004OMA-2000光谱判断与调整方法.doc

OMA-2000光谱判断及调整方法OMA-2000仪表的测量原理如图一所示，光源发出的紫外光汇聚进入光纤，通过光纤传输进入气体室，光穿过气体室时经被测气体吸收，穿出后由光纤传输进入光谱仪，在光谱仪内部经过光栅分光，由阵列光电传感器将分光后的光信号转换为电信号，获得气体的连续吸收光谱信息。图一：OMA-2000系统构成及测量原理一、反衍波段及光谱要求由于OMA-2000通过光谱吸收信息反衍出被测气体的浓度，因此仪表的光谱参数是判断仪表运行性能的重要依据。图二所示为一台性能正常的OMA-2000仪表通入氮气时的光谱情况，图中横轴对应阵列光电传感器上的像素，纵轴对应像素点上的光强，不同像素点的光强反映了氙灯光束经过分光后在各个波段的特征谱线，从中也可以看出，氙灯的能量在不同的光波段分布是不平均的。图二：OMA-2000通入氮气时的光谱形状当仪表的气体室内含有被测气体后，该气体会对特定波段的光能量进行吸收，从而导致该波段的光强下降，下降强度与浓度相关。图三所示为. OMA-2000仪表通入500ppm NO前后的光谱变化情况。图四对存在吸收的波段进行了放大，两条谱线不重合的部分反映了NO的特征吸收段以及浓度信息。图四： 500ppm NO特征吸收的放大图图三：仪表通入500ppm NO前后的光谱变化情况OMA-2000仪表通入500ppm SO2前后的光谱变化情况如图五所示，从中可以看出，相比于NO，SO2的吸收区域更广，吸收强度也更大。图五：仪表通入500ppm SO2前后的光谱变化情况OMA-2000正是利用了这种光谱吸收计算气体浓度的，但在利用光谱信息进行计算时，系统对所用到波段的光强有一定的要求，光强太弱则系统噪声对测量的干扰加大，光强太强则光电传感器的线性变差，都不能使仪表的测量精度达到最优状态，因此在OMA-2000仪表出厂前，对仪表光谱的要求如下：以氙灯229nm为定位峰（约160像素点处，图六中红线所指示的位置），其左侧第100个像素至第5个象素区域（约60-150像素）的光谱能量大于等于8000且小于等于38000，且其右侧第120个象素至整个探测器的第500个象素区域（约280-500像素）的光谱能量大于等于8000且小于等于38000。图六对这两个区域及区域内的光谱要求进行了标注并指出了定位峰的位置，其中左面的区域用来计算NO，右面的区域用来计算SO2。必须指出的是，决定光谱是否符合要求的依据仅包含光谱强度，不涉及光谱形状，即只要在指定的区域内光谱满足了大于等于8000，小于等于38000的要求，光谱就是合格的，无论这段曲线与通常的氙灯谱线形状上有多大差别。事实上，由于传感器及其它通光器件的差异性，有时会出现仪表的光谱与图二所示的光谱在形状上有较大区别的情况，但只要其满足了光谱强度的要求，对于浓度的计算就没有任何影响。图六：OMA-2000仪表出厂时的光谱要求工程人员在现场调节仪表时可参照上述出厂标准，但当调节比较困难时，对光强上下限的要求可以适当放宽。二、光谱调试软件想要了解OMA-2000仪表的光谱情况有两种方法，一是通过调试软件“OMAMaintenance.exe”，二是直接通过OMA仪表的操作界面，以下分别讲述这两种方法。2.1 通过OMAMaintenance.exe：OMAMaintenance.exe运行于PC机环境下，使用前需拷贝“生产维护程序”文件夹到所使用的电脑上，并在运行前安装mcr.exe程序。OMAMaintenance.exe就在“生产维护程序”文件夹内。欲使用OMAMaintenance.exe观察仪表的光谱，首先需要通过DB9串口线将PC串口与OMA仪表RS232接口相连，对于使用C版接口板的仪表（2007年6月前出厂）， DB9连接线必需是串口交叉线，即两端DB9的2、3引脚交叉，而对于使用D版接口板的仪表（2007年6月后出厂），该串口线为直联线，与LGA使用的串口线相同。注：如果CEMS系统配套了工控机，则工控机D盘FPI目录下自带了“生产维护程序”文件夹，串口线也已经连接好，工程人员在现场直接使用工控机既可。串口连接完毕后，双击OMAMaintenance.exe，在弹出的对话框中选择所使用的串口并按确定，进入程序主界面，如图七所示。在主界面上方“仪器地址”栏内输入数字11，然后点击界面左上方的“连续测量”按键，仪器当前的光谱将出现在“光谱曲线”框内。光谱显示区域图七：OMAMaintenance.exe主操作界面显示光谱时，将界面右下方“显示积分值”的复选框打钩，则光谱强度的单位变为积分值，与光谱要求中提到的光谱强度单位一致，便于调试。在光谱显示区域内，按下鼠标左键从左上向右下方向滑动，可以放大滑动所选中的方形区域，观察该区域内的光谱细节，如按下鼠标左键从右向左滑动则恢复回原始大小。在光谱显示区域内点击鼠标右键，可以选择清除光谱。使用者可以通过OMAMaintenance.exe保存仪器当前光谱和打开已存储的光谱，点击界面右方中部“当次测量保存”按键则可以将当前光谱保存下来，文件以时间命名，为.txt格式。点击“导入历史数据”按键，在弹出的文件选择框中选中存储的光谱文件可以将保存的光谱显示在光谱显示区域内。注：光谱文件默认的保存路径为OMAMaintenance.exe所在的目录，如使用者希望保存在自己设定的文件夹内，则首先将任何一个合法的光谱文件拷贝到自己指定的文件夹，然后点击“导入历史数据”，找到拷贝的文件并打开，则以后再点击“当次测量保存”，保存的文件将自动存在此文件夹中。以上介绍的只是OMAMaintenance.exe进行光谱调试的基本功能，该软件的全部功能及详细描述可参考OMA-2000生产维护程序操作手册。2.2 通过OMA仪表操作界面：操作者在OMA仪表上也同样可以获得仪表当前的光谱信息，不过该信息并不是图形化的。点击OMA触摸屏进入“参数设置界面”，在界面内选中“光谱强度”按钮（如图八），之后进入光谱强度读取界面，如图九所示。图八：选择进入光谱强度读取界面在“像素点”右侧的文本框中输入像素点的序号，并点击读取，则下方“积分值”处将显示该像素点的光谱强度，此值与图二所示的光谱曲线中横轴像素点对应的纵轴积分值相同。虽然此种方法每读取一次，只能了解某个像素点的光谱强度，并不能获得整个光谱曲线，但由于氙灯经分光后其特征谱线的形状基本是相同的，因此通过有限的几个点的情况仍然可以大致判断出当前光谱是否满足要求。在实际使用中，推荐读取100和300两个像素点的光谱值，这两个点分别位于左右两个用到的光谱区域内，而且几乎是区域内光强最低的点，如果这两个点的积分值能够大于7000、小于10000，则基本可以判断整个光谱满足要求。图九：读取各像素点的光谱强度三、光谱调节方法：如果由于光路污染、器件老化等原因导致了光谱强度的下降，从而不再能够满足使用的要求，则需要对光谱强度进行调节，调节的手段主要是改变氙灯强度和氙灯脉冲次数，在图八所示的界面内可以对这两个参数进行设置。氙灯强度（即氙灯电压）决定了氙灯每次打光的强弱，该值越高则光强越强，但氙灯电压的设置上限为4.98V，如果此时光强仍然低于使用要求，则需要通过增加氙灯脉冲次数来调节。氙灯脉冲次数是指每次光电传感器积分期间打几次灯（氙灯不是连续光源），积分期间打灯的次数越多则最终各像素获得的光强也就越强。4.98V、1次脉冲所得到的光强与3.5V、2次脉冲次数所得到的光强近似。因此，如果在某个脉冲次数下电压调整到4.98V仍不能满足要求，则将脉冲次数加1、电压改为3.5V后继续调节。脉冲次数设置上限为10次，即光强的调整上限为4.98V、10次脉冲。OMA-2000仪表也具备光谱自动判断和光谱自动调节的功能，这两项功能的设置在仪表的内部测试界面内。点击OMA触摸屏进入“内部测试界面”，在界面内选中“波段设置”按钮（如图十），进入光谱自判、自调波段设置界面，如图十一所示。在图十一所示的界面内，点击“新增”按钮，设置需要自动判断和自动调整光谱的波段及其判断依据和调整要求，对于NO，设置ID号为1，起点60像素，终点150像素，上限值38000，下限值8000； 对于SO2设置ID号为2，起点280像素，终点500像素，上限值38000，下限值8000，设置完成后需要按“保存”键方能生效。点击“修改”按钮，则可修正已有的设置，点击“删除”按钮，可删除已有的设置。完成波段设置后，点击图十一所示界面中的“参数设置”按钮，进入光谱判断及调整相关参数设置界面，如图十二所示。图十：选择进入波段设置界面图十一：设置需要自动判断光谱的波段及要求在图十二所示界面中可以控制仪表自动判断及自动调整功能的开启与关闭，仪表出厂时默认这两项功能为关闭状态，工程人员可以根据现场情况决定是否开启。如果自动判断功能开启、自动调整功能关闭，则系统在每次调零期间自动判断光谱，如果不满足波段设置的要求，则产生仪表报警，提示光谱需要调整（包括过强、过弱、待优化和光路污染四种提示），但此时不进行自动调整。如果自动调整开启，则调零期间仪表自动调整氙灯强度和氙灯脉冲次数，直到满足波段设置中的要求为止。如果仪表在自动调节中发现部分波段过强、而部分波段却过弱的情况，则出现待优化的报警，不再进行调节；如光强调整到极限仍低于要求，则出现光路污染的报警，也不再进行调节。界面中“调整步长”是指在自动调整时氙灯电压每次增加的量，比如此值为0.2时，则自动调整期间电压每增加0.2V便重新判断一次。界面中“光谱调节阈值”的意义是，在光谱自动判断时，如果整个光谱曲线强度最高点仍低于此值，则不用进行光谱自动调整，直接提示光路污染，因为此时即使调整到4.98V、10次脉冲也无法满足光谱要求。图十二：光谱判断及调整相关参数设置界面四、常见的光谱问题：目前，对于OMA-2000在CEMS系统上的应用来说，出现过的光谱问题包括光谱强度不足、光谱扭曲和光谱不稳定。4.1 光谱强度不足：造成光谱强度不足最主要的因素是气体室的透镜污染，而可能导致气体室透镜污染的原因包括以下几点：1、 反吹仪表风内含液态水。此种情况下，当系统反吹时，液态水进入伴热管，并吸附部分SO2，使水分带有一定的酸性。当反吹结束后，采样电磁阀开启，部分还没有来得及气化的水分被抽入气体室，附着在透镜上，从而造成污染。而且随着反吹次数的增多，酸性水分也会对测量池造成腐蚀，产生的锈粉也很可能附着在透镜上。另外，反吹电磁阀和采样电磁阀也会因腐蚀而大大降低使用寿命。液态水及腐蚀污染的情况下，光谱通常会降得很低，严重时通过调整氙灯电压及脉冲次数根本无法恢复正常，此时的处理措施只能是更换气体室，并在解决仪表风含液态水问题后才能再行开机。2、 探头过滤器滤尘不净。CEMS2000在气体室前只有一级过滤器，安装在探头上，如果此过滤器密封不严或出现碎裂现象，烟气中的粉尘将被吸入测量池，并部分附着在透镜表面，造成光谱下降。这种下降短期内通过光强调节可以满足测量要求，但长期解决方案仍然是在修复过滤器后更换新的气体室。另外，探头过滤器滤尘不净最大的危害并不是造成光谱下降，而是堵塞射流泵（S型）或损坏隔膜泵（F型），从而造成系统瘫痪。3、 仪表风内存在赃物。原因与第一点相似，反吹过后赃物会被吸入气体室，从而污染透镜，造成光谱下降。因此工程人员在系统运行前一定要先将仪表风放空一段时间，确保管道内堆积的赃物排净。如仪表风长期通气仍有赃物产生，则此仪表风绝不能在系统上使用。除气体室污染外，光纤老化和氙灯透镜污染也曾造成过系统的光谱能量不足，不过这两种情况随着设计改进已经消除。4.2 光谱扭曲：造成光谱扭曲的主要原因包括光路中机械零件发生形变、光纤老损以及油性物质污染气体室的透镜。所谓的