差分光学吸收光谱法在线监测烟气中SO2浓度的非线性补偿研究

差分光学吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放监测时,烟气中污染气体SO2浓度较高将产生非线性吸收问题.提出了一种非线性补偿方法,即将实际浓度所对应的气体分压与反演结果所对应的气体分压之比与反演结果之间的对应关系拟合成补偿函数,利用此补偿函数对反演结果进行非线性补偿.实验结果表明:该补偿方法能较好地减低高浓度气体非线性吸收产生的影响,可提高气体浓度反演精度.     

差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气SO2监测中的应用

本文将差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)技术中的浓度反演方法运用到烟气SO₂监测中.利用SO₂分子在300nm附近具有强吸收的特性,测量出烟气SO₂的吸收光谱,用DOAS方法反演出SO₂分子的浓度,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,在实验室内对几种SO₂分子浓度样气进行了测量和浓度反演.     

颗粒物Mie散射对差分吸收光谱技术的影响

差分吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放在线监测时,由于烟气中烟尘颗粒物含量较高,烟尘颗粒物Mie散射引起的消光对准确反演气体浓度应有一定影响,通过对1～10μm烟尘颗粒物Mie散射对DOAS影响的数值模拟和实验研究得出,烟尘颗粒物的散射光强与颗粒粒径分布、颗粒数密度有关,随着颗粒粒径和颗粒数密度增加,气体的差分吸收度随之而增加,差分吸收度曲线的频率特性发生变化,传统DOAS算法中的应用多项式滤波已无法消除颗粒物Mie散射对气体差分吸收度的影响,气体浓度的反演结果远远偏离真实值.     

CS_2气体紫外差分吸收光谱的温度特性研究

CS_2气体是一种大气恶臭污染物,也是全封闭气体绝缘组合电器故障诊断的重要特征气体。但检测环境的温度变化直接影响监测数据的准确性。研究利用CS_2在紫外波段有明显的特征吸收特性,采用连续光源以及差分吸收光谱技术对不同浓度的CS_2气体,在不同温度环境下进行监测。CS_2气体浓度的反演采用最小二乘法,并对反演结果进行最小二乘法拟合得到温度补偿公式。实验结果显示CS_2气体差分吸收强度随温度的上升呈二次曲线式减小,导致浓度误差逐渐增大,在气体浓度较低时尤为明显。将温度补偿公式用于实际浓度的测量,实验浓度的误差由补偿前的最大17%降至5%以内。     

二次傅里叶变换去噪在差分吸收光谱技术中的应用研究

实际烟气测量中,容易受烟气内多种组分和尘以及介质不均匀、瑞利散射、米散射等因素的影响,应用傅里叶变换寻求信号的频率特性,去除噪声等干扰。提出一种新的差分吸收光谱法,将获取的差分吸收光谱进行两次傅里叶变换,一次傅里叶变换去除噪声干扰的影响;二次傅里叶变换利用对应的特征频率幅值与浓度的关系,建立浓度反演方程,由气体差分吸收光谱经两次傅里叶变换后的特征幅值直接求出气体浓度。新的差分吸收光谱法完全摆脱了扣除暗电流的差分吸收光谱技术分析过程,减少了差分吸收光谱分析和气体浓度反演过程,有利于提高浓度反演精度。     

DOAS烟气测量系统的温度非线性补偿方法

基于紫外差分吸收光谱技术,针对温度对烟气浓度测量的影响,提出一种非线性补偿方法.在紫外波段200-230nm波长范围内,以SO2和NO标准气体为研究对象,从50℃到90℃间隔10℃变化测量其吸收光谱,利用多项式拟合的方法计算气体差分吸收截面,研究温度与吸收截面的定性和定量关系.实验结果显示,不同波长点的两种气体吸收截面随温度变化呈非线性关系.采用非线性补偿修正后,SO2和NO的测量误差明显减小,该方法可提高烟气测量的准确度.     

双气室气体检测系统的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用该系统对CH₄气体进行了实验研究,实验表明该系统的测量灵敏度可以达到0.2×10^-6。     

基于红外技术的气体浓度检测方法研究

依据Lambert-Beer定律,推导出检测气体浓度的数学模型,得出了测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式,表达式中的二个常数的数值取决于气室长度、气体吸收系数、探测器的电压探测率,经零点和满量程标准气样的标定,可确定这二个常数的数值,实现对仪器的标定.根据仪器零点随温度变化的关系,得到零点与温度函数表达式,用于零点温度补偿以及对零点温度补偿系数的计算;量程温度补偿方法是通过引入量程温度补偿因子,对测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式进行修正,修正后的函数表达式用于量程温度补偿,也能对量程温度补偿因子中的补偿系数进行计算.矿用红外甲烷传感器采用本文的标定方法和温度补偿方法,在不同的环境温度下,对标准气样进行检测,其检测结果符合红外甲烷传感器标准所规定的基本误差.     

激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

傅里叶变换在差分吸收光谱技术气体浓度计算中的应用

在实际测量得到的气体吸收光谱中,发现大多数气体的吸收光谱具有明显的周期性,而傅里叶变换正是用来寻求信号的频率特征。在加窗的条件下,通过对不同气体的吸收光谱进行傅里叶变换,来寻求光谱信号对应的特征频率。在数据分析过程中,发现这样一个规律：在气体吸收光谱经傅里叶变换后的频谱图中,其对应特征频率的幅值与所测的气体浓度成明显的线性对应关系。因此,提出一种新的差分吸收光谱浓度解析方法,即利用气体吸收光谱傅里叶变换后其对应特征频率的幅值与浓度的关系,建立一种浓度反演计算的线性关系式,从而由气体吸收光谱傅里叶变换后特征频率的幅值直接求出气体的浓度。该方法完全摆脱了差分吸收光谱技术的理论基础,大大减少了光谱分析和气体浓度反演计算的过程,是一种值得进一步去探究的光谱分析方法。     

差分吸收光谱法同时测量SO_2,NO_2及颗粒物浓度的模拟

雾霾天气已经影响到了人们的日常生活,对雾霾成分进行测量非常重要,雾霾的主要构成成分为SO_2和NO_2及颗粒物。目前对气体及颗粒物浓度进行同时测量的研究还很少,用差分吸收光谱法(DOAS)对同时测量气体及颗粒污染物浓度进行了探索性研究。通过对多组不同配比的SO_2,NO_2及颗粒物组成成分的吸收光谱进行了模拟,由DOAS方法反演了各组分的浓度。模拟单一组分时,气体浓度从100变化至1 000ppm,SO_2浓度反演误差不大于0.17%,NO_2误差不大于0.64%,颗粒尺寸从100变化至500nm,浓度反演误差不大于2.08%。模拟气体多组分时,SO_2浓度与NO_2浓度比在1∶10到5∶1的范围内时,误差均较小,SO_2误差不超过8%,NO_2误差不超过5%,然SO_2与NO_2浓度之比大于10,NO_2的反演误差高于10%。模拟同时测量SO_2,NO_2及颗粒物浓度时,气体浓度的反演误差均在10%以内,而颗粒物浓度的反演误差对系统的信噪比依赖较大,当信噪比在40dB以上时,误差在10%以内,而信噪比低于30dB时,误差高于20%。通过上述研究结果表明,差分吸收光谱法能很好地同时测量多种气体及颗粒物浓度,用来测量分析雾霾成分。然测量环境气体吸收差异过大时,强吸收气体对弱吸收气体影响很大,信噪比较低时,颗粒浓度反演的误差也大为增加,需要更好的滤波及去噪方法。     

基于统计量的差分吸收光谱烟气SO2浓度反算方法

提出了一种基于统计量的差分吸收光谱SO2浓度反算方法,利用差分吸收度标准差的大小表征SO2浓度的高低.使用主元素分析(principle component analysis,PCA)方法对差分吸收光谱进行处理,将处理结果、信号相关度与标准差结合为综合统计量,用于反算SO2的浓度.该方法应用于光程为0.3 m的烟气浓度...     

混合气体红外光谱支持向量机分析的新方法

介绍了一种基于支持向量机的混合气体红外光谱组分浓度和种类分析的新方法。利用核函数将组分气体特征吸收谱线重叠严重的混合气体光谱在高维空间变换后,建立SVM回归校正模型,进行混合气体浓度分析。在利用支持向量机回归校正模型进行混合气体组分浓度分析的同时,证明支持向量机回归校正模型也可用于混合气体组分种类分析。对不同组分和不同组分浓度的混合气体红外光谱数据进行了实验,研究了谱仪扫描间隔、分析特征波长范围、核函数和惩罚因子等因素对分析结果的影响。混合气体组分浓度实验结果的最大平均绝对误差Mean AE为0.132%;混合气体组分种类识别的准确率大于94%。解决了传统的光谱分析方法中光谱特征谱线重叠、光谱数据的维数大、定性和定量分析无法使用同一方法等问题,可用于其他混合气体的红外光谱分析,具有实际应用价值。     

基于标准样品回归算法和腔增强光谱的NO2检测方法

腔增强吸收光谱技术作为一种高灵敏的痕量气体测量技术,其吸收光谱的浓度反演是极其关键的环节.为消除因吸收截面和仪器响应函数的不确定性引入的测量误差,本文提出了一种基于标准样品吸收光谱的浓度回归算法,该方法在浓度反演过程上进行优化,采用标准气体样品吸收光谱直接拟合未知浓度气体吸收光谱.采用中心波长在440 nm处的蓝色发光二极管(LED)作为光源,建立了一套非相干光腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统,实测腔镜反射率为99.915%,利用NO₂气体的实测吸收光谱对该算法的有效性进行了验证.与常规吸收截面回归算法比较,结果表明本文提出的标准样品回归算法具有显著的优越性,测量精度提升约4倍.利用改进的算法结合标准样品配制的多个NO₂气体对实验系统性能进行了深入评估,测量结果与理论值具有很好的一致性.Allan方差分析显示在积分时间为360 s的情况下,NO₂检测限可达到5.3 ppb(1 ppb=10^–9).     

结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快，大气污染监控已受到广泛关注，为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统，并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法，通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正，提高吸光度信号的准确性，再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中，获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明，在500 K温度下，不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%，通过参数判断后再进行光谱提取和修正，得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度，实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。     

基于SVM的混合气体红外光谱分析关键技术研究

为了解决海量混合气体光谱数据样本无法获取、混合气体组分气体特征吸收谱线重叠、混合气体组分浓度分布的随意性等问题,将支持向量机用于混合气体红外光谱分析中.提出了光谱数据样本特征选择、数据预处理、SVM校正模型参量优化及层次式混合气体光谱分析结构等关键技术.实验分析了上述4项关键技术对分析结果的影响.实验结果显示,采用关键技术的混合气体组分浓度分析的最大绝对误差为2.93%,最大平均绝对误差为0.73%.     

3 016.49 cm-1波数下变气压、温度的甲烷吸收系数计算研究

红外甲烷传感器根据朗伯-比尔定律对甲烷的浓度进行检测,而吸收系数是朗伯-比尔定律中的重要参数,其受温度和压强的影响变化较大,其变化会导致浓度测量的误差,因而研究不同温度、气压下甲烷吸收系数的变化规律对设计高精度的红外甲烷传感器有重要意义。文献报道中,一般采用获得测量甲烷浓度受环境影响的实验数据,再加以数学处理的方法,对测量误差进行补偿和修正。该工作以分子光谱分析理论为基础,以3 016.49 cm-1波数的甲烷为研究对象,利用HITRAN数据库的甲烷数据,设计了Python程序调用HAPI函数,拟合计算出甲烷吸收系数随温度、气压的变化规律,并通过傅里叶红外光谱对甲烷吸收系数的变化规律进行实验验证。结果表明,在3 016.49 cm-1处,水分子（湿度的影响）对于甲烷吸收系数的影响很小,可以忽略不计;温度和气压对吸收系数有一定的影响,当气压为1.0 atm,温度在-10～50 ℃范围内升高时,甲烷吸收系数减小,吸收系数与温度的关系呈线性关系;当温度为273.15 K时,气压在0.6～1.2 atm升高时,甲烷收系数增加,吸收系数与气压关系呈线性关系。最后拟合出的吸收系数与温度、气压的公式,k(T, p)=53.65(±3.24)-0.114 6(±0.010 7)T+21.07(±0.95)p。实验中甲烷标准气体的浓度分别为1.01%,2.00%,3.51%和5.06%,通入直径为2.5 cm,长度为8 cm的短光程石英气体池中,通过改变气体的气压及温度,从傅里叶红外光谱仪获得甲烷的吸光度,由于受实验仪器分辨率的影响,如直接通过吸光度反演甲烷浓度其误差较大,采用吸收系数与吸光度的比值来判断吸收系数拟合的正确性。结果表明,浓度为定值,气压与温度变化时,吸收系数与吸光度之比基本为定值,从而证明了计算拟合出的甲烷吸收系数随温度压强变化的正确性。     

一种基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法

针对变压器油中溶解气体傅里叶红外光谱在线分析应用中,气室与光谱仪之间气隙中气体的带来的干扰,以及基线漂移与畸变问题,提出一种基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法。在传统单气室测量的基础上,增加一个与测量气室的结构、尺寸等参数基本相同的背景气室,背景气室充满氮气,而测量气室通入待测样气,通过工控机实现双气室的切换控制。但是,采用常规的吸光度计算公式处理的光谱在波数1 100～1 200 cm-1范围存在不明吸收峰,且存在严重的基线漂移现象,说明该计算方法已不适用于双气室切换。因此,为了消除双气室间参数无法一致的不利影响,特别是窗片的滤光特性的差异,提出了一种适用于双气室的新型气体吸收吸光度光谱计算方法;实验发现漂移量由近0.3降为0.005左右,证明其可以消除不明吸收峰和基线漂移。最后,于陕西某变电站的变压器中,取得油样,经脱气处理后,获得相应的气体样本,分别采用常规单气室扫描方法（组别1）,提出的双气室补偿方法（组别2）,以及气相色谱法（组别3）进行实验。结果表明,组别1的甲烷的浓度分析结果总是大于组别2。同时,组别1的二氧化碳浓度总是大于组别2的二氧化碳浓度,而造成这样分析结果的明显差异极可能是由于光谱仪与气室间气隙中空气的影响;且从总体上看,相比于组别1,组别2的分析结果更接近于气相色谱法的分析结果。综上所述,所提出的基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法可以有效的解决光谱基线漂移与畸变问题,获得较为理想的光谱,在气体分析上可以消除气室与光谱仪的间隙干扰气的影响,获得更为准确地分析结果。     

基于RBF神经网络气压补偿的非色散红外SF6气体传感器

非色散红外SF₆气体传感器具有测量范围广、灵敏度高、抗干扰能力强等优点,在电力系统中具有广泛的应用。在实际检测过程中,环境气压的变化对气体传感器的检测精度有较大的影响,提出利用RBF神经网络建立气体传感器气压补偿模型,运用其泛化和非线性映射能力对环境气压波动引起的测量误差进行补偿。实验结果表明:采用气压补偿模型后的气体传感器在气体浓度3 260 mg/m3~9 781 mg/m3,气压100 kPa~120 kPa范围内,最大测量误差由±646 mg/m3降为±52 mg/m3,测量精度为±0.53%FS。该方法相比于拟合法和硬件电路补偿法具有更高的测量精度和稳定性,降低了传感器的体积和成本。     

基于光腔环路衰荡光谱技术气体浓度测量的研究

为了实现痕量气体在线测量与分析,设计了光纤环路光腔衰荡多组分气体浓度在线测量系统;基于非线性光腔衰荡技术,利用所设计的系统对气体浓度在线测量并进行了实验分析;得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律和1 ppb的分辨率.实验表明该方法对痕量气体的在线测量是有效的.