背景

近年來,在繁榮經濟的背后所凸現出來的環境問題越來越受到世人的關注。目前，中國面臨著水污染、大氣污染和固體廢物污染三大主要污染威脅。

?

?

?

大氣污染空前嚴重，引起社會各界廣泛重視，相關政策也紛紛出臺。作為污染大戶，自然受到國家環保政策的格外關注——2014年9月12日，國家發改委、國家環保部、國家能源局聯合發文“關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知”。

通知中要求，穩步推進東部地區現役30萬千瓦及以上公用燃煤發電機組和有條件的30萬千瓦以下公用燃煤發電機組，實施大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值的環保改造。燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米。

?

?

氣體檢測

大氣質量自動監測系統——DOAS系統原理及應用介紹

?

什么是DOAS

差分光學吸收光譜技術，簡稱DOAS技術(Differential Optical Absorption Spectroscopy) ），在20世紀70年代由PLATT等人提出。

該方法是利用光線在大氣中傳輸時，大氣中各種氣體分子在不同的波段對其有不同的差分吸收的特性，來反演這些微量氣體在大氣中的濃度。到20世紀80年代末，? DOAS技術已經作為一種空氣監測系統在歐盟范圍內得到了廣泛的認可，目前主要應用在SO_x和NO_x的檢測上，典型測試方法和典型DOAS吸收光譜如下：

（另外新國標GB/T37186-2018 二氧化硫和氮氧化物的測定紫外差分吸收光譜分析法 的頒布，也將推進DOAS技術在氣體監測領域的應用）

?

?

?

?

?

為什么選擇差分光學吸收光譜技術（DOAS）？

現有的污染氣體監測方法，主要包括化學法和光學法。其中，傳統的實驗室監測方法存在一定局限性，而光學方法（光譜學測量）卻可以滿足在線監測的要求。

相較于傳統方法，DOAS的優勢如下：

• 監測范圍廣，所測得的氣體濃度是沿幾百米到幾公里長的光路上的氣體濃度均值，可以消除某些污染排放源對測量的干擾,所以測量結果更具有代表性。
• 非接觸性測量，可以避免一些誤差源的影響，比如檢測對象的化學變化、采樣器壁的吸附損失等。這一特性使得它特別適合于測量一些性質比較活潑的氣體分子和離子的質量濃度。
• 測量周期短、響應快，并且儀器可實現紫外到可見光譜區的掃描，從而可用一臺儀器實時檢測多種不同氣體的質量濃度。
• 采用光學儀器比較穩定，維護量小，運行費用低。此外，差分吸收光譜技術可對光譜反演算法中剩余的光譜成分進行分析，在揭示空氣中尚未發現的成分方面有很大的潛力。

另外，與傳統紅外方法（同為光譜測量方法）相比，DOAS也具備很明顯的優勢：

?

?

?

DOAS系統基本裝置

DOAS整套儀器主要包括:光源、發射和接收系統、角反射鏡（發射和接收系統如不在同一側，不需角反射鏡）、光纜、單色儀、光譜儀和計算機等，典型DOAS設備結構圖如下：

?

?

?

可以看出，光譜儀作為核心檢測設備，在DOAS系統中扮演著非常重要的作用。光譜儀與其他結構件之間的協同工作效率，以及產品自身的性能指標對最終輸出的光譜結果有著很大程度的影響。

美國海洋光學可提供針對不同測量需求的各類微型光纖光譜儀。小巧的體積，豐富的通訊接口以及成熟的開發套件非常適合用于DOAS系統的集成。我們擁有業內唯一一家使用自動化生產線裝配的光譜儀，這保證了足夠小的臺間差以及產品的持久耐用程度，再搭配抗紫外衰老光纖，足以確保系統長久運行。

當前中國大氣污染狀況十分嚴重，主要表現為煤煙型污染：城市大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標，二氧化硫污染一直在較高水平機動車尾氣污染物排放總量迅速增加氮氧化物污染呈加重趨勢。而且，目前我國仍將處于工業化和城鎮化同步加速發展的階段，機動車數量快速增長，同時造成的空氣污染也日益嚴重、防治尾氣污染已是大氣環境治理的重中之重，如何實現更加快速、準確、便捷的監測也是我們的主要課題。

?

?

汽車尾氣監測

汽車尾氣危害

汽車尾氣污染是由汽車排放的廢氣造成的環境污染。研究表明，汽車尾氣的成分非常復雜，有100種以上，主要污染物為一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、二氧化硫、含鉛化合物、苯并芘及固體顆粒物等。

汽車排放的二氧化碳(CO2)、硫化物SOx(SO和SO2)、氮氧化物NOx(NO和NO2)、氟氯烴等成分使溫室效應、臭氧層破壞和酸雨等大氣環境問題變得更為嚴重；汽車排出的CO、NOx、SOx、未燃碳氫化合物HC、顆粒物PM和臭味氣體等污染空氣，對人類和動、植物危害甚大：一氧化碳會阻礙人體的血液吸收和氧氣輸送，影響人體造血機能，隨時可能誘發心絞痛、冠心病等疾??；氮氧化合物毒性更強，它能損壞人的眼睛和肺，還會形成光化學煙霧，即產生酸雨的主要物質，可使植物由綠色變為褐色直至大面積死亡。

?

??

?

隨著我國城市汽車保有量的激增和交通堵塞情況的日益嚴重，機動車尾氣早已是城市空氣污染的元兇。據美國環境保護署的調查研究發現, 大約 60% 的CO , 44% HC 和 31% 的 NO_x大氣污染來自機動車，汽車尾氣排放量占城市大氣污染源的85%左右，尾氣污染問題嚴峻，監測治理刻不容緩。

?

主要監測方法

DOAS和TDLAS聯用，同時對汽車尾氣中NOx、SOx及COx、未燃碳氫化合物HC等進行實時監控。（參考文獻：董鳳忠, 劉文清, 劉建國, et al. 機動車尾氣的道邊在線實時監測(上)[J]. 測試技術學報, 2005, 19(2):119-127.）

?

?

測量時將系統放置在道路一邊，將反射裝置放置在道路的另一邊。

由于氣體分子對特殊波段的光具有強吸收的特性, 我們采用氘燈作為紫外光源。測量時，NO、HC等有害氣體在200 nm～250 nm波段有強吸收帶, 而水分子和其它氣體則是幾乎沒有吸收。

?

TDLAS氣體分析的技術原理

TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是可調諧激光二極管吸收光譜技術的簡稱。

TDLAS屬于吸收光譜技術的一種，與以往的吸收光譜技術不同的是，它作為光源的可調諧激光二極管的線寬非常窄，遠小于被測氣體的譜線寬度和傳統紅外光源的線寬，使得被測氣體可以完全不受其他背景氣體的干擾，有效避免了多種氣體交叉干擾所帶來的檢測誤差。這種優秀的單模特性，使激光的調制頻率能達到GHz數量級，而且發射的激光可在極窄波長范圍內進行調諧。

TDLAS技術主要通過光被氣體分子吸收形成的吸收光譜來對被測氣體的濃度進行測量?？烧{諧二極管激光光源發出一定波長的激光，通過裝有一定濃度待測氣體的吸收池，被測氣體受激吸收，使激光束的光強發生衰減。這種衰減包含了被測氣體的濃度信息，測量的理論基礎是朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law)。

?

?

解決方案

集成系統

針對客戶不同的應用環境及需求，系統集成商使用海洋光學的微型光纖光譜儀作為檢測核心，制造出了不同的分析系統：

?

?

CEMS（Continuous Emission Monitoring System）煙氣連續排放監測系統，能夠對大氣污染物進行實時監控，并將測試數據實時傳輸到環境主管部門。

便攜式（Portable）紫外煙氣綜合分析系統，體積小巧，即拿即走，非常適合檢測單位攜帶至現場實時檢測。

微型光纖光譜儀作為這些系統中的一部分，可連續監測煙氣中SO2、NO_X及其他污染物參數。

?

海洋光譜儀推薦

?

?

?

海洋光譜儀優勢

?

“去偽存真”

?

?

海洋光學一直秉持著創始者的理念，還原給客戶最原始最準確的光譜信息。

上圖中黃色強度為海洋光譜儀，灰色為雙倍積分時間下的強度；而某廠家使用光譜預算法的技倆，讓雙方設備在相同配置、相同積分時間條件下，獲得的光譜強度與海洋的光譜2倍強度一致，同時導致了客戶在進行光譜后期運算時，遇到的計算不準確的問題。

?

“去蕪存精”

?

?

某廠家使用滑動平均的光譜預處理方法，讓氣體吸收的光譜數據看上去更好看。而客戶不知其中利弊，在進行算法開發后發現測試結果不準確時，很難找出問題的關鍵點?？赡芤恢奔杏谶M行光路方面的問題排查，而難以想到是光譜核心的問題。

?

“量力而行”

?

?

由于光譜儀結構的原因，大部分廠商的生產能力和交付速度都比較低。而海洋光學的自動裝配和校準系統，能夠確保在客戶規定的交貨周期內完成所有量產設備的生廠和校準，輕松消除客戶對于可能無法按期交貨的顧慮。

?

“量體裁衣”

?

?

我們會根據客戶的特殊使用環境和需求，對光譜核心進行定制和升級，比如固件修改：部分客戶使用串口來連接光譜儀，但是因為受光譜儀最大波特率的限制，在讀取一幀數據時需要耗費很多時間。如果只返回這幾段光譜數據，可以大大節省返回數據的時間，但絕大多數應用，只關心某幾段波長范圍的數據。因此我們根據客戶的要求定制了自定義多段數據返回的固件，使用戶可以根據自己的需要去自由定義多達10個波段的光譜數據。

再比如16/32 bit checksum: 工業客戶的使用現場存在很強的干擾，所以在使用串口和光譜儀通訊時，通訊數據經常被干擾，具體體現為圖譜上會出現奇異點。為了應對這種情況，為客戶在光譜儀固件中添加和校驗的功能（在沒有使用A-Scan功能時，在通訊數據后添加16bit的checksum , 或者添加32bit的checksum），可以實現在確保數據的準確性等方面進行定制和驗證。