基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究

乙炔作为有机化工产品原料,广泛应用于化学工业中,但易燃易爆,在储存和工业生产中有必要对其进行实时在线监测.可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术具有高选择性、高灵敏、快速响应等特点,在痕量气体检测中得到了广泛的应用.文章研究了乙炔气体在近红外波段的吸收线分布特征,详细地讨论了基于近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术的乙炔在线监测系统设计方案;建立了实验测量系统,研究了信号检测方法和浓度反演算法,对长度10 cm的样品池和已知标准浓度乙炔气体配制的不同浓度乙炔气体进行检测,检测限可以达到1.46 cm3·m-3;进行了动态检测实验,测量结果具有较好的稳定性和可靠性.分析表明系统设计方案可行,由此发展的乙炔在线监测系统可用于乙炔储存、运输和使用过程中泄漏报警.     

基于红外掩日通量法(SOF)污染源排放气体浓度时空分布反演算法研究

介绍了在傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术基础上发展起来的一种监测污染源有害气体排放率的新方法——红外掩日通量(solar occultation flux,SOF)法.在理论上建立了太阳辐射两层传输模型,根据比尔定律阐述了计算污染物透过率的方法.详细介绍了如何从HITRAN,NIST和QAsoft三种红外数据库中提取气体标准吸收截面.介绍了基于Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法反演污染气体柱浓度的算法和污染源气体排放率计算算法.介绍了整套装置的组成部分和太阳跟踪装置的结构.对合肥某一化肥厂的氨气排放进行了测量,从实验结果可以看出,测量的柱浓度分布准确地反应了污染物排放和扩散情况,证明了污染源排放气体浓度时空分布反演算法的正确性.     

基于GPRS的下水道气体远程监测系统设计

为了提高城市下水道气体监测的实时性和可靠性,本文设计了基于GPRS的下水道气体远程监测系统。该系统主要包括前端气体采集模块、GPRS数据无线传输模块、数据接收模块及监控中心;气体采集模块由气体传感器和数据采集单片机组成;单片机实时采集气体传感器中的数据,并将采集到的数据通过GPRS无线传输模块进行实时上传;数据接收模块把接收到的数据传送至监控中心服务器,由服务器对数据进行处理、显示、存储和统计等。通过对18个监测点的监测实验效果表明,该系统运行稳定可靠,能实现对下水道气体远程采集、无线传输和实时监测的目的。     

光谱技术在大气污染物浓度测量中的应用

正随着科技的进步,大气污染问题日益突出。人类活动使得大气中氮氧化物、硫氧化物和挥发性有机物等有害气体的浓度大幅增加。这些有害气体对我国大范围雾霾污染的形成起到了不可忽视的作用。为了积极防控大气污染,需要环境监测系统的支撑,通过对大气环境中有害物质浓度的监测,来制定有效的应对策略。近来,方兴未艾的光谱技术为浓度的测量提供了独有的非接触性探测方法,其中尤以吸收光谱、激光诱导荧光、激光感生击穿光谱和差分光学吸收光谱等     

大气污染物垂直廓线扫描差分吸收光谱方法研究

差分光学吸收光谱法(DOAS)已经成为测量大气痕量气体含量的常用方法,该方法灵敏度高,可同时监测多种大气痕量气体.提出了应用差分吸收光谱方法监测大气痕量气体垂直分布,结合放置数套角反射器的近地层高塔,研制出扫描长光程差分吸收光谱(扫描LP-DOAS)系统.应用此系统于2007年夏季对北京城市重要大气污染物NO2的垂直分布进行了外场监测,准确获得了NO2沿各光路的积分浓度,确定了系统在各光路的检测限和系统总的测量误差.基于垂直廓线模型,成功反演了NO2的垂直廓线和垂直梯度.研究结果表明扫描LP-DOAS技术监测城市大气近地层痕量气体垂直分布的可行性.     

污染气体扫描成像红外被动遥测技术研究

傅里叶变换红外光谱技术可实现大气中污染气体的远程被动遥测。而污染气团的位置和分布,对于有害气体泄露情况下泄露位置勘查和污染扩散态势的评估来说是至关重要的。据此设计了一套红外被动成像遥测系统,系统由傅里叶变换光谱仪、数据采集处理软件、扫描系统、可见光成像系统和计算机组成。以六氟化硫为示踪气体,开展了遥测验证实验。通过非线性最小二乘算法结合辐射传输计算反演获得了目标气体的柱浓度,并用伪彩色图显示其分布情况,最后以可见光图像叠加伪彩色柱浓度分布图的形式显示结果。实验分析表明,该系统具有高探测灵敏度,并以可视化和定量的方式显示污染的空间分布情况。     

基于虚拟仪器的智能电子鼻系统的设计

智能电子鼻对于有害气体和可燃性气体的检测具有重要意义;以NI公司Labview9.0为测试平台,利用PCI-1710HG数据采集卡、传感器阵列设计构成智能电子鼻系统;采用测量室和气体流量计精密控制气体密度和状态;虚拟仪器开发平台用于实时监测和显示采集得到的曲线和数据,并通过遗传算法改进后的BP神经网络进行分析,得到不同气体的浓度;最后使用不同阻值的精密电阻替代传感器对系统进行测试,结果表明系统对多种气体检测都具有高精度和高稳定性,能够进行高效智能化检测。     

袖珍式红外瓦斯检测仪的设计与实验

在满足气体检测要求的前提下,为了能够使气体检测仪器的小型化以及低功耗,设计了袖珍式红外瓦斯检测仪.以集光源、光路、红外探测器于一体的红外传感模块为核心,修正了传统的气体吸收理论,采用差分式气体吸收技术设计出一种具有低成本、低功耗、低检测下限、高信噪比的袖珍式非线性甲烷检测仪.集成后的仪器采用干电池单电源供电,工作时总电流在150mA以内、总功耗小于0.9 W,检测仪的电路增益为43.3dB.实验中进行了单、双通道气体检测实验,采用新配气方法在甲烷爆炸限内进行双通道气体检测实验,得到低检测下限和高灵敏度测试实验,最低检测下限都能够达50ppm.与传统的壁挂式检测仪器相比,该仪器以手持式的形式完全可以满足检测有害气体的需求.     

车载被动差分吸收光谱在城市道路空气污染监测中的应用

初步探索了一种基于自然光源的移动式车载被动差分光学吸收光谱仪测量系统,并在对合肥市区道路空气污染监测的实验中得到成功应用.该系统采用天顶散射光-被动差分吸收光谱(DOAS)技术对道路上方空气污染进行采样分析,同时结合GPS接收机采集实时经纬度坐标.通过时间信息对两者进行关联,利用GPS接收机定位坐标,并结合合肥市交通地图,依据光谱反演污染气体NO2的柱密度结果绘制整个城市道路上方污染气体浓度图.实验监测路段的NO2垂直柱密度与背景点(解放军电子工程学院校园)监测值之差为6.4×1014 molecule/cm2～1.96×1016 molecule/cm2,由于受到车辆类型、车流量等因素的影响,监测路段总体呈现东北方向平均浓度高于西南方向.     

FTIR监测北京地区CO2和CH4及其变化分析

近几十年来,温室效应导致地表温度明显上升,其所引起的全球气候变迁问题越来越受到人们的关注.CO2和CH4是大气中主要的两种人为温室气体,对它们进行连续的测量,获取它们长时间变化情况对大气环境科学具有重要的意义.目前国内监测这两种气体的主要手段是气相色谱方法.鉴于傅里叶变换红外光谱技术的优点,使用开放式长光程FTIR系统在北京地区对这两种气体进行了监测.该系统直接测量开放光路中的环境气体的大气吸收光谱,并使用非线性最小二乘方法进行光谱分析,获取待测组分的浓度信息.在实验部分给出了2005年9月4日到2005年9月10日6天中的北京地区CO2及CH4的测量结果,并对两者的变化趋势和相关性进行了分析.     

缩比地下化学爆炸气体泄漏规律研究

针对气体通过均匀多孔介质、非均匀多孔介质和贯通裂缝泄漏三种机制,研究地下爆炸缩比实验气体泄漏时间和份额的规律.结果显示,对于相同介质中的缩比化学爆炸实验,气体泄漏时间与药量的三分之二次方成正比,不同药量实验的最终泄漏份额基本一致.实验室缩比化学爆炸实验气体泄漏时间关系的监测结果与理论分析基本一致.     

光纤收发的空气差分吸收光谱测量方法研究

环境污染气体监测是防治大气污染的前提条件。污染气体的监测方法中,光谱分析方法具有原理和结构简单、响应速度快、精度高等优点。差分吸收光谱法利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量,是环境气体监测领域的典型光谱分析方法。根据差分吸收光谱的测量原理,提出光纤收发一体测量结构,将该结构应用于空气质量监测中。氙灯光源经耦合透镜耦合后进入入射光纤,经望远镜系统准直后出射,经过被测气体之后,由位于被测气体另一端的角锥棱镜反射后沿原路返回,再次经过望远系统汇聚,携带被测气体的信息经出射光纤传入光谱仪。根据该方法研制了样机,采用SO₂,NO₂标准气体对样机进行标定,并应用样机对大气中的污染气体进行现场监测。实验结果表明,该方法能够满足空气质量监测要求。     

基于6LoWPAN技术的气体环境监控系统

针对日趋严重的大气污染问题,提出了一种基于6LoWPAN技术的大气环境监测方案。通过IPv6通信协议组建的6LoWPAN星型网络,能够实现大规模传感控制网络,解决了IPv4 地址枯竭、各厂商协议不统一等问题。各个PAN采集到的数据通过路由器发送给监控终端,使用Labview为开发平台进行数据汇总后实现对环境中有害气体的实时监控,并通过以太网进行数据共享。实验结果表明,该系统数据采集准确无误,并对环境污染起到了预防作用,可保证社会的可持续发展。     

多通道扫描型红外光纤气体测量系统研究

提出了一种将声光可调滤光器技术应用于气体浓度测量的红外光谱系统。该系统以氙灯作为光源,TeO2晶体作为声光介质的色散元件,InGaAs光电二极管阵列作为多通道检测器,利用光纤探测和传输光信号,由计算机处理数据和显示结果。通过声光调制将宽带光变为单色光,通过超声射频的变化实现光谱扫描,可对不同气体进行快速测量,无机械调谐机构,结构简单。通过对甲烷气体的实验表明,该系统的有效光谱测量范围为900~1900nm,光谱分辨率为60nm,可用于对有害气体的在线检测。     

基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究

中红外为分子的基频吸收波段,可被用于痕量气体的高灵敏度检测。介绍了基于中红外室温连续量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制技术(WMS)的光谱检测方法,研究了消除气体间交叉干扰的方法,并进行了相关的验证实验。利用中心波长在1274cm-1波段附近的量子级联激光器搭建了一套开放光路温室气体探测实验系统,进行101m开放式测量实验,实现了对大气中CH4、N2O的同步在线测量,检测限分别为3.87×10-9和1.28×10-9,验证了实验系统和实验方法的可行性,为实现区域高灵敏温室气体监测奠定了基础。     

以CCD为探测器的长程差分吸收光谱系统

介绍了采用科研级面阵CCD作为探测器的长光程差分吸收光谱系统,对该系统所使用的CCD探测器的偏置、暗电流、噪音、线性响应以及光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了详细的测试,并将北京外场实验DOAS系统测量SO2、NO2的结果与传统点式仪器的测量结果进行了比较.结果显示,两种方法有着很好的一致性.性能测试和对比结果表明该系统的性能较为优越,满足多种痕量气体的同时、长期监测.给出了应用该系统进行外场观测SO2、NO2和HONO的变化趋势,确定出相应光程下不同痕量气体的最低检测限.     

近地面层热通量和气体通量光学监测新方法研究

监测地气间动量、热量和痕量气体等的交换对水文、气象和生态环境等有着重要的意义。阐述了一种利用自行研制的大口径闪烁仪(LAS)、光学温度梯度仪和基于可调谐二极管激光吸收光谱术(TDLAS)的开放光路痕量气体监测系统,实现了较大区域热通量和二氧化碳等气体通量快速监测的方法。实验结果表明,所测数据与涡动相关(EC)仪的数据比较,显热通量的相关系数为0.91,二氧化碳通量的相关系数为0.74。由此,用大口径闪烁仪监测区域热通量和基于TDLAS光学技术连续可靠监测陆地区域碳通量是完全有可能的,这种方法在大区域热通量和气体通量监测将会有很好的应用前景。     

超稳定TO-8型压力传感器在气体导热系数测定实验中的应用

介绍了TO-8型压力传感器的性能及电源电路.以气体导热系数测定实验为例,用TO-8型压力传感器制成的测压装置代替旋转式麦氏真空计,利用可调针孔式放气阀对真空气压进行连续调节,实现了对测试系统真空度的实时监测.     

基于PID-A1传感关联模型的冶金有毒气体监控系统

针对冶金生产环境中的有害气体监控系统实时性和准确性不强的问题;设计并实现了基于光离子传感器PID-A1关联模型的冶金有毒气体监控系统;硬件部分设计了光离子传感器PID-A1的气体检测电路、数据处理P89V51RD2FN芯片的主控电路等,软件设计包括软件工作流程、光离子传感器PID-A1关联性的程序实现等;仿真实验结果表明:文章系统保持平稳下降趋势,最终在检测准确率86%附近达到稳定,平均检测准确率比传统系统提高54%左右,冶金生产环境得到明显改善。     

基于气体吸收理论的激光光谱气体在线监测技术研究

气体对激光能量的吸收是一种比较普遍的吸收现象,本文利用可调谐半导体激光吸收光谱技术,依据大学物理光学部分的比尔-朗伯尔定律为依据,通过气体吸收实验验证了气体的基本吸收理论,获得了760.77nm吸收波长处不同氧气浓度情况下的基本吸收谱线幅值,得出了气体浓度越高,对光的吸收也越强的结论.并进一步对实验数据进行曲线拟合,使学生深入理解曲线拟合方法在气体浓度监测方面的应用.通过本实验可以增加学生的视野和对新技术的了解,以及对气体吸收理论的进一步理解.