基于可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放NO浓度瞬态测量

NO_x是柴油机排放的主要污染物质,它对人体和环境的危害极大,其中NO含量又占NO_x总量的90％以上,因此合理准确的检测柴油机排放物中NO的含量对NO_x含量的检测尤为关键。现有的测试方法由于采用采样分析法,不能及时反映真实情况,光学检测方法作为一种新型的测试技术,在很多领域都有应用。结合光学检测方法对稳态和瞬态过程下的NO浓度用TLAS技术开展研究,通过模拟NO浓度的变化情况,验证这种方法在柴油机上应用的可行性,选择一台中心波长为5 263 nm的带间级联激光器用于检测,为获得不同浓度的混合气体设计一套配气混合系统,用高纯度的ＮＯ作为被测气体,N₂作为背景气体,配比不同浓度的测试样气,在稳态测量时,分别配比浓度为500,1 000,2 000 ppm的样气进行试验,得到相对误差小于1%,最大绝对误差为11.5 ppm。在瞬态测量中,分别对浓度增加与减少过程进行试验,实时测量气室内的浓度变化情况,在1 ms时间分辨率的情况下可实现5.2%的最大相对误差。通过设计的系统,可以实现NO浓度的瞬态测量,能将此方法应用到柴油机上,这种方法有利于研究柴油机的排放物含量。     

基于紫外吸收的烟气中NO和NO2成分浓度的同时测量

利用高分辨率光栅单色仪测量到的不同浓度的NO和NO2混合气体综合紫外吸收光学厚度,将光学厚度中的快变离散吸收与NO浓度相关,将慢变连续吸收与NO2浓度相关,同时反演NO和NO2的摩尔浓度。研究结果表明:(1)当气体总压接近一个大气压时,NO2反映出很强的转换为N2O4的倾向,转化率R最大值约为22.5%,远大于低气压下的R值,导致NO2吸收截面主要取决于N2O4的吸收特性,表现为慢变的连续吸收特征;(2)离散吸收截面随NO分压增大产生谱线增宽现象,吸收截面在增宽区域的积分值和NO浓度的线性相关性优于吸收截面峰值。测量和反演结果表明:当NO2分压在17～100Pa范围变化时,NO2摩尔浓度反演的平均相对误差为11.7%。当NO分压在63.8～181.62Pa范围变化时,基于积分法的NO浓度反演的最大相对误差为16.9%,平均相对误差为9.6%,而基于峰值法的NO浓度反演的最大相对误差为38.2%,平均相对误差为14.4%。因此,积分法反演较峰值反演具有更好的线性度和更高的精确度。利用上述测量技术,采用相对简单的测试装备,实现了NO和NO2多种成分浓度的同时测量。     

基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究

氟化氢(HF)是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一,因此HF气体的高测量精度,快速响应,实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统;分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性,根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线;在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测;结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时,温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%,温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。通过连续检测和计算,系统在323K时HF检出限为8.7×10-5 mmol·mol-1,高于290K时的检出限6.3×10-5 mmol·mol-1(20 m光程)。尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况,但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、可靠,可以满足化工生产现场HF实时监测的需求,对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。     

CuSO_4溶液中Cu元素浓度的激光诱导击穿光谱测量研究

利用激光诱导击穿光谱技术对CuSO4溶液中的Cu元素浓度进行实验测量。利用配置的七种浓度的CuSO4溶液,采用统计探索性数据分析方法给出了Cu元素定标曲线,其拟合度系数R2大于0.98,激光诱导击穿光谱的平均相对偏差值为6.9%,Cu元素的平均最小检测限为12ppm。利用去一交互检验方法采用分析谱线CuⅠ324.75nm和CuⅠ327.40nm对应的七种溶液的平均测量相对误差分别为6.52%和5.86%。当Cu元素浓度在10ppm时实验相对误差较大,其值为10.3%,而浓度达到2 000ppm时相对误差值减小,仅为1.1%,说明LIBS技术在溶液较低元素浓度检测方面的准确度有待提高。研究结果表明激光诱导击穿光谱技术在环境水污染重金属元素检测方面具有潜在的应用前景。     

水合肼还原的氧化石墨烯吸附NO_2的实验研究

还原氧化石墨烯由于独特的原子结构,作为气体检测领域有潜力的候选者引起了研究者们的广泛兴趣.本文采用水合肼作为还原剂来制备还原氧化石墨烯,并以此作为叉指电极的气体敏感层,研究了其对NO2气体的响应特性.结果表明,水合肼还原的氧化石墨烯可以实现在室温下对浓度为1—40 ppm (1 ppm=10–6)的NO2气体的检测,具有较好的响应性和重复性,恢复率可以达到71%以上,但是灵敏度只有0.00201 ppm–1,还有较大的提升空间.此外,对浓度5 ppm的NO2的响应和恢复时间分别是319 s和776 s.水合肼还原的氧化石墨烯气体传感器的传感机制可归因于NO2分子和传感材料之间的电荷转移.还原氧化石墨烯的突出电学特性促进了电子转移过程,这使得传感器在室温下表现出优异的气体传感性能.本实验研究可为石墨烯基传感器件的应用奠定一定的基础.     

变压器油中多组分气体高精度在线检测研究

针对多组分气体测量精度低、交叉影响等问题,建立了一种高精度多气体网络式在线检测系统。系统中采用窄线宽激光器作为光源,设计了新型长光程气室,通过单一高频三角信号调制激光光谱,利用谐波检测技术和光学时分、空分复用技术相结合,实现了三种气体(CO,CH₄,C₂H₂)的同时多点高精度在线测量。实验结果表明,多气体浓度测量最大相对误差小于4%,每种气体响应时间均小于15 s。该系统多气体检测精度高、响应时间快,非常适合用于变压器绝缘油中多组分气体实时在线检测。     

基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究（英文）

氟化氢(HF)是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一,因此HF气体的高测量精度,快速响应,实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统;分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性,根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线;在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测;结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时,温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%,温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。通过连续检测和计算,系统在323K时HF检出限为8.7×10~(-5)mmol·mol~(-1),高于290K时的检出限6.3×10~(-5)mmol·mol~(-1)(20 m光程)。尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况,但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、可靠,可以满足化工生产现场HF实时监测的需求,对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。     

基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO2气体传感器

使用银纳米线作为材料制备柔性叉指电极,用还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)作为气体敏感材料制备出柔性气体传感器,并研究其对二氧化氮气体的响应特性以及柔韧性能.实验结果表明,制备的以银纳米线作为电极的r GO气体传感器可以实现室温下对浓度为5-50 ppm (1 ppm=10^–6)的NO2气体的检测,对50 ppm的NO2的响应能够达到1.19,传感器的重复性较好,恢复率能够保持在76%以上,传感器的灵敏度是0.00281 ppm^-1,对浓度为5 ppm的NO2气体的响应时间是990 s,恢复时间是1566 s.此外,传感器在0°-45°的弯曲角度下仍表现出优异的电学特性与气体传感性能,所制备的器件具有相对稳定的导电性和较好的弯曲耐受性.     

一种新型高精度甲烷浓度检测系统的研究

在气体浓度检测过程中采用特征光谱吸收法时,提高气体浓度检测精度常常需要采用高质量窄带激光器并调制其波长使其对准被测气体特征吸收峰的方法,这样大大增加了对激光器的要求及系统成本。为了在采用原有便携式、低成本固体激光器的条件下获取更高的检测精度,设计了转换窗差分吸收光学结构以及特征吸收差分比例算法。分析了特征波长位置选择的依据,给出了实现该处理算法的步骤。系统利用转换窗与吸收气室组合的方法,将非特征吸收峰位置上的光强响应通过求比值的方法约掉,从而实现了与采用窄带激光器对准特征吸收峰位置相近的检测效果。实验采用MW-IR-1650型红外激光器、SSM17-2型步进电机控制模块、C30659型红外探测器等器件,对不同浓度的甲烷气体进行测试,结果显示在200～5 000 ppm之间测量相对误差基本在2.0%以内。证明了该系统具有较高的检测精度及稳定性。     

利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究

针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究,计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术原理为基础,利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块,模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示,在模拟柴油机排放环境下,待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验,在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统,利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源,开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究,测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知,本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小,因此,其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。     

高温环境下NO气体紫外吸收截面的温变特性研究

为了研究NO气体在不同烟气排放温度下的紫外吸收特性变化规律,测量了温度在285～410 K范围内NO气体200～230 nm紫外吸收截面随温度变化规律。采用分辨率为0.2 nm三光栅单色仪、氘灯光源和特制闭式气样室。将NO气体吸收截面分解为离散吸收和连续吸收两部分。结果表明,离散吸收具有等波长间隔分布特征,间隔约为10.5 nm。随温度升高,离散吸收峰值呈现出先抑后扬的非单调变化趋势,最大相对变化率约为19.3%,峰值位置并未出现波长红移或蓝移,谱线半宽也未出现明显的变化;连续吸收截面整体上随温度升高单调增大,且这种增强趋势随波长红移逐渐减弱。利用吸收法在线测量NO浓度时不应假定NO气体吸收截面为常数,应根据对烟气温度对NO吸收截面进行实时补偿计算,能够有效提高NO气体浓度在线测量的精度。     

TDLAS测量CO2的温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量CO₂浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起气体吸收谱线的线强和线型发生变化,最终导致浓度测量存在较大误差。为了克服温度变化对浓度测量的影响,选用中心波长在1 580 nm的DFB激光器,基于直接吸收法,模拟电厂尾部烟道内的高浓度二氧化碳气体环境,研究了在常温(298 K)和变温(298~338 K、间隔10 K)不同温度工况下CO₂浓度的测量。结果显示,常温浓度测量的最大相对误差为-5.26%,最小相对误差为1.25%,相对误差均方值为3.39%,验证了TDLAS测量系统在常温下有着良好的测量精度和稳定性,但其在变温测量时浓度测量结果误差较大,其最大相对误差已经超过25%。为了修正温度变化对浓度测量结果的影响,适应工业测量的需要,在变温测量基础上利用最小二乘法拟合出测量系统在不同温度下的浓度与气体吸收的修正关系式。经过修正后,CO₂浓度测量的相对误差降到5%以下,相对误差均方值降到3.5%以下。修正结果表明,所提出的修正方法可以有效抑制温度变化对浓度测量结果的影响,显著提高了测量系统在变温环境下的测量精度和稳定性,为TDLAS系统测量CO₂浓度的现场应用提供了理论支持和技术保障。     

基于TDLAS直接检测法的柴油机NOx排放在线测试

NO_x是柴油机排放污染物中对生态环境危害最为严重的组分。随着全球环境污染问题的日益严重,柴油机NO_x排放问题受到了广泛的关注。各种排放法规相继出台,一方面对柴油机NO_x排放量提出新的要求,另一方面对测试方法也提出了更高的要求。现有测试方法多为采样分析法,采样周期较长,无法实现污染物排放的实时在线测量,柴油机污染物排放的实时在线测量不仅有利于监管,同时可为优化柴油机的燃烧过程、优化控制策略提供数据支持。光学检测技术作为一种新型的检测方法,其中的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)因其实验原理简单、响应速度快,在其他领域得到了广泛使用。为验证该方法在柴油机NO_x排放检测中的可行性,实验小组开展基于TDLAS的柴油机NO_x排放实时在线测量研究,针对NO_x的主要成分,利用调谐波长为5 262~5 265和6 138~6 142 nm的带间级联激光器(interband cascade lasers, ICL)分别作为检测NO、NO₂的探测光源,Thorlabs PDA10JT型热式探测器用来对信号光进行采集。采用直接探测方式在D4114B型柴油机上开展实验研究,并将测试结果与AVL排放分析仪进行对比,其测量偏差小于5%,另外,实验小组利用TDLAS技术的高时间分辨率,对柴油机的变工况过程进行NO_x瞬态排放测量,得到合理的NO_x排放变化结果。因此,采用TDLAS技术对研究柴油机瞬态排放特性具有重要的意义。     

NO紫外宽带吸收光谱的非线性响应及实验

紫外宽带吸收光谱(UV-BAS)作为一种气体定量检测技术,常用于检测NO等气态污染物,然而光谱仪对真实光谱的展宽作用会导致吸收率随光学厚度的变化偏离线性关系.本文针对NO吸收光谱的非线性效应进行了理论与实验研究,通过建立NO吸收率峰值非线性数据库,提供了一种基于插值多项式的NO浓度测量方法.首先理论推导出吸收率随光学厚度的非线性变化关系.通过对单谱线进行仿真分析,探究仪器展宽给非线性变化关系带来的影响;然后定量计算不同仪器展宽下γ (0, 0)谱带吸收率峰值随光学厚度的变化关系,并给出多项式模型的非线性表达式并建立系数数据库,同时对同一展宽不同NO振动谱带的非线性问题进行了比较与分析.最后,通过采用不同展宽光谱仪实验测量NO吸收光谱并对上述理论研究结果进行验证,吸收率峰值实验结果与理论计算的相对误差小于4%,与数据库插值多项式的误差小于8%,证明了理论计算的准确性与数据库的可靠性.     

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.     

中红外谐波检测背景信号漂移的修正方法

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中。波长调制光谱（WMS）的二次谐波（2f）检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一。激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一,在长期运行过程中会由于其工作温度等因素变化,引起输出激光波长漂移和2f背景信号基线变化,从而导致气体浓度反演的精确度和TDLAS-WMS在线检测系统的稳定性降低。针对上述问题,根据NO气体分子在中红外波段5.176~5.189 μm的基频吸收特性,选择峰值发射波长位于5.184 μm的分布反馈式连续波量子级联激光器（DFB-CW QCL）,分析了输出激光中心波长对应的峰值采样点位置随采样时间变化的漂移规律和2f吸收及其背景信号的漂移特性。基于上述分析,提出了以2f信号平均峰峰值替代2f信号峰值建立气体浓度反演模型以修正2f背景信号基线漂移,并结合以信噪比最优为2f背景信号波长漂移修正原则的2f背景信号漂移综合修正方法,以消除TDLAS-WMS在线检测系统长期连续检测过程中2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的不利影响。研究结果表明,2f信号平均峰峰值随配置的NO样气浓度的增加而增大,这两者呈现较好的线性关系,其拟合曲线的线性拟合度R2达到了0.999 9。在使用体积浓度为20×10-6 NO气体样品开展的连续60 min监测实验中,波长漂移修正后,反演浓度的标准偏差由波长漂移修正前的0.19×10-6下降到了0.07×10-6,反演浓度的最大相对误差由波长漂移修正前的6.30%下降到了3.85%,相对误差均方值由波长漂移修正前的24.39%下降到了9.99%。结果显示,该2f背景信号漂移综合修正方法可以有效地抑制2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的影响,显著提高了TDLAS-WMS在线检测系统连续监测的灵敏度、精确度和稳定性。     

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm~+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.     

用光学差分吸收光谱监测大气中污染气体浓度

在实验室内模拟测量了实际大气中污染气体的差分吸收光谱 (DOAS) .本文在介绍差分吸收光谱技术同时 ,分析计算了污染气体的浓度 .实验设计中被测气体为大气中的 2种主要污染气体 :工业锅炉的主要排放物SO2 和机动车尾气的主要成分NO .用氘灯作为光源测量其在紫外波段的特征吸收 ,并通过光纤束连接光栅光谱仪 ,由计算机自动采集和处理数据 .     

基于真空技术的高精度气体传感器测试系统

以真空部件为主体并结合自动化控制技术搭建了气体传感器测试系统.该系统采用静态测量模式,提高了样气配制、响应与恢复时间测量以及测试气压控制的精度.系统功能全面,可同步测量样品的光学和电学参量对目标气体体积分数、工作温度、湿度、气压、光照等变量的响应,并可开展批量样品的长期稳定性测试.     

基于双光路吸收光谱技术的气液两相爆轰燃气诊断技术研究

对爆轰燃气准确有效地检测可以为探索爆轰形成机理以及提升爆轰发动机工作效率提供数据支撑。提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术结合双光路互相关算法的气液两相爆轰燃气速度、温度和组份浓度同时在线测量方法,针对口径80mm无阀式脉冲爆轰发动机设计并搭建了双光路光学测试系统,通过50kHz高频扫描1 343nm波段H2O吸收谱线完成对爆轰燃气速度、温度及H2O气体浓度的在线诊断。测试结果表明光学测试系统可以实现对瞬态爆轰过程燃气变化特征的细致分析,单个爆轰过程持续时间为85ms,爆轰循环过程中爆轰波速度最高达到1 172m·s-1,爆轰燃气最高温度达到2 412K,爆轰燃气中H2O气体浓度维持在0~7%之间;爆轰过程中出现了短暂的速度平台与温度平台。