宋子龍，曹鳳才，郝曉東

(1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051;2.中北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051;3.聚光科技(杭州)股份有限公司太原分公司，山西 太原 030024)

半導(dǎo)體激光氣體分析技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)采樣氣體分析技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)明顯，有廣泛的應(yīng)用前景。比如氣體分析技術(shù)在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、工業(yè)窯爐節(jié)能降污分析、能源氣回收、安全生產(chǎn)及環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域擁有巨大經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)、社會(huì)效益，研發(fā)和生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)高端分析儀也是應(yīng)對(duì)國(guó)外技術(shù)壟斷的唯一途徑。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，氣體監(jiān)測(cè)分析技術(shù)也隨之興起，然而高端的分析儀器都國(guó)外大公司占領(lǐng)，如西門子、施耐德、ABB等，面對(duì)國(guó)外的技術(shù)壟斷和將技術(shù)落后的產(chǎn)品推銷國(guó)內(nèi)的形勢(shì)下，在線氣體監(jiān)測(cè)分析行業(yè)龍頭企業(yè)聚光科技(杭州)通過(guò)10 多年的技術(shù)研發(fā)，在半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)基礎(chǔ)上成功研制出激光在線氣體分析系統(tǒng)。氣體在線監(jiān)測(cè)分析技術(shù)面臨關(guān)鍵問(wèn)題表現(xiàn)在:技術(shù)指標(biāo)不如國(guó)外，可靠性不強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)就癱瘓，隨著國(guó)家環(huán)保局傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象CO，CO2條件下又增加了SO2，NXOX，CXHX等，進(jìn)一步增加了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)難度。本文以聚光科技OMA-2000 氣體分析儀為實(shí)驗(yàn)器材，重點(diǎn)研究基于紫外差分吸收光譜法的氣體分析儀的檢測(cè)原理，將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)和傳統(tǒng)的紅外吸收光譜法的對(duì)比，可知應(yīng)用于該產(chǎn)品的紫外差分吸收光譜法有測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與基本原理

1.1 煙氣連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Continuous Emission Monitoring System)，對(duì)固定污染源的顆粒物和氣態(tài)污染物的濃度及其污染物排放的總量進(jìn)行自動(dòng)的、連續(xù)的監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)得到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到環(huán)保部門，目的是確保各類排污企業(yè)污染物濃度和排放總量均達(dá)標(biāo)［1］。同時(shí)，排污企業(yè)安裝的環(huán)保設(shè)施如除塵、脫硫設(shè)施，也依靠CEMS 的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，用以監(jiān)督和保證環(huán)保設(shè)施的投運(yùn)率和效率。

一套完整的CEMS 系統(tǒng)主要包括:顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)四個(gè)部分。顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是對(duì)排放煙氣中的煙塵濃度進(jìn)行測(cè)量。氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是對(duì)排放煙氣中SO2，NOx等氣態(tài)方式存在的污染氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要對(duì)排放煙氣的溫度、壓力、濕度、流速等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，用來(lái)將污染物的濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)干煙氣狀態(tài)的濃度值。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)主要完成測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)功能，并按照標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸?shù)狡髽I(yè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和環(huán)保局監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

1.2 OMA-2000 氣體分析儀

實(shí)驗(yàn)采用的裝置為聚光科技的OMA-2000 氣體分析儀，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 OMA-2000 主要參數(shù)

該儀器主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在，可以同時(shí)測(cè)量多種氣體、液體化學(xué)各自組成濃度，主要針對(duì)SO2，NH3，NO，NO2這四種氣體，并且不受采樣氣體的水分因素干擾;采用可靠的化學(xué)計(jì)量學(xué)算法，測(cè)量值準(zhǔn)確度高;對(duì)光譜儀進(jìn)行固化，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，測(cè)量值穩(wěn)定性好，可靠性高，增加了使用壽命;采用觸摸屏界面，操作更方便、簡(jiǎn)單;輸入輸出接口豐富，可以自主選配測(cè)量探頭，增加了氣體分析儀擴(kuò)展性能。

1.3 OMA-2000 氣體分析儀工作原理

OMA-2000 氣體分析儀實(shí)物如圖1 所示，它的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 OMA-2000 實(shí)物

OMA-2000 結(jié)構(gòu)如圖2 所示，一個(gè)是測(cè)量室，一個(gè)是接收室。兩室通過(guò)切光板以一定周期同時(shí)或交替開閉光路。在測(cè)量室中導(dǎo)入被測(cè)氣體后，具有被測(cè)氣體特有波長(zhǎng)的光被吸收，從而使透過(guò)測(cè)量室這一光路而進(jìn)入紅外線接收氣室的光通量減少。氣體濃度越高，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量就越少;而透過(guò)參比室的光通量是一定的，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量也一定。因此，被測(cè)氣體濃度越高，透過(guò)測(cè)量室和參比室的光通量差值就越大。這個(gè)光通量差值是以一定周期振動(dòng)的振幅投射到紅外線接收氣室的。接收氣室內(nèi)封有濃度較大的被測(cè)組分氣體，在吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)能將射入的紅外線全部吸收，從而使脈動(dòng)的光通量變?yōu)闇囟鹊闹芷谧兓?，再可根?jù)氣態(tài)方程使溫度的變化轉(zhuǎn)換為壓力的變化，然后用電容式傳感器來(lái)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)放大處理后指示出被測(cè)氣體濃度。

圖2 OMA-2000 結(jié)構(gòu)

1.3 紫外吸收光譜法測(cè)量原理

紫外吸收光譜法是利用分子吸收10 nm～800 nm 光譜區(qū)的輻射來(lái)進(jìn)行分析測(cè)定的方法，其廣泛用于有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的定性和定量測(cè)定。該方法具有準(zhǔn)確度高、分析速度快、靈敏度高的特點(diǎn)。差分吸收光譜技術(shù)(DOAS:Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一種光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)，其利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來(lái)鑒別氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強(qiáng)度來(lái)推演出微量氣體的濃度。其設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，且監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)，在氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。將光源發(fā)射出的紫外光，通過(guò)光纖進(jìn)入氣體室，在穿過(guò)氣體測(cè)量室時(shí)，被被測(cè)氣體吸收后，通過(guò)光纖傳輸?shù)焦庾V儀。在光譜儀內(nèi)部經(jīng)過(guò)光柵分光，由陣列傳感器將分光后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲得被測(cè)氣體的連續(xù)吸收光譜信息。分析儀根據(jù)此光譜信息采用差分光學(xué)吸收光譜算法，得到被測(cè)氣體的濃度。圖3 則顯示了SO2、NH3、NO、NO2這四種氣體在紫外波段的吸收特征譜線［3］。

圖3 氣體吸收譜線圖

由于同種氣體在不同光譜波段有不同的吸收，不同氣體在同一光譜波段的吸收疊加作用，通過(guò)對(duì)連續(xù)光譜的分析，可以同時(shí)測(cè)量多種氣體。OMA-2000 分光光譜氣體分析儀采用全息光柵對(duì)被測(cè)氣體吸收后的光進(jìn)行分光，使用陣列檢測(cè)器將分光后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，獲得介質(zhì)的連續(xù)吸收光譜，從而實(shí)現(xiàn)了多種氣體的同時(shí)測(cè)量。

1.4 差分吸收光譜算法

OMA-2000 氣體分析儀，使用差分光學(xué)吸收光譜算法對(duì)連續(xù)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到氣體濃度。光束穿過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的被測(cè)氣體環(huán)境后，由于氣體對(duì)光的吸收作用，光能量將發(fā)生衰減。被測(cè)氣體在波長(zhǎng)λ 處對(duì)光強(qiáng)的吸收［4，5］，可用Beer-Lambert(朗伯-比爾定律)關(guān)系表述:

式中:I0(λ)為入射光在波長(zhǎng)λ 處相對(duì)強(qiáng)度;I(λ)為出射光在波長(zhǎng)λ 處相對(duì)強(qiáng)度;L 為光程;ci為第i 種氣體濃度;σi(λ)為第i 種氣體分子在波長(zhǎng)λ 處的吸收截面。

由上式可見，普通的算法根本無(wú)法區(qū)分光衰減是氣體吸收引起的還是粒子散射等非吸收引起的，而差分吸收算法是將氣體的吸收分解為兩部分:

其中σir(λ)是隨波長(zhǎng)快變化的部分，σis(λ)是隨波長(zhǎng)慢變化的部分，而粒子散射等因素導(dǎo)致的消光作用都是隨波長(zhǎng)緩慢變化的。將式(2)帶入式(1)得:

顯然，吸收中隨波長(zhǎng)快變化的部分只與氣體吸收有關(guān)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算便可得到相關(guān)氣體的濃度:

對(duì)式(4)進(jìn)行變化可求出氣體濃度:

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)氣體分別采用:高純度N2，空氣，濃度200 ppm 的NO。將它們以同樣的流速分別通入OMA-2000 氣體儀，當(dāng)通入N2且氣體分析儀顯示穩(wěn)定后，光譜強(qiáng)度曲線截圖如圖4 所示。

圖4 通入N2光譜儀截圖

當(dāng)通入空氣且氣體分析儀顯示穩(wěn)定后，光譜強(qiáng)度曲線截圖如圖5 所示。

圖5 通入空氣光譜儀截圖

當(dāng)通入NO 且氣體分析儀顯示穩(wěn)定后，光譜強(qiáng)度曲線截圖如圖6 所示。

圖6 通入NO 光譜儀截圖

N2，空氣，NO(200 ppm)分別在像素點(diǎn)100，160，300 的光譜譜強(qiáng)度，如表2 所示。

表2 被測(cè)氣體光譜強(qiáng)度

3 分析與討論

由于空氣中主要成分是N2和O2(還有少量的CO2等氣體)，其主要成分為單原子分子，對(duì)比N2和空氣的吸收特性可以得出:單原子分子對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)紫外線的吸收特性都很弱，所以紫外差分法不適合測(cè)量單原子分子氣體。200 ppm的NO 氣體為NO 和N2的混合氣體，對(duì)比N2和NO 的吸收特性可以得出，NO 氣體在100 像素點(diǎn)對(duì)光強(qiáng)吸收最強(qiáng)，也就是說(shuō)NO 氣體對(duì)100 像素點(diǎn)左右的紫外光吸收最強(qiáng)，可以利用NO 這一特性，測(cè)量NO 氣體的濃度。用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，同樣可以得出SO2氣體對(duì)300 像素點(diǎn)左右的紫外光吸收最強(qiáng)，利用紫外差分法同樣可以測(cè)量SO2氣體的濃度。

基于紫外差分法的煙氣分析儀，可以直接把從煙道的抽取的采樣氣體，簡(jiǎn)單進(jìn)行預(yù)處理就進(jìn)行測(cè)量，而基于紅外吸收光譜的氣體儀，必須還得添加一套冷凝裝置，把采樣氣體中的水蒸氣通過(guò)冷凝去除掉，因?yàn)樗麑?duì)紅外檢測(cè)有極大的影響。紅外吸收光譜法對(duì)各種物質(zhì)的光譜吸收特性都很明顯，所以它可測(cè)量的氣體種類非常有限，而紫外差分吸收光譜法，對(duì)所有具有較強(qiáng)吸收特性的氣體都可以進(jìn)行檢測(cè)，如NO2，NH3，CO 等。

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求測(cè)量的氣態(tài)污染物，主要是SO2，NOx。本文研究了NO 氣體濃度紫外差分測(cè)量方法，為氣體分子在線檢測(cè)提供了實(shí)用的方法。相比傳統(tǒng)的紅外冷凝法具有價(jià)格便宜、能同時(shí)檢測(cè)多種氣體、不需要冷凝器等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)只要有合適的光源和合適的檢測(cè)池，不僅可以對(duì)SO2，NOx進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)其它有較強(qiáng)光譜吸收特性的氣體進(jìn)行濃度檢測(cè)。未來(lái)的實(shí)踐應(yīng)用有十分廣闊的前景。

5 致謝

感謝聚光科技(杭州)股份有限公司和同煤大唐熱電廠提供的設(shè)備支持，感謝導(dǎo)師曹鳳才在論文理論上的幫助，感謝聚光科技工程師郝曉東在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的幫助。

［1］杭州聚光科技有限公司.CEMS-2000 系列煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程手冊(cè)［Z］.2008.5.

［2］鄭龍江，李鵬，秦瑞峰，等.氣體濃度檢測(cè)光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45(8):24－32.

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