基于紫外差分光度法的CEMS气体检测系统开发
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摘要
差分光度法（DOAS）是利用气体分子在紫外/可见波段的特征吸收来精确测量气体浓度的光学方法，在气体污染物探测方面具有广泛的应用。对烟气中有害气体的监测也是作为环境保护的重要依据。本文采用紫外DOAS技术，对CEMS（连续烟气监测系统）进行了理论研究与技术实现。通过对DOAS原理、吸收光谱的模型、光谱数据处理等的分析，提出了基于DOAS的气体测量和计算模型。在具体的系统实现过程中，重点研究了CCD像素定位算法计算、消除烟尘和水汽影响、光谱数据的高速采集、测量结果误差的控制等问题。
本文主要研究内容与创新点：
1、本文分析了朗伯-比尔定律的理论模型和在实际测量条件下的测量模型。研究了瑞利散射和米氏（Mie）散射对于吸收光谱的影响，得到了包括瑞利散射和Mie散射对于气体分子吸收影响的测试模型。通过进一步修改测量模型的方法可以消除瑞利散射和Mie散射对气体测量的影响。
2、探索和研究全息光栅在光谱分光方面的应用。通过全息光栅可以得到精确的光谱图。同时为了使测试结果精确，对各种光学器件的原理和性能详细分析，实现了较为合理的选型。通过全息光栅模型推导，确定CCD上像素对应光谱的位置。
3、通过硬件设计、元件驱动时序及接口驱动设计，光谱采集实现了数据的高速精确采集与计算，避免采集错误与误差。
4、依据DOAS原理，研究了烟气SO2和NOx校准方法，以此提高烟气监测的准确度。通过对气体浓度数据进行校正，系统达到了实用性的要求。
5、研制了烟气排放连续监测系统，根据要求设计了系统硬件和软件。并对系统进行了测试，确定系统实际性能。
Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) is an optical method which uses thegas molecules in the UV/visible absorption band to accurately measure the gas concentration.In the detection of gaseous pollutants, the method has broad application. Monitoring of fluegases is an important basis for environmental protection. Based on UV-DOAS technology, thispaper conducted a study on the theory of the Continuous Emission Monitoring System (CEMS)and technology. Through the DOAS principle, the model of the absorption spectrum,theanalysis of spectral data processing, this paper presents the gas based DOAS measurementsand model calculations. In the system implementation process, the difficulties are mainly:algorithm of CCD pixel positioning; eliminate dust and moisture effects; high-speed spectral dataacquisition; measurement error of the control.
The main contents of this article and innovation:
1. This paper analyzes the Lambert-Beer's law of theoretical models and measurementmodels. By studying the Rayleigh scattering and Mie (Mie) scattering for the absorptionspectra,the paper won the the test model which contains Rayleigh scattering and Mie scattering. Bymodifying the measurement model, this can eliminate the Rayleigh scattering and Mie scatteringmeasurements of the gas. we can get accurate spectra through the holographic grating.
2. This paper research the application of holographic gratings in the spectral splitting.Meanwhile, for accurate of the test results, we adopted the principles of various opticaldevices and performance of detailed analysis in order to make the appropriate selection. Byderivation, we can determine the holographic grating model, the calculation to determine thespectral position of the CCD.
3. Through the hardware design, component-driven timing analysis and interface-driven design, spectrum acquisition module achieved high-speed data acquisition and accuracy,avoided errors and capture errors.
4. Based on DOAS principle, this paper presents a suitable flue gas SO2and NOxcalibration methods in order to improve the accuracy of the flue gasmonitoring. Throughcalibrating gas data, the system reached the practical requirements.
5. We designed a Continuous Emission Monitoring System. According to the demand, wedesigned the hardware and software of the system. By testing the system, we determine theactual performance of the system.
本文主要研究内容与创新点：
1、本文分析了朗伯-比尔定律的理论模型和在实际测量条件下的测量模型。研究了瑞利散射和米氏（Mie）散射对于吸收光谱的影响，得到了包括瑞利散射和Mie散射对于气体分子吸收影响的测试模型。通过进一步修改测量模型的方法可以消除瑞利散射和Mie散射对气体测量的影响。
2、探索和研究全息光栅在光谱分光方面的应用。通过全息光栅可以得到精确的光谱图。同时为了使测试结果精确，对各种光学器件的原理和性能详细分析，实现了较为合理的选型。通过全息光栅模型推导，确定CCD上像素对应光谱的位置。
3、通过硬件设计、元件驱动时序及接口驱动设计，光谱采集实现了数据的高速精确采集与计算，避免采集错误与误差。
4、依据DOAS原理，研究了烟气SO2和NOx校准方法，以此提高烟气监测的准确度。通过对气体浓度数据进行校正，系统达到了实用性的要求。
5、研制了烟气排放连续监测系统，根据要求设计了系统硬件和软件。并对系统进行了测试，确定系统实际性能。
Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) is an optical method which uses thegas molecules in the UV/visible absorption band to accurately measure the gas concentration.In the detection of gaseous pollutants, the method has broad application. Monitoring of fluegases is an important basis for environmental protection. Based on UV-DOAS technology, thispaper conducted a study on the theory of the Continuous Emission Monitoring System (CEMS)and technology. Through the DOAS principle, the model of the absorption spectrum,theanalysis of spectral data processing, this paper presents the gas based DOAS measurementsand model calculations. In the system implementation process, the difficulties are mainly:algorithm of CCD pixel positioning; eliminate dust and moisture effects; high-speed spectral dataacquisition; measurement error of the control.
The main contents of this article and innovation:
1. This paper analyzes the Lambert-Beer's law of theoretical models and measurementmodels. By studying the Rayleigh scattering and Mie (Mie) scattering for the absorptionspectra,the paper won the the test model which contains Rayleigh scattering and Mie scattering. Bymodifying the measurement model, this can eliminate the Rayleigh scattering and Mie scatteringmeasurements of the gas. we can get accurate spectra through the holographic grating.
2. This paper research the application of holographic gratings in the spectral splitting.Meanwhile, for accurate of the test results, we adopted the principles of various opticaldevices and performance of detailed analysis in order to make the appropriate selection. Byderivation, we can determine the holographic grating model, the calculation to determine thespectral position of the CCD.
3. Through the hardware design, component-driven timing analysis and interface-driven design, spectrum acquisition module achieved high-speed data acquisition and accuracy,avoided errors and capture errors.
4. Based on DOAS principle, this paper presents a suitable flue gas SO2and NOxcalibration methods in order to improve the accuracy of the flue gasmonitoring. Throughcalibrating gas data, the system reached the practical requirements.
5. We designed a Continuous Emission Monitoring System. According to the demand, wedesigned the hardware and software of the system. By testing the system, we determine theactual performance of the system.
引文
[1]周涛.烟气排放紫外差分吸收光谱实时监测方法的研究[D].天津：天津大学，2008.
[2]李树珉.烟气排放实时连续监测系统关键技术的研究[D].天津：天津大学，2009.
[3]孙永跃.机动车尾气检测仪紫外差分算法研究与软件设计[D].天津：天津理工大学，2008.
[4]国家环境保护总局. GB184852001垃圾焚烧污染控制标准[S].北京：中国标准出版社，2001.04.
[5]付敬业，蔡小舒，张玉荣等.烟气排放污染物(SO2)在线监测系统[J].计量学报，2003，24(7)：158-160.
[6]肖雪，段静波，刘文清等．烟道污染气体SO2的差分光学吸收光谱测量[J].大气与环境光学学报，2008，4(2)：121-124.
[7]汤光华，许传龙，邵理堂等．DOAS法在线测量烟气浓度实验研究[J].仪器仪表学报，2008，29：244-249.
[8]张学典，黄显，徐可欣. DOAS反演方法在环境监测系统中的研究[J].光谱学与光谱分析，2007，27(3)：2367-2370.
[9]周斌，刘文清，齐峰等.差分光学吸收光谱法测量大气污染气体的研究[J].环境科学研究，2001，14(2)：23.
[10]Platt U，Perner D. Direct measurements of atmo2spheric CH2O,HNO2,O3and SO2bydifferential ab2sorption in the near UV [J].Geophys. Res.，1980.85：7453.
[11]Plane JMC, Nien ChiaFu. Differential optical ab2sorption spectrometer for measuringatmospheric tracegases [J].Rev. Sci. Instrum，1992，60(5)：1867.
[12]臧峥宁，唐敏学，李朝明等.用于平场光谱仪的非球面全息凹面光栅设计[J].应用激光2005，12(4)：134-137.
[13]王庆有，孙学珠. CCD应用技术[D].天津：天津大学,1993.
[14]何艺桦，辛娟娟，徐开来.微型CCD光谱仪在光谱分析中的应用[J].化学研究与应用,2005，17(4)：574-576.
[15]姬先举.基于ARM的微型光谱仪信号采集与处理系统[D].重庆：重庆大学，2007.
[16]徐雪松，章兢.嵌入式linux在工业控制领域中的应用[D].长沙：湖南大学，2004.
[17]魏艳萍，管庆，杨炼. DSP最小系统设计及基本算法的实现[Z].实验科学与技术，2006，8(6)，117-119.
[18]江思敏，刘畅.TMS320系列DSP应用程序开发教程[M].北京：机械工业出版社，2005，l-2.
[19]曲学基，稳定电源使用电路选编[M].北京：电子工业出版社，2003.
[20]周洁，杨心怀.32位RISC CPU ARM芯片的应用和选型[J].电子技术应用.2002，28(8):33-36.
[21]高岩.基于ARM的嵌入式控制系统实验平台的研制[J].实验技术与管理.2007，4：73.
[22]孟雷，忽海娜. ARM-Linux嵌入式系统BootLoader的配置与移植[J].计算机技术与发展，2008，22(10)：204-206.
[23]王珠珠.嵌入式操作系统裁剪技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.
[24]王作羽.嵌入式Linux内核模块的配置与编译[J].嵌入式系统编程，2006，11(6)：70-72.
[25]孙纪坤，张小全.嵌入式Linux系统开发技术详解-基于ARM [M].北京：人民邮电出版社.2006-08：17(2)，108-113.
[26]周立功. ARM嵌入式MiniGUI初步与应用开发范例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.06.
[27]北京亚嵌教育研究中心.嵌入式GUI开发设计基于MiniGUI [M].北京：电子工业出版社，2009.05.
[28]北京飞漫技术有限公司. MINIGUI-编程指南-V2.0-4C [M].北京：北京飞漫技术有限公司2007.04.
[29]周立功. ARM嵌入式系统软件开发实例(一)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004:162.
[30]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[31]汤光华，许传龙，邵理堂等. DOAS法在线测量烟气浓度实验研究[J].仪器仪表学报，2008，29(2)：244-249.
[32]郑海明，蔡小舒.温度对二氧化硫紫外差分吸收特性影响的实验研究[J].工程热物理学报，2006，27(4):714-716.
[33]郑海明，蔡小舒，陈军.压力对SO2近紫外区吸收特性影响的实验研究[J].中国电机工程学，2006.6.
[34]周斌，刘文清，齐峰等. DOAS法测量大气污染的测量误差分析光学学报[J].2002，22(8)：957-961.
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[9]周斌，刘文清，齐峰等.差分光学吸收光谱法测量大气污染气体的研究[J].环境科学研究，2001，14(2)：23.
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