基于差分吸收光譜法的大氣質量在線連續監測系統

郁　敏,南學芳,李　楠,楊　杰,張　宇,高秀敏

(杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州　310018)

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基于差分吸收光譜法的大氣質量在線連續監測系統

郁敏,南學芳,李楠,楊杰,張宇,高秀敏

(杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州310018)

為精確測量氣體組分及其濃度,根據大氣中硫化物和氮化物在紫外波段對光譜分子的吸收特性及基于差分吸收光譜技術及相應的計算方法,設計了大氣質量在線連續監測系統。該系統對硬件做了性能提升,實現了高速精確采集;在算法上對Lambert-Beer定律進行了優化,消除了Rayleigh散射和Mie散射的影響,使測量結果更加精準,達到了精確、快速、實時地監測氣體組分及其濃度的目的。

差分吸收光譜技術; 連續監測; 環境監測; 氣體濃度

引　言

大氣污染物主要包括硫化物、氮氧化物等,隨著交通運輸和工業的快速發展,大氣污染日趨嚴重,逐漸影響人們的身心健康,因此大氣污染也越來越受到關注[1]。對此,我們有必要研制一種可監測大氣污染物的監測系統。

電化學分析法是目前大氣污染物監測設備所采用的主要方法,能夠得到廣泛應用的主要原因是其價格低廉、結構簡單,但由于存在操作繁瑣、維護量大、交叉干擾、壽命短等缺點,該技術已處于被淘汰的狀態。紫外熒光法雖然操作簡單及精度高,但其只適合測量二氧化硫,不能同時測量氮氧化物。光譜檢測技術靈敏度高,一般可達到10-9～10-12級,能滿足對大氣痕量氣體的檢測要求,同時光譜檢測技術具有可檢測氣體種類多、響應時間快、受環境因素影響小、維護周期長等優點,非常適用于現場的在線連續監測[2-3]。差分吸收光譜法是光譜分析法中的經典算法,目前,差分吸收光譜技術主要集中在瑞典(OPSIS AB公司研制的OPSlS-DOAS系統)、德國(Heidelberg大學和Hoffmann公司開發的HMTDOAS系統)、美國(ThermalEnviromental Instruments開發的DOAS 2000系統)等國家[4]。而在國內,雖然已有儀器問世,但是相關技術仍不成熟,與國際先進水平相比沒有競爭力。

對此,本文提出了一種基于紫外差分吸收光譜技術的可在線連續監測大氣質量的系統,該系統可有效監測污染物的排放濃度,為評估污染物的排放量及提出有效的改善方案提供參考。

1　差分吸收光譜法原理

差分吸收光譜技術是20世紀70年代由德國Heidelberg大學環境物理研究所的Ulrich Platt教授首先提出,最早應用于大氣質量監測及天體遙感等領域,現已發展成為監測分析大氣污染物的主要方法之一[5]。

差分吸收光譜技術的本質是氣體分子對光輻射的吸收。當一束光透過被測氣體樣品池時,光會被待測氣體分子選擇性吸收,從而改變光束的光強和光譜結構[6]。我們通過與光束的原始光譜比較,即可獲得吸收光譜。通過分析光束在某一波段的吸收光譜,即可判斷待測氣體的成份和相應氣體的濃度。

氣體對光的吸收滿足Lambert-Beer定律

(1)

式中:I(λ)為檢測到的光強;I0(λ)為入射光強;L為光程長(cm);c為待測氣體濃度(mol/cm3);σ(λ)為氣體的吸收截面(cm2/mol),表示氣體對光的吸收能力。

氣體對光吸收所引起的光強衰減理論上是可以用式(1)表示,但是在實際的測量中,引起光強衰減的因素有很多,氣體分子的吸收只是其中的一部分。尤其是對痕量氣體檢測時,由于氣體濃度很低,Rayleigh散射和Mie散射引起的光強衰減占很大部分,此時式(1)的Lambert-Beer定律已不再適用。

Rayleigh散射是指粒子的直徑遠小于入射光波長(小于波長的十分之一)時所引起的散射,主要是氣體分子的散射。Rayleigh散射所引起的消光系數εR(λ)可表示為

(2)

Mie散射是指大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時引起的散射,這種散射主要是由大氣中的微粒,如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起的[7]。Mie散射所引起的消光系數εM(λ)可表示為

(3)

在實際測量中，被檢測介質往往包含很多種污染氣體，以σi(λ)表示第i種類型氣體的吸收截面，ci表示第i種氣體的濃度，則可將式(1)擴展為

(4)

將Rayleigh散射和Mie散射等引起的光譜變化稱為“寬帶”光譜(低頻),將分子吸收引起的光譜變化稱為“窄帶”光譜(高頻)。數學上使用一個高通濾波器將隨波長快速變化的“窄帶”光譜分離出來,被分離出來的分子吸收光譜用參考光譜進行擬合,就能夠反演出被測氣體的成份及其濃度[8],這就是差分吸收光譜法的基本原理。

2　監測系統的設計

大氣質量連續監測系統主要包括三部分:光路部分、氣路部分和電路部分。光路部分主要包括氙燈光源以及光譜儀中的光路系統(入射狹縫、凹面光柵、傳感器等);氣路部分主要包括進氣口、氣管、流量計、氣室和出氣口;電路部分主要包括主控制模塊、傳感器模塊和接口模塊。

2.1系統總體設計框圖

大氣污染氣體連續監測系統的框圖如圖1所示。

圖1　大氣污染氣體連續監測系統的框圖

利用氙燈發出的光源匯聚進光纖,經過光纖傳輸進入氣室。光線穿過氣體室時經被測氣體吸收,穿出后由光纖傳輸進入光譜儀[9]。在光譜儀內部經過光柵分光,由陣列光電傳感器將分光后的光信號轉換為電信號,獲得氣體的連續吸收光譜信息源[10]。再根據Lambert-Beer定律,通過吸光度,推算出被檢測氣體濃度,將結果顯示在液晶屏上。

2.2光源

在前人做過的研究中,SO2氣體的吸收波長為200～230 nm和290～310 nm,NOX氣體的吸收波長為200～230 nm和350～450 nm。本文選用濱松的L12336氙燈作為紫外光源,這款氙燈有內置電源模塊,波長為200～1 100 nm,具有壽命長(約1×109 flashes)、集成度高、光源穩定性好等特性。圖2為L12336標準光譜譜線,圖3為L12336光源的穩定性曲線,圖4為本系統采集到的氙燈光譜譜線。

圖2　L12336標準光譜譜線

圖3　L12336光源穩定性

2.3光路設計

目前,主流通用微型光譜儀大多采用了如圖5所示的Czerny-Turner結構,采用平面光柵作為分光器件。由于平面光柵成本低廉、復制簡單而得到廣泛的應用,但是這種光學結構卻存在著光學設計復雜、雜散光消除困難、靈敏度差、像差大等缺點,所以,高端的光柵分光型光譜儀一般采用如圖6所示的平場全息凹面光柵。凹面光柵雖然成本較高,但是光路設計簡單,降低了雜散光，同時簡單的光路結構也使光譜儀得以小型化。

圖4　氙燈光譜譜線

圖5　Czerny-Turner光路

圖6　凹面光柵光路

2.4傳感器

在本設計中選擇濱松S10420型號的薄型背照式紫外增強CCD圖像傳感器,該傳感器具有性噪比高、響應度高等特點。圖7為其光譜響應圖,可見其光譜響應度比一般的傳感器要高得多。

2.5氣室

在被測氣體濃度一定的情況下,氣體吸收度與氣體吸收池的長度成正比。所以增加氣體吸收池的長度,有利于提高儀器的靈敏度,從而提高對低濃度氣體的測量精度。但為了實現儀器的便攜性,我們需將氣體吸收池的長度控制在一定的范圍內,所以,在本設計中氣體吸收池的長度為25 cm。

2.6系統電路

系統電路結構主要包括CPU、接口模塊、氙燈模塊、傳感器模塊及ADC模塊等,如圖8所示。在本系統中,采用了恩智浦推出的LPC1788微處理器,該處理器是一款集成LCD圖像控制器的ARM Cortex-M3微控制器,具有高達512 KB的片上閃存程序存儲,96 KB的片上SRAM及4 KB的片上EEPROM。

圖7　光譜響應圖

圖8　系統電路圖

3　結　論

本文基于差分吸收光譜技術及改良的Lambert-Beer定律,設計了一種可在線連續監測大氣質量的系統,并詳細闡述了設計原理及系統的實現方案。相對于傳統的大氣污染物監測設備,該系統不僅具有同時反演出多種待測氣體濃度的特性,還具有測量精度高、抗干擾能力強等優點,實現了準確、快速、實時地監測氣體組分及相應濃度的目的。

[1]于意仲,周小玉,張帆,等.紫外差分光學吸收法測量污染氣體的實驗研究[J].環境科學學報,2003,23(5):630-634.

[2]劉文清,崔志成,劉建國,等.大氣痕量氣體測量的光譜學和化學技術[J].量子電子學報,2004,21(2):202-210.

[3]任利兵,尉昊赟,李巖.中紅外傅里葉氣體分析軟件系統的設計[J].光學儀器,2010,32(6):36-39.

[4]孫永躍.機動車尾氣檢測儀紫外差分算法研究與軟件設計[D].天津:天津理工大學,2009:4-8.

[5]邵理堂,王式民.差分吸收光譜技術在線監測煙氣濃度的反演算法[J].儀表技術與傳感器,2010(10):86-89.

[6]成林虎.差分吸收光譜技術在大氣監測領域中的應用[J].科技信息,2012(23):76-78.

[7]湯永濤,王國恩,厲春生.大氣環境對電磁信號的影響[J].艦船電子對抗,2009,32(2):56-59.

[8]崔厚欣,齊汝賓,張文軍,等.差分吸收光譜法大氣環境質量在線連續監測系統的設計[J].分析儀器,2008(1):7-11.

[9]高天云.2009年上海地區發電機組跳閘原因分析及防范建議[J].電力安全技術,2011,13(1):23-26.

[10]張卓,孫玲玲.淺談OMA-3510硫磺比值儀[J].大化科技,2010(1):4-6.

(編輯:劉鐵英)

An air quality on-line continuous-monitoring system based on differential optical absorption spectroscopy

YU Min, NAN Xuefang, LI Nan, YANG Jie, ZHANG Yu, GAO Xiumin

(School of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

To accurately measure the gas composition and concentration,we designed an air quality on-line continuous-monitoring system based on the differential absorption spectroscopy and the corresponding calculation method,because the spectral absorption characteristics of molecules in the ultraviolet of sulfides and nitrides in the atmosphere are specific.The system is designed to upgrade the performance of the hardware,achieving high precision.Algorithm Lambert-Beer′s law has been optimized.The effects of Rayleigh scattering and Mie scattering are eliminated,realize accurately,rapidly,real-time monitoring of gas composition and concentration.

differential optical absorption spectroscopy; continuous monitoring; environmental monitoring; gas concentration

2015-08-30

國家重大科學儀器設備專項子任務(2012YQ17000408);國家自然科學基金(61378035);浙江省重大科技專項(2012C12017-5);浙江省151人才工程

郁敏(1990—),女,碩士研究生,主要從事氣體分析儀的研究。E-mail:1165429537@qq.com

高秀敏(1978—),男,研究員,主要從事光學工程與光電檢測技術的研究。E-mail:gxm@hdu.edu.cn

1005-5630( 2016) 03-0262-05

TN 253

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.014