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DOAS方法的多特征谱解析及应用

作　者: 张慧敏
导　师: 徐可欣
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 差分光学吸收光谱技术(DOAS) 烟气排放连续监测系统(CEMS) 烟气监测颗粒物
分类号: X831
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 92次
引　用: 2次
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内容摘要

大气质量的优劣直接影响着生态平衡和人类健康,因此监测和控制大气污染源的排放具有相当重要的意义。为了实现对固定污染源中气态污染物(SO2、NOx)和颗粒物的同时在线连续监测,本文对差分光学吸收光谱(DOAS)技术做了进一步的拓展,并设计了基于该方法的固定污染源烟气排放连续监测系统(CEMS)。本文主要内容如下:1.提出了DOAS方法的多特征谱解析,对于光谱中包含的各种信息的不同特性进行分析,得出它们对于吸收光谱的影响。吸收光谱依据随波长和时间变化的快慢,可分离为快波、中快波、中慢波和慢波四个部分,分别与仪器噪声、气体污染物的特征吸收、颗粒物扰动和仪器漂移具有很高的相关性,实现了对烟气中气态污染物和颗粒物浓度的同时监测。2.根据固定污染源中气态污染物及颗粒物的光谱特性,提出了基于DOAS方法的CEMS系统的总体设计,并分别介绍了其中的光学系统、电路系统、机械结构、工控机及软件设计。对于光学系统中的准直系统进行了设计,基于分光系统的参数计算系统光谱分辨力为0.102nm。针对系统工作的恶劣环境,进行了消除杂散光、防潮、防尘、防震及恒温等多方面的设计。最后利用内置角锥镜、遮光板、标准气体样品池及低压汞灯进行了系统的标定。3.提出了利用DOAS方法监测气态污染物和颗粒物的数据处理方法,分为两条主线:建模实验和实际测量。在建模试验中,利用浓度呈梯度分布的单一气体进行测量,通过Savitzky-Golay数字滤波器从吸收光谱中提取快波,计算出基准吸收系数。利用基准截面计算所得的浓度与实际浓度进行多项式拟合,建立拟合公式。利用已知的气体浓度,排除中慢波中气体的影响,对颗粒物浓度建模。在实际测量中,从预处理后的吸收光谱中得到中快波,利用最小二乘法计算基准截面下的浓度,再代入拟合公式中得到真实的气态污染物浓度。之后排除中慢波中气体的影响,求出颗粒物浓度。应用光谱平移和拉伸校正,使算法具有更好的适用性。4.分析了系统中影响测量精度的因素,如温度、流速、分辨力等,提出了相应的改进措施。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-16
  1.1 固定污染源排放监测的目的和意义  8-10
  1.2 现有烟气在线检测方法  10-12
    1.2.1 气态污染物的检测  10-11
    1.2.2 颗粒物浓度监测  11-12
  1.3 差分光学吸收光谱（DOAS）方法  12-14
    1.3.1 DOAS 方法发展史  12-13
    1.3.2 研究现状和发展趋势  13-14
  1.4 本课题研究的意义和目的  14
  1.5 本文内容  14-16
第二章差分光学吸收光谱技术原理  16-24
  2.1 差分光学吸收光谱技术的原理  16-19
    2.1.1 Lambert-Beer 定律  16-17
    2.1.2 DOAS 方法的基本原理  17-18
    2.1.3 DOAS 方法的特点  18-19
  2.2 烟气成分及特征分析  19-21
  2.3 DOAS 方法的多特征谱解析  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第三章系统结构设计  24-38
  3.1 系统设计要求  24-25
  3.2 系统总体设计  25-34
    3.2.1 CEMS 概述  25-26
    3.2.2 光学系统设计  26-31
    3.2.3 电路系统设计  31-32
    3.2.4 机械结构设计  32-33
    3.2.5 工控机及软件  33-34
  3.3 系统标定  34-36
    3.3.1 光谱仪工作谱段标定  34-35
    3.3.2 测量背景的周期性校正  35-36
    3.3.3 系统标定  36
  3.4 本章小结  36-38
第四章实验与数据处理分析  38-58
  4.1 数据处理方法  38-42
    4.1.1 Savitzky-Golay 数字滤波技术  38-40
    4.1.2 多元线性回归和最小二乘拟合  40-42
  4.2 气体浓度测量实验  42-52
    4.2.1 单一实验气体建模实验  42-49
    4.2.2 混合气体测量实验  49-52
  4.3 颗粒物浓度测量  52-54
  4.4 实验结果分析  54-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章总结与展望  58-60
  5.1 全文总结  58-59
  5.2 展望  59-60
参考文献  60-64
发表论文和参加科研情况说明  64-65
致谢  65

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