（测试计量技术及仪器专业论文）烟气排放实时连续监测系统关键技术的研究.pdf

摘要 大气污染的监测治理问题越来越引起世界各个国家的重视 造成大气污染的 主要原因有两个 一是燃煤锅炉排放的烟尘 二氧化硫和氮氧化物 二是机动车 辆的废气排放 其中各类燃烧器 工业及商用锅炉的烟气排放造成了严重的空气 污染 对烟气中的有毒有害气体进行监测是环境保护工作的一个重要方面 本文 基于紫外差分光谱测量技术对烟气排放实时连续监测系统的关键技术进行了理 论和实验研究 主要研究的内容和创新成果有 1 研究l a m b e r t b e e r 定律在实际测量条件下的理论模型 当从光源发出的 光经过烟气时 r a y l e i g h 散射和m i e 散射对于总衰减的贡献大于分子吸收 将这 些影响关系加入测量模型 以提高理论计算的准确性 2 比较现有烟气s 0 2 和n o 浓度测量探头的光路结构 为减小高温下探头形 变对光路的影响 设计单边插入式双光路探头 使现场调整更加方便 提高了稳 定性 3 提出一套可将气体长度变化等效于浓度变化的校准方法 采用不同长度 的单一浓度的标准气体 实现了探头高精度校准 使用校准后的探头对s 0 2 和n o 两种气体进行多次测量 平均偏差均小于2 4 研究光谱自适应算法 通过自动调整积分时间 解决烟道中的粉尘含量 对接受光强的影响 并提高光源的使用寿命 提取光谱曲线中的不变量作为特征 通过分析和比较特征的位置来判断并修正光谱曲线的漂移 5 研究了烟气颗粒物含量 氧含量及流速等烟尘参数测试技术 设计了氧 含量传感器的测控电路 6 研制了烟气排放实时连续监测系统 根据国家标准编制了系统控制和数 据处理 选择两个现场进行实际应用实验 对不同脱硫工况的电厂排放的烟气进 行实时连续监测 分析了监测结果 关键词 烟气排放紫外差分光谱测量光谱自适应双光路探头校准 a b s t r a c t a i rp o l l u t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gi s s u e sa r eg i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nv a r i o u sc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d t h e r ea r et w om a i nr e a s o n sf o ra i rp o l l u t i o n f i r s t t h ec o a lb u r n i n gb o i l e re m i s s i o n s l i k ed u s t s u l f u rd i o x i d ea n dn i t r o g e no x i d e s t h eo t h e ri st h em o t o rv e h i c l ee m i s s i o n s a n dt h ev a r i o u st y p e so fc o m b u s t i o n s u c ha s t h ef l u eg a se m i s s i o n so fi n d u s t r i a la n dc o m m e r c i a lb o i l e r s c a u s et h es e r i o u sa i r p o l l u t i o np r o b l e m i nt h i sc a s e t h ef l u eg a sm o n i t o r i n gi sa l li m p o r t a n ta s p e c to f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n o n t h eb a s i so fu l t r a v i o l e td i f f e r e n c e s p e c t r u m m e a s u r e n l e n t t h ek e yt e c h n o l o g i e so ff l u eg a se m i s s i o n sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf o r r e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e ma r ea n a l y z e di nt h ea s p e c t so ft h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h em a i nc o n t e n ta n di n n o v a t i o np o i n t sa r ea sf o l l o w s 1 t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fl 撕b e r t b e e rl a wi ss 缸d i e di nt 如a c t u a lm e a s u r e m e n t c o n d i t i o n w h e nt h el i g h te m i t t e df r o mt h es o u l et r a n s m i t t i n gt h r o u g ht h ef l u e g a s t h ea t t e n u a t i o nc a u s e db yr a y l e i g hs c a t t e r i n ga n dm i es c a t t e r i n gi sl a r g e r t h a nt h a to fm o l e c u l a ra b s o r p t i o ni nt h et o t a lc o n t r i b u t i o n t h e s ee f f e c t sw i l lb e c o n s i d e r e dt oj o i nt h er e l a t i v em e a s u r e m e n tm o d e lt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 2 i nc o m p a r i s o nw i t ht h eo p t i c a ls t r u c t u r eo ft h ec u r r e n tm e a s u r e m e n tp r o b eo fs 0 2 a n dn o xg a sc o n c e n t r a t i o n an e ws i n g l ep l u g i nd o u b l e s i d e dp r o b ei sd e s i g n e d t or e d u c et h eh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o no ft h ep r o b e w h i c hc a nd i s t u r bt h e l i g h tp a t h t h i sd e s i g nm a k e st h ef i e l dm o u n t e da n df i x e dm o r ec o n v e n i e n t w h i c h a l s oi n c r e a s e st h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m 3 f o rt h en o n l i n e a r i t yo fp r a c t i c a lc o n d i t i o nc a u s e sd e v i a t i o nf r o mt h e o r e t i c a ll a w a n e wc a l i b r a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d t h i sm e t h o dt r a n s f e r st h ec h a n g ei ng a s l e n g t ht ot h ec h a n g ei ng a sc o n c e n t r a t i o n t h eh i g h p r e c i s i o np r o b ec a l i b r a t i o ni s r e a l i z e db yt h i sm e t h o d an u m b e ro fp r o o ft e s t so fs 0 2a n dn oa r et a k e nw i t h t h ec a l i b r a t e dp r o b e t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o nd e v i a t i o ni sl e s st h a n2 4 t h es p e c t r u ms e l f a d a p t i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h ei m p a c to ff l u ed u s tt ot h e r e c e i v e dl i g h ti ss o l v e db ya d j u s t i n gt h ei n t e g r a t i o nt i m ea u t o m a t i c a l l y a n dt h e l i f el e n g t ho ft h es o u r c ei si n c r e a s e d t h ed r i f to ft h es p e c t r u mi sc o r r e c t e db y a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ew a v e l e n g t hl o c a t i o no ft h es p e c t r u mf e a t u r e w h e n e x t r a c t i n gt h ei n v a r i a n t si nt h es p e c t r u ma st l l ef e a t l r e s t h em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g i e so ft h ep a r t i c u l a t ec o n t e n t o x y g e nc o n t e l l ta 1 1 df l o w r a t ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l e d t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h e o x y g e nc o n t e n ts e n s o ri s d e s i g n e d 6 n ec o n t i n u o u se m i s s i o n s m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d a c c o 砒gt 0 n a t i o n a ls t a n d a r d s am o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs o f t w a r es y s t e mi sp r o 肿r 姗e d 1 h ea p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t sa r et a k e ni nt w o p o w e rp l a n t s m o n i t o r i n gt h ef l u e g a smt h e s et l op l a n t sc o n t i n u o u s l y w h i c ha d o p tt h ed i f f e r e n td e s u l p h 嘶z a t i o n m e t h o d s a n dt h em o n i t o r i n gd a t ai sa n a l y z e d k e yw o r d s f l u eg a s u l t r a v i l e t d i f f e r e n t i a l s p e c t r u mm e a s u r e m e n t s p e c t r u ms e l f a d a p t i n g d o u b l e s i d e dp r o b e c a l i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得丞鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 喜矶讥签字嗍们7 年7 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 毫棚 导师签名 1 1 4 m w 2 0 t h 的锅炉 必须在烟囱或烟道上安装固定的连续监测仪器 监 测参数为烟尘浓度 烟气二氧化硫和氮氧化物浓度 烟气温度 流量 压力 水 分 氧气含量等 这些强制性政策的出台在客观上促进了c e m s 在中国的发展 根据对气态污染物联系监测采样方法的不同 c e m s 大概可分为两种类型t 实时法和采样法 而采样法又可分为稀释采样法和直接抽取法 加热管线法 1 3 1 稀释采样法 稀释采样技术的发展才使得化学发光法测量n o 脉冲荧光法测量s 0 2 等分 析方法成为可能 在美国电厂c e m s 中 稀释法占9 5 直接抽取法占4 实 时法占1 4 0 l 稀释采样法的工作流程为 先通过一零气发生器 把空气中的s 0 2 n o x c 0 2 和水蒸气等除掉后作为稀释气 零气 然后用此洁净的零气按一定比例稀 释经除尘后采集的烟气 以降低气态污染物的浓度 这样就可避免样气从烟囱高 温 10 0 以上 抽出至常温时产生水蒸气凝结 防止s 0 2 气体等采样气体溶解 在水中造成s 0 2 气体的损失 最后将稀释后的采样烟气引入分析单元 分析气态 污染物的浓度 进行烟气成分分析中 需要几种成分就要几台相应的分析仪器 系统的标定通过标准气体完成 其中的关键技术在稀释探头 它影响到仪器的测 量精度和可靠性 第一章绪论 基于该原理的产品主要来自歇美大型企业 国内企业有北京长峰益来自动 化科技有限公司 在技术上采用了改进的稀释法采样配以传统的大气分析仪和激 光穿透期挫方法 样气正压传输 避免丁因采样管道泄漏引起的测量误差 可自 动实时标定 图卜2 为稀释采样法探头及主控制框内部圈 圈i t 稀释采样探头及控制柜 其他采用稀释法的c e m 生产厂家还有 美国的g e 下属k v b e n e r t e c t e e p m s i g n a li n s t r u m e n t 和r o s e m o u n t 公司 法国自q c h r o m a t o e a 公司 日 本的h o i 乇i b a 公司 德国m r u 公司 中国中兴环境等 1 1 3 2 直接抽取法 直接抽取法是将烟气从烟囱或烟道上采样孔中抽出 经除尘抽出干净烟气 第一章绪论 的样气 由伴热保温管线 防止烟气中水分凝结阻塞采样管 送至仪表柜 仪表 柜内设有小型冷凝器 在很短时间内把样气的水蒸气除掉 无水分的氧气在送至 各气体分析仪器进行分析处理 图1 3 所示直接抽取法的探头 其测量部分由 不锈钢过滤层包裹 滤除粉尘和水蒸汽 其中 基于非分光红外吸收测量法的插 入式探头t 分层四气室的设计具有理想的抗干扰能力 其s 0 2 测量范围宽 从0 1 0 0 p p m 至o 0 0 适应用于低浓度s 0 2 且浓度波动较大的场合 图l 3 直接抽取式探头 图1 4 直接抽取法主控制柜 这种类型的产品以日本生产为主 近些年欧美企业也纷纷加入 在国内也 得到了长足的发展 其中北京天融科工贸有限公司获得北京市环保局科研课题项 目 通过对直接抽取法的完善和改进转化为成熟的烟气实时监铡系统系列产品 第谭绪论 其主控制柜如图i 4 所示 采用直接抽取法的c e m s 生产厂家还有 美国的c o l u m b i a p e r r n ap u r e p e l 和t e 公司 日本的h o r i b a n g k 公司 德国的m c 公司 法国e s a 公司 英国x e n t r a 公司 中国的武汉天罡科技 北京凯尔科技等 叫 1 3 3 插入测量法 插入测量法是上世纪9 0 年代发展起来的高新技术 三c 德国s i c km a l l a k 公司啪均代表 该系统是将仪器直接插入烟道或烟囱 如图i 5 所示 其中 光 源发射装置在烟道外 反射装置在烟道内 形成一个光程回路 为了保持镜面清 洁 不被烟气中烟尘玷污 需要通过管道输入新鲜清洁的空气吹扫 系统采用紫 外光谱检测 标准信号送入主控室 直接监视污染气体s 0 2 n 0 2 和n o 排放状况 圈 5 插 式探头 由于烟道中污染气体浓度较高 温度和湿度较大 其分析误差较大 不能 准确真实的反映烟道中污染气体的浓度 而且系统豹定标也比较复杂 为了解决 这些问题 差分光学吸收光谱 o a s 技术分析方法引入烟气分析中 它主要由 烟气分析单元 采集控制系统和现场控制机等部分组成 目前 国内对紫外差分技术的应用研究比较成熟的中科院安徽光机所曾在 2 0 0 3 年固 紫外差分吸收光谱发熘道s 0 2 在线监测仪 获得安徽省科学技术二等 奖 仪器采用紫外光谱光度吸收法的原理 利用二氧化硫的紫外特征吸收光谱来 测量二氧化硫的浓度 仪器适于在无人值守的工业环境对烟道二氧化硫排放量进 行实时监测 也可在现场进行即时采样测量 该仪器检测精度高 不需频繁定标 无消耗品可进行长期实时铡量 这项成果转化为产品 在国内及欧美 东南亚都 第一章绪论 有产品销售 安装图如图i 一6 所示a 采用相关技术的其他公司还有美国d u r a g c i c p p h o e n i x 仪器公司 法 虱o l d h a m 公司 中国蓝宇 聚光科技等公司陆5 圈i 6 中科院安光所的c e m s 系统 1 3 4 现有烟气实时监测方法的比较 传统的烟气监测主要以抽气取样后的实验室分析为基础 对烟气进行实时 实时监测存在一定的局限性 上世纪8 0 年代 采用光学和电子学技术的污染气 体监测仪器已经商品化 如紫外荧光法s 02 监测仪 化学发光法n o 滥测仪 非 分散红外法c 0 2 探铡器等 但这些仪器通常只限于单点监测 随着对烟气排放提出更高的限制 传统的烟气监测技术己经不能满足需要 对于烟气监测的有效技术的需求在不断增加 由于烟气中污染气体的种类繁多 浓度比较高以及它们之闻复杂的化学反应 使得对于烟气的监测是一个具有挑战 性的任务 现有实时烟气排放监测系统的测量方法 优缺点等比较如表l 一6 所示 方法名称 优点缺点 稀释抽取式实i 采用稀释气和睦瘴器 防止葺遒堵塞 1 系统复杂 反应较慢 时监测方法2 采用撇正气孵睦正方法 保硼被 口稀释比控制不好影响测量精度 第一章绪论 3 不同方法澳蝗不阿气体 避免干扰 3 每种污染成分需配各自分析仪器 直接抽取式实 1 避免了稀释比例对测量精度的影响 1 维护工作量大 易堵 易腐蚀 2 湿基检测 2 管线长 反应较慢 时监测方法 3 在除尘好的环境下应用效果较好 3 每种污染成分需配各自分析仪器 插入式实时连 1 结构简单 响应时间快 湿基测量 1 需要定期对镜头进行擦洗维护 2 可同时测量多种烟气成分 2 烟道内环境因素影响准确度 续监测方法 3 采用断面测量 结果有代表性 3 系统标定比较复杂 1 4 烟气排放连续监测系统 烟气连续监测系统 c e m s 一般都采用模块化的设计 针对不同的监测工 程它有不同的特点和监测内容 c e m s 的关键在于检测仪表的选型设计与仪表系 统的集成 因过程分析面对的困难与问题很多 高温 高粉尘 高水分 负压及 腐蚀性等恶劣气体条件 应保证必要的检测准确度 应有较快的反应速度 应易 安装 易标定 防尘 防溅 防腐等防护要求 应有较高的自动化程度 较少的 维护工作量 因此应分析被测对象特征 再研究设计与生产工艺条件相匹配 相 适应的分析检测仪表并予以集成解决 针对火电厂这样的大排放量的固定污染 源 c e m s 的设计指标和监测内容等作了细化 国家环保总局根据国内外c e m s 的发展情况 制定了相应的技术标准和行 政法规 主要包括 火电厂烟气排放连续监测技术规范 和 固定污染源排放烟 气连续监测系统技术要求与检测方法 等 针对日益重要的实时排放源污染物浓 度监测系统的设计和技术要求制订了详细的规范 烟气实时连续监测系统 c e m s 项目主要包括t 颗粒物 烟尘 二氧化 硫 5 0 2 并对氮氧化物 n o x 也开始提出要求 同时 为了计算排放物成分 的真实含量防止空气稀释烟道气 则必须测量氧气的含量 如果需要评价燃煤的 利用效率和有毒物的排放情况 还应测量一氧化碳 另外为了计算标准状况下的 烟气体积 需要测量烟道内的压力 温度 为计算总的排放量 需要测量烟气的 流速 因要换算为干基气体还必须测量烟气的湿度 明确监测项目后 需要制定主要污染物的测量范围及相关参数 废气和粉 尘等污染物主要来自煤的燃烧 而在我国不同地域的燃煤质量相差甚大 除尘脱 硫设备迥异 各种污染物排放的浓度也有较大不同 这就要求测量设备在保证足 够的测量精度和稳定性的前提下具有较宽的测量范围 同时针对高粉尘 强酸性 的测量环境 探头等测量设备还需具有很好的工业现场适应性和防护要求 经过现场测试和资料比对 我国普通燃煤锅炉未经除尘脱硫所排放的废气浓 1 7 第一章绪论 度最高可达4 0 0 0 5 0 0 0 m g m 3 其中约合s 0 2 的排放浓度为1 4 0 0 1 7 5 0 p p m n o x 的排放浓度为1 0 0 0 1 5 0 0 p p m 从表l 7 列举的几种国内外主流c e m s 系统的主 要性能指标中可以看出 我国实际排放数据有着明显差别 其中有些烟尘检测仪 和s 0 2 分析仪的适用范围窄 并非最优化 不能适合我国火电厂排放监测所需的 技术指标 表1 7 现有c e m s 产品主要指标 指标 测量范围 重复性 明有 s 0 2n o 粉尘 零点漂移 产品 m g m 3 气体粉尘 p p m p p m 法国e s a o 1 0 0 0o l o o o 1 1 周 固定源c e m s 法国o l d h a m 0 1 0 0o l ol 1 0 0 0 05 2 印 5 墅l 周 e 6 0 0 0 英国x e n t r a 0 2 0 0o l o o 5p p m 1 0p p m 周 4 9 0 0 日本h o r i b a e n d a 6 0 0 型 5 0 5 0 0 01 0 0 5 0 0 0 印 5 士1 0 周 深圳中兴环境 o 2 0o 2 0o 2 0 0 0三 2 垫2 吃 厌 z e c e m 2 0 0 0 北京长峰益来 o 1 0 0o l o oo 2 0 0 09 1 垒1 5 行一盯 胂7 r n 庀 2 4 第二章紫外差分吸收光谱法测量原理 2 0 03 0 0 4 0 0 渡长 砌 图2 1 电子能级及电子跃迁示意图 紫外吸收光谱是带状光谱 分子中在些吸收带已被确认 其中有k 带 r 带 b 带 e 和e 带等 k 带是二个或二个以上成键共轭时 t 电子向石 反键轨道跃 迁的结果 可简单表示为 t r 带是与双键相连接的杂原子 例如c o c n s o 等 上未成键电子的孤对电子向矿反键轨道跃迁的结果 可简单表 示为刀一万幸 e 1 带和e 2 带是苯环上三个双键共轭体系中的 电子向万幸反键轨道跃 迁的结果 可简单表示为万 矿 b 带也是苯环上三个双键共轭体系中的万峙万宰跃 迁和苯环的振动相重叠引起的 但相对来说 该吸收带强度较弱 以上各吸收带 相对的波长位置大小为 r b k e 1 e 2 但一般k 和e 带常合并成一个吸收带 各种电子跃迁类型与吸收峰的关系表如表2 1 所示 1 表2 1 电子跃迁类型与吸收峰的关系表 k 跃迁类型吸收带特征典型基团 m r i m c c c h 在紫外光 o o 远紫外区1 5 0 远紫外区测定 区观测不到 1 5 0 紫外区短波长端至远紫外区 n o端吸收 o h n h2 x 一s 2 3 0的强吸收 冗 re 1 带 2 0 0 共轭多烯 c c c o 等的吸 k e 2 带 1 0 0 0 0 收 第二章紫外差分吸收光谱法测量原理 芳香环 芳香杂环化合物的芳 b 带 2 5 0 1 0 0 香环吸收 有的具有精细结构 2 0 0 4 0 含c o n 0 2 等n 电子基团的吸 c o c s 一n o n 叫r r 带 1 0 0 o 收 一n n 一 c n 当分子的价电子能级发生跃迁时常伴随着振动能级和转动能级的跃迁 故价 电子在每两个能级之间的跃迁所对应的能量差并不是像原子那样表现在一个确 定的数值 而是表现为多个彼此相差很小的数值 2 1 2 光吸收基本理论 依据物质对电磁辐射的吸收特性形成了各种吸收光谱技术 作为探测气体污 染物重要工具的吸收光谱技术正是基于各种污染物对辐射的吸收程度差异而产 生的 这种方法依据特定分子的吸收特性和吸收强度辨别不同物质和测量它们的 浓度 0 j j 一一一 一 浓度为c 的吸收体 j j j j j j j j j j j 图2 2 吸收光谱法探测污染气体基本原理 在吸收光谱学中 一般用吸光度来表征被测物质的吸收光强的程度 是指光 线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强 度比值的对数 影响它的因素有介质的种类 气体浓度 环境温度等等 描述均 匀介质中单一气体的纯吸收规律的基本公式就是l a m b e r t b e e r 定律 6 7 1 基本原理 如图2 2 所示 因此在紫外 可见光谱分析中 通过被测气体之后的理想光强变 化可以由吸光度表示为 a l 0 9 2 0 o k l c 2 2 一 被测物质的吸光觑与其摩尔浓度c 和厚度三的乘积成正比 m 为探测到的光 强 如 是光源的光强 k 为摩尔吸光系数 l m o l c m 如果改变通过某一吸收 物质的入射光的波长 并记录该物质在每一波长处的吸光翩 然后以波长为横 第二章紫外差分吸收光谱法测量原理 坐标 以吸光黝为纵坐标作图 这样得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收 曲线 吸收光谱图中的吸光度与检测时样品浓度有关 为了定量描述物质对光的 吸收 提出了摩尔吸光系数k 的概念 所谓摩尔吸光系数脘指浓度为1 m o l l 的 样品置于l c m 长的样品池中 在一定波长下测得的吸光度 它表示物质对光的吸 收能力 是物质的特征常数 从理论上说k 的大小是表示这个分子在吸收波长处 可以发生能量转移 电子从能级低的分子轨道跃迁到能级高的分子轨道 的可能 性 如果浓度c 的单位用m o l e c u l e c m 3 表示 则吸收能力用吸收截面碟表示 单 位为c m 2 m o l e c u l e 吸收截面提分子中吸收光子的有关电子跃迁部分的面积 面 积越大 越容易被光子击中 吸收能力亦增大 6 8 1 气体吸收中常用吸收截面表示 被测气体的吸收能力 另外 某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸 收能力的分布情况 可以从波形 波峰的强度 位置以及数目来研究物质的内部 结构 对污染物进行定性 定量分析i 鲫1 因此l a m b e n b e e r 定律可以表示为 五 l o 2 e 一功 2 弦 2 3 式中 以 是与波长有关的气体吸收截面 气体的浓度可由下式计算 c 1 n i 2 i o 2 三盯 名 2 4 定义 o d l n i o 旯 旯 l a 2 c 2 5 o d 称作给定物质的光学厚度 o p t i c a ld e p t h 代入 2 4 式 可得 c o d l o 2 2 6 2 1 3 实际光吸收模型 在实际应用中 瑞利和米氏散射也会造成粒子辐射消光 光被散射偏离而不 能被探测器接收到 虽然这种消光实质不是一个光吸收过程 但在处理时也可视 为一个光吸收过程 如图2 3 所示 2 7 第二章紫外差分吸收光谱法测量原理 篇 0 f 之 譬 图2 3 烟气中的光吸收 1 瑞利 r a y l e i g h 散射引起的消光 也就是空气分子的散射 当微粒直径 小于波长时 主要表现为瑞利散射 瑞利散射简化的 吸收 截面可由下式表示 旯 o 矿 2 7 对于空气 o r d 4 4 x10 j 6 c m 2 n m 4 瑞利消光系数妇 可由下式表示 s r 名 o r r 见 c 触 2 8 式中 腰表示在2 0 2 一个标准大气压下的空气分子的浓度 从式 2 7 和 式 2 8 可以看出 瑞利散射消光系数反比于r 所以短波的瑞利散射效应比 长波严重得多 2 米氏 m i e 散射引起的消光 也就是气溶胶粒子 烟尘的散射 当微 粒的大小远大于光的波长时 产生米氏散射 它的消光系数由下式表示 名 8 m 0 2 2 9 式中 刀在1 到4 之间取值 这样 烟气中一种污染气体的吸收可更准确的由下式表示 五 厶 五 e x p l o 2 c 6 r 力 五 2 1 0 典型的由瑞利散射和米散射引起的消光在3 0 0 m n 处分别为1 3 1 0 击c m 和 1 l o x l o 击c m 1 3 烟气中存在的其它分子的吸收 烟气中存在的其它物质对光也产生吸收 设第i 种物质的吸收截面和浓度分别由毋和c 表示 因此 式 2 1 0 式进一步表 示为 j 允 厶 五 e x p 卜三 吼 五 c 只 五 k 五 2 1 1 i 这个公式被称为修正的l a m b e a b e e r 吸收定律 光谱探测技术正是应用修正 第二章紫外差分吸收光谱法测量原理 的l a m b e r t b e e r 定律 测量沿光程上烟气中污染气体的平均浓度 2 2 光谱调整自适应算法的研究 差分吸收光谱法通过分析烟道内气体的透过光强 比较参考光和测量光谱强 度 来计算被测气体的成分和浓度 因此接收光强的变化和谱线的漂移将直接影 响到测量的准确性 实际条件下 影响光谱强度变化和谱线漂移的有两个主要因 素 在烟道中的粉尘含量比较高且分布情况不稳定 使得因粉尘遮挡所等效产生 的 吸收光强 变化没有规律 呈现随机波动 光谱仪会因使用时间而出现谱线结 构的缓慢漂移 为此提出光谱调整的自适应方法从接收光强和漂移修正两个方面解决以上 问题 2 2 i 接收光强的控制 经过被测气体的光束最终进入光谱仪进行谱线和强度的量化 并输出到后续 光谱分析设备 因此可以分析接收光强的一些特征 利用光谱仪的调整环节实现 对接收光强的抗干扰性的提升 并提高光源的使用寿命 2 2 i 1 光谱仪工作原理 本文所采用的光谱仪的感光器件为c c d c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合 器件 c c d 应用技术是集光学 电子 精密机械及计算机技术为一体的综合性 技术 7 3 1 它以电荷作为信号 而不同于其它大多数光电器件是以电流或电压作 为信号 c c d 的基本功能是电荷的储存和电荷的转移 氧化层 p 型半导体 栅电极 光电转换产 生的电荷 耗尽区 图2 4 c c d 电极结构 构成c c d 的基本单元是m o s 结构 如图2 4 所示 在对m o s 的金属栅极 施加电压之前 p 型半导体中的空穴 载流子 的分布是均匀的 半导体中形成 第二章紫外差分吸收光谱法测量原理 能容纳电荷的耗尽区 耗尽区的概念与半导体物理的 势阱 类似 所以这里我们 称之为势阱 势阱深度决定了所能容纳的电荷数量 在光照射下 势阱中的电荷 数量越来越多 在一定的积分时间内 电荷量的多少反映了照射在像素上的光学 的强弱 如果光积分时间过长或光强度过高 势阱中的电荷饱和 不能再存储电 荷 若电荷继续产生 会出现电荷 溢出 现象 干扰相邻位置的信号 使图像的 清晰程度下降甚至不可分辨 这种情况在外界光线很强的情况下经常遇到 此时 可采取减少光积分时间 减弱入射光强或通过在镜头前加中性衰减滤光片等方 法 减少进入c c d 的光通量 使c c d 各像素产生的电荷量能正确地反映投射到 像素的光线强弱 值得注意的是 如果没有外来信号电荷 势阱将被热生少数载流子逐渐填满 其产生的电流称为 暗电流 暗电流将对被测信号形成干扰 加大测量误差 因 此 在实际测量中必须去除暗电流的影响 2 2 1 2 积分时间的自适应调整 由于暗电流等干扰因素对光谱强度的影响是全光谱的 因此系统自动根据实 时的环境变化对光谱仪积分时间进行调整 以确保合适稳定的信噪比 其原理如 图2 5 所示 其中细实线代表积分时间调整前的曲线 m a x 和d a r k 分别代表强 度最大值和暗电流 粗实线代表积分时间调整后的曲线 此时的强度最大值和暗 电流分别为m a x d a r k 调整流程如下 1 将积分时间记为t 1 0 0 利用当前设置采集一次数据 2 计算出强度最大值m a x 和暗电流d a r k 3 对积分时间进行缩放 由于光谱仪是1 2 位的a d 变化 其中要求 m a x e 1 5 0 0 4 0 9 5 如鄹 a x 5 3 a r 沿着光入射方向上的正向础和负向 删范围内 具有最大的散射能 量分布 但这一结果并不适用于小粒径微粒 9 螂1 4 1 2 系统整体技术方案设计 烟尘监测 即颗粒物浓度的测量 采用激光背散射原理 通过颗粒物对所发 出激光束的背散射程度来计算颗粒物浓度 光散射法测定悬浮颗粒物浓度原理是 建立在微粒的m i e 散射理论基础上的 光通过颗粒物质时 对于数量级与使用光 波长相等或较大的颗粒 光散射是光能衰减的主要形式 当悬浮在空气中的粉尘 通过光路中光敏感区时 粉尘的散射光量与它的质量浓度成正比 9 7 1 兰j i 1 7 嘎 鬯堕 夕 墨 垦 i 一 目 飞 产 一 智 k 圈4 1l l i 牲物浓度舅量原理 图4 1 为颗粒物浓度测量原理图 铡试系统主要由激光光源及其功率控制 散射光接收 光电探测 信号处理电路等部分组成 激光光源及功率控制保证光 源长期工作的稳定性 激光器发出的激光束咀一个微小的角度射入捧放源 澈光 柬与烟气粒子作用产生散射光 其背向散射光通过聚焦透镜到达光电探测器 光 电探测器把感受到的光信号转换成电信号 经过放大和滤波电路以及v i 转换电 路得到要求的输出信号m i 本系统选用了深圳市彩虹谷仪器发展有限公司的 r b y d u s t m o n o t o r 型烟尘浓度监涮仪 其颗粒物浓度测量仅达到的具体技术指标 如表 l 所示 第四章烟尘参数测试系统设计 表4 1 颗粒物浓度测量仪技术指标 测量范围0 1 0 0 0 0m g m 3 灵敏度 2 m g m 3 测量误差 2 信号输出 4 2 0 m a 可测烟道直径1 1 5 m 介质条件 厂 一 温度 每一格代表1 0 c 图4 5k 型热电偶在常温附近的热电动势 图4 6 是采用温度传感器集成芯片a d 5 9 0 来进行热电偶冷端补偿的电路图 图中 丁l 为热接点温度 即传感器探头工作温度 乃是冷接点温度也即环境温度 应用叠加原理 输出电势 为1 8 j v o 1 彘k 训 r 2 2 7 3 2 t 2 1 0 1 0 4 6 式中 口是赛贝克系数 在o 一1 0 0 c 之间k 型热电偶的口接近于4 0 v c t 1 和 死的单位均为摄氏度 为了实现补偿的目的 选取适当的尺 来抵消绝对零度的影 响 选取r 3 来抵消掉环境温度的作用 调整r 2 就可以得到所需的输出灵敏度 即 输出电势 为热接点温度丁i 的单值函数 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 4 3 2 1 0 a v寐臀脚瘊 第四章烟尘参数测试系统设计 图4 6 熟电偶测温补偿电路 2 加热温度控制电路 单片机对传感器加热温度控制是通过可控硅调功电路来实现的 如图4 7 所 示 双向可控硅和加热丝串接在8 0 1 0 0 v 5 0 h z 交流电回路中 在给定周期丁 内 单片机只要改变可控硅的接通时间便可以改变加热丝功率 以达到调节温度 的目的 r 图4 7 过零触发可控硅调功电路 图4 7 中 u 1 为m o c 3 0 6 1 过零触发的光耦隔离驱动器 u 2 为可控硅 控 制加热回路的导通与截止 u l 接受单片机定时器a 输出的p w m 信号 来隔离驱 动可控硅u 2 u 2 使用过零触发的方式控制加热电炉丝 通过单片机对检测到的 温度信号进行判断 运用模糊控制算法控制传感器探头温度在7 0 0 2 范围内 r 和c 组成吸收回路 其作用为吸收浪涌电压和提高静态d v d t 指标 3 氧含量检测电路 考虑到被测气体氧浓度大于参比气体氧浓度时 检测器输出的氧浓差电势 e o u t 为负值 而本底电势亦可能为负值 不便进行a d 转换 所以需要在后级 跟随器前加一偏置电压 使检测电路的输出满足a d 转换器量程的需要 第四章烟尘参数测试系统设计 采用高精度仪用放大器a d 6 2 0 作为前端弱信号放大器 后端运用偏置电压 以便于单片机始终接受到的都是正电压信号 前端电路v h r l a r i b c 2 c l a c l b 组成的低通滤波网路可有效地滤除高频电磁噪声的影响 电路的差模信号截 止频率为b w d i f f 共模信号截止频率为b w c m 即 b 2 瓣1 b 2 芴石1 式中 r l r 1 6 和c l 口 c 1 6 必须精确相等 且c 2 1 0 c l 一般来讲 仪用放大器 对高于2 0 k h z 的信号已经没有共模抑制能力 该网路的使用可以使仪用放大器 更有效的工作 利用一只外部电阻器便可精确地设置增益 根据氧量测量的需要进行调节 最后将放大后的氧电势信号送入单片机的a d c l 2 模块 进行模拟数字的转换 图4 8 氧电势检测电路 图4 8 是所设计的氧电势检测电路图 采用高精度仪用放大器r a d 6 2 0 作为前 端弱信号放大器 后端运用偏置电压以便于单片机始终接受到的都是正电压信 号 前端电路由r r l b c 2 c 1 a c 1 b 组成的低通滤波网路可有效地滤除高频 电磁噪声的影响 第四章烟尘参数测试系统设计 4 2 3 传感器温度控制程序设计 氧化锆氧传感器温度控制系统是一个复杂的控制系统 具有如下特征 1 温度控制的单向升温性 氧化锆氧传感器温度控制的升温过程和降温过程 具有很大的不对称性 氧化锆氧传感器的升温是依靠加热电阻丝实现的 而降温 却完全依靠自然冷却 当温度一旦超调就无法用控制手段使其降温 2 恒温保持特性 由于传感器的散热 如果要将温度保持为设定值 则必须 要有一定的控制量输出维持温度 而不能在温度达到设定值后无控制量输出 3 传感器特性随温度变化而变化 由于温度变化的非线性 传感器特性也将 发生变化 尤其是自然冷却的过程变化较大 因而控制量的输出也应随着温度的 变化而变化 由于很难确定氧化锆传感器温度控制系统的精确数学模型 同时又因为p i d 控制算法的参数需要通过实验来调节 同时又因为模糊控制不需要控制对象精确 数学模型和适用于大滞后 大惯性和时变性系统的特点 所以优先考虑使用模糊 控制算法 模糊控制具有许多传统控制无法比拟的优点 主要优点有 1 不需要 精确的数学模型 开发方便 2 使用方便 3 适应性强 4 控制程序简短 速度 快 5 可靠性高 6 性能优良 模糊控制器的设计过程可以分为输入模糊化 模糊推理和输出清晰化三部 分 输入模糊化的功能是实现精确量的模糊化 即将偏差e 和偏差变化率e c 的 精确值转化为模糊量 以便进行模糊推理和决策 包括输入量尺度变换 输入量 隶属度函数的确立以及求出输入量的模糊隶属度函数 模糊推理的主要功能是模仿人的思维特征 根据总结人工控制策略取得的语 言控制规则进行模糊推理 并决策出模糊输出控制量 包括输出量隶属度函数的 确立 控制规则表的建立以及根据输入量的模糊集合和控制规则 求出输出量的 模糊集合 输出清晰化的主要功能是对经模糊推理决策后得到的模糊控制量进行模糊 判决 把输出模糊量转化为清晰的控制量施于被控对象 模糊控制器的典型应用如图所示 6 7 第四章烟尘参数测试系统设计 设定 图4 9 模糊控制器的典型应用 在手动过程中 人所能获得的信息量基本上为三个 偏差 偏差变化率 偏 差变化率的变化率 一般来说 人对偏差最敏感 其次是偏差变化率 再次是偏 差变化率的变化率 从理论上讲 模糊控制器的维数越高 控制越精细 但维数 过高 模糊控制规则变得过于复杂 控制算法的实现相当困难 这也是目前人们 广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在 本设计选用常用的二维模糊控制器 即以偏差 偏差变化率为输入 为了提 高控制精度 需要细分输入变量偏差e 偏差变化率e c 和输出变量d u t y c y c l e 的量化等级 同时使用尽可能多的控制规则 将温度模糊控制范围设置在6 9 5 7 0 5 之间 首先进行尺度变换 将区间 6 9 5 7 0 5 换算为 0 6 偏移量取为 6 9 5 量化因子取为0 6 则可将 5 5 的温度变化范围折算到0 6 之间 温度偏差变化率控制范围取为 3 3 偏移量也 取为3 量化因子取为l 则可将温度变化率折算到0 6 之间 这样温度偏差e 与温度偏差变化率e c 都落在了0 之间 设置模糊控制器各语言变量论域如下 偏差怫弘 0 1 2 3 4 5 6 偏差变化率l e c l 净 o l 2 3 4 5 6 将e 和e c 的论域特征点按照从小到大的顺序分别定义为n b n m n s z p s p m p b 对于温度偏差与温度偏差变化率 都选用相同的三角形隶属度