探测最低浓度为100ppm。     

基于NDIR的多组分危险气体在线监测系统设计

在冶金、石化、化工等工业领域生产过程中会产生大量易燃易爆、有毒有害的多组分危险气体(CO、CO₂、SO₂、NO、NH₃等),这些有害气体容易引发事故。而现有的在线测量预警系统不能满足高集成、低干扰、高灵敏的要求。本文针对影响检测结果的微弱信号、光源调制、气体信号交叉干扰、温度控制等因素,设计了相应的电路和算法,并进行了实验验证。实验结果表明,本文提出的基于锁相放大器电路的微弱信号提取技术、基于MOS管驱动电路的PWM波调制技术、基于融合算法的浓度反演模型,能够实现对五种危险气体(CO、CO₂、SO₂、NO、NH₃)的在线监测,检出限达到0.01%,避免了多种气体之间的交叉干扰,适用于工业生产危险气体在线分析及预警系统,具有广阔的应用前景。     

基于Simulink手持式激光甲烷遥测仪标定方法仿真分析与试验研究

围绕目前市场上手持式激光甲烷遥测仪测量误差大、测量精度低的问题,建立了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的CH₄积分浓度遥测仿真系统,并根据仿真结果进行了手持式激光甲烷遥测仪标定试验与相关测量分析。通过CH₄积分浓度遥测仿真系统,开展了吸收峰峰值拟合标定法和吸收峰积分面积拟合标定法两种标定方法的仿真试验。通过对同一组积分浓度的两种标定方法试验数据的仿真测量和分析,结果表明积分浓度与吸收峰积分面积的线性相关性为0.999 99,高于积分浓度与吸收峰峰值的线性相关性0.999 88,同时采用吸收峰积分面积标定法的测量误差范围为-0.26%～0.86%,远小于吸收峰峰值拟合标定法的测量误差范围-1.22%～1.16%。根据仿真结果采用吸收峰积分面积拟合标定法对遥测仪进行标定试验和相关测量分析,结果表明该标定方法的平均误差为4.35%,误差范围为-2.89%～7.20%,比市场现有遥测仪的误差范围(±10%)缩小了5.65%。研究结果表明,选用吸收峰积分面积拟合标定法能够显著提高遥测仪的检测精度,缩小测量误差范围。