激光光谱法连续自动监测环境空气气态污染物（氨）

环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统

1       概述

本方案阐述了北京大方科技有限责任公司研发、生产的DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统的技术指标、测量原理、系统组成、特点。

DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统具有检测下限低、响应时间快、测量精度高、稳定性高、可靠性高、不受背景气体干扰、易维护等特点，特别适用于环境空气中低浓度氨的在线监测。

2       技术指标、系统功能

2.1 技术指标

DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统的主要技术指标如下：

表1.1 分析系统技术参数表

DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统的主要功能如下：

（1）校准功能：系统具有自动校准和手动校准功能。

（2）显示、设置系统时间。

（3）显示工作状态。

（4）显示实时数据。

（5）存储数据。

（6）历史数据查询。

（7）数据平均：分钟平均、小时平均、日平均、月平均。

（8）数字信号输出。

（9）中文数据采集和控制软件。

（10）报表生成、打印。

（11）掉电数据自动保存。

3       测量原理

3.1 可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）

北京大方科技有限责任公司研制开发的DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统采用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）进行气体的测量，以可调谐激光器作为光源，发射出特定波长激光束，穿过待测气体，通过探测器接收端将光信号转换成电信号，通过分析因空气中NH₃分子吸收导致的激光光强衰减，实现高灵敏快速精确监测空气中氨气的浓度。由于激光谱宽特别窄（小于0.0001nm），且只发射NH₃分子吸收的特定波长，使测量不受测量环境中其它成分的干扰。如图1所示，激光具有极高的光谱分辨率，可精确测量氨气的吸收谱线。3.2 长光程开放式

根据朗伯比尔定律，激光吸收光谱技术的测量精度与测量光程成正比，光程越长，测量精度越高。北京大方科技有限责任公司研制、生产的DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统采用开放式避免抽取过程中氨的吸附和损失，大大提高了测量精度。

3.3 波长调制技术

可调二极管激光吸收光谱技术可以分为两类：直接吸收光谱技术和波长调制吸收光谱技术，DLGA-3500环境空气气态污染物（氨）连续自动监测系统采用波长调制吸收光谱技术，见图2，在激光器的锯齿波驱动电流上叠加高频调制正弦信号，探测到的信号经过锁相放大后解调出二次谐波信号，以计算气体的浓度信息，与直接吸收光谱技术相比，波长调制技术提高了检测精度及灵敏度，测量、计算在高频域，不受低频（例如：振动、低频电磁干扰）的噪声影响，系统的稳定性更高。

 4       系统组成

4.1    组成及框图

4.2.1 硬件组成

数据采集、数据传输单元由工控机、数据传输模块、软件、数据库组成。

工控机：采用IPC-510。

4.2.2 数据采集软件

数据采集软件运行于IPC-510上，用于采集、处理和存储监测数据，并能按中心计算机指令传输监测数据和设备工作状态信息。

数据采集软件具有显示数据功能，主界面显示运行状态、实时数据、实时曲线、时间等，能够显示仪器内部工作状态的参数信息，并实时记录系统的工作状态信息，软件主界面显示实时数据及实时数据曲线，软件采用中文界面。

4.2.3 数据传输

系统支持RS485、以太网、wifi等多种通信链路，支持modbus、HJ212协议。

4.3    发射单元

4.3.1 发射单元组成

发射单元完成激光器驱动、探测信号处理、计算浓度值，包括：电源模块、数据处理板、通信板、分光器、激光器、参比池，含有激光准直、探测等高精度光学器件。

4.3.2 电源模块

电源模块完成AD-DC转换及DC-DC转换，输出+24V直流电源供数据处理板、通信板使用。

4.3.3数据处理板

数据处理板采用32位ARM作为核心处理器，板上功能模块包括：

（1）电源AD-DC转换，DC-DC转换；

（2）高精度压控恒流源输出电路，用于激光器驱动电流生成；

（3）信号发生电路，用于激光器扫描及调制信号生成；

（4）激光器温度控制电路，用于激光器恒温控制；

（5）微弱信号提取及放大电路；

（6）ARM 32位微处理器，用于数字信号处理、浓度计算等。

4.3.4 通信板

通信板上的功能模块：

（1）RS232电路；

（2）RS485电路；

（3）4-20mA电流环电路；

（4）干接点信号输入、输出电路。

4.3.5 分光器

分光器将激光器的光束分束，一束用于测量的输入，一束用于参比气室的输入。

4.3.6 激光器

系统采用可调谐半导体激光器。

4.3.7 参比池

参比池中密封氨标准物质，用于实时波长锁定。

4.3.8 准直

发射光准直器件。

4.3.9 探测

返回光探测。

4.4    反射单元

系统反射单元由多个高精度反射镜、温度控制、加热器、外罩等组成。

4.5    校准装置

校准采用固定长度气室进行，校准装置由光开关、密封气室、可通气气室等组成。

自动校准时一次将将量程20%标气的密封气室、量程80%标气气的密封气室推接入光路，进行自动校准。

5       安装及调试

5.1 安装

系统安装步骤主要包含发射单元安装、反射单元安装、数据采集及传输单元安装、校准装置安装、接线盒安装。

5.2 调试

5.2.1 接线盒接线

系统接线盒安装完成后现场需要接入的线缆见图19中的红色字体内容，现场需要接入AC220V供电线缆，RS485信号电缆接到数据采集及传输单元，接线盒其他线缆出厂前已接好，现场勿动。

5.2.2 发射单元接线及人工标定气管

发射单元内部接线采用航空插头及配套线缆连接，电缆连接完成后，连接光纤，如需人工标定通过标气入口接入标气。

5.2.3 反射单元接线

反射单元需要现场提供AC220V电源，额定功率＜2kW。端子X1:1接入外部供电L，端子X2:1接入外部供电N，X2:6接入外部供电地。

5.2.4 调光

由我司工作人员调试并提供现场培训。

6       技术优势

（1）直接测量

系统采用可调谐半导体激光吸收光谱技术，直接测量NH₃分子对特定波长光强的吸收，计算NH₃的浓度，无需进行NH₃向其它的物质转换，避免了因转换效率等因素影响的测量准确度，不需要定制的转换设备的维护和更换，准确度更高，运行维护成本更低。

（2）无干扰

系统采用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行气体的测量，以可调谐激光器作为光源，发射出特定波长激光束，由于激光谱宽特别窄（小于0.0001nm），且只发射待测气体吸收的特定波长，使测量不受测量环境中其它成分的干扰，相较宽光谱测量设备具有更高的准确性，和抗干扰能力。

（3）无损失

系统采用开放式光路设计，测量光直接在测量的区域发射、反射及接收，不需要采样、过滤等预处理，测量过程中无任何的NH₃吸附、损失。

（4）快速

系统无需取样、转换等过程，采用光学方法直接测量，响应时间更快。

（5）无漂移

系统内部包含有自动校准装置，可在无人值守情况下自动校准。

（6）可靠性高

系统无任何运动部件，极大地增强了可靠性。

（7）无人值守

系统反射端设计有保护装置，软件设计有故障诊断、保障自动报警等功能，更适合无人值守场景应用。

（8）国产自主知识产权

我司在TDLAS技术领域、NH₃测量领域具有多项发明专利、软件著作权，本系统为我司拥有自主知识产权研制产品，产品性价比更高，售后服务更系统全面。