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GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用

谢耀 华道柱 齐宇 沈婷婷 刘振强 叶华俊 刘维屏

谢耀, 华道柱, 齐宇, 沈婷婷, 刘振强, 叶华俊, 刘维屏. GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1378-1386. doi: 10.37188/CO.2021-0064
引用本文: 谢耀, 华道柱, 齐宇, 沈婷婷, 刘振强, 叶华俊, 刘维屏. GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1378-1386. doi: 10.37188/CO.2021-0064
XIE Yao, HUA Dao-zhu, QI Yu, SHEN Ting-ting, LIU Zhen-qiang, YE Hua-jun, LIU Wei-ping. Applications of GFC-IFC in trace multi-component gas analysis[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1378-1386. doi: 10.37188/CO.2021-0064
Citation: XIE Yao, HUA Dao-zhu, QI Yu, SHEN Ting-ting, LIU Zhen-qiang, YE Hua-jun, LIU Wei-ping. Applications of GFC-IFC in trace multi-component gas analysis[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1378-1386. doi: 10.37188/CO.2021-0064

GFC-IFC技术在多组分微量气体分析中的应用

基金项目: 中央引导地方科技发展资金项目(No. 2021ZY1028)
详细信息
    作者简介:

    谢 耀(1982—),男,浙江兰溪人,副研究员,2005年、2007年、2011年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士、博士学位,2019年7月博士后进站聚光科技(杭州)股份有限公司工作站和浙江大学环境科学与工程流动站,主要从事光电探测和光谱学方面的研究。E-mail:xie_yao3@163.com

  • 中图分类号: TH741

Applications of GFC-IFC in trace multi-component gas analysis

Funds: Supported by Central Government′s Guidance for Local Science and Technology Development Funds (No. 2021ZY1028)
More Information
  • 摘要: 针对固定污染源烟气超低排放以及CO2等温室气体迫切的监测需求,常规的烟气在线监测产品很难满足越来越高的监测标准,以及多因子同时监测的需求。本文介绍了基于非分散红外原理的多组分微量气体分析系统,建立气体滤波相关(GFC)和干涉滤波相关(IFC)技术的理论模型,以建立有效光程、滤光片中心波长和带宽等关键系统参数,以及待测气体浓度与测量和参考信号的关系,确定各气体组分所采用的测量技术。构建多组分微量气体分析系统,GFC和IFC相结合的技术,在时域上实现了参考和检测的双光路设计,采用长光程的多次回返气体室,实现小量程和0.5 mg/m3的检出限,以及不超过±2%F.S.的24 h零点和量程漂移,可同时在线监测SO2、NO、NO2、CO和CO2等气态污染物,满足固定污染源超低排放和碳排放的监测需求,有助于解决固定污染源烟气排放监测数据的真实、准确和全面的问题。

     

  • 图 1  (a) GFC和(b) IFC的技术原理示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of (a) GFC technique and (b) IFC technique

    图 2  归一化的黑体辐射能量分布

    Figure 2.  Normalized energy distribution of black-body radiation

    图 3  NO和NO2的吸收截面

    Figure 3.  Absorption cross sections of NO and NO2

    图 4  GFC和IFC模型中,NO测量信号和参考信号之比随浓度的变化情况

    Figure 4.  The ratio of the measurement to the reference signal of NO varying with gas density at GFC model and IFC model

    图 5  GFC和IFC模型中,NO2测量信号和参考信号之比随气候浓度的变化情况

    Figure 5.  The ratio of the measurement to the reference signal of NO2 varying with gas density at the GFC model and IFC model

    图 6  多组分气体分析系统构成

    Figure 6.  Composition of multi-component gas analysis system

    图 7  分析系统中光学系统示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of the optical system for the proposed system

    图 8  光机系统结构示意图

    Figure 8.  Structure diagram of the optical mechanical system

    图 9  待测气体特征吸收光谱

    Figure 9.  Characteristic spectra of the gas to be measured

    图 10  气体池吸光度曲线。(a) NO吸光度曲线;(b) N2吸光度曲线

    Figure 10.  Absorption of (a) NO and (b) N2 gas cell

    图 11  系统硬件框图

    Figure 11.  Block diagram of system hardware

    图 12  分析系统 (a) NO2、NO、CO和SO2的零点噪声及(b)CO2的零点噪声

    Figure 12.  Zero noise of (a) NO2、NO、CO、SO2 and (b) CO2 of analysis system

    图 13  分析系统的现场运行情况

    Figure 13.  In-situ operation of the analysis system

    表  1  分析系统的量程

    Table  1.   Span of multi-component analysis system

    气体名称量程
    SO2/(mg·m−3)0~50
    NO/(mg·m−3)0~100
    NO2/(mg·m−3)0~50
    CO/(mg·m−3)0~100
    CO2/(%)25
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    表  2  分析系统的检出限

    Table  2.   Detection limit of the multi-component analysis system

    不同气体检出限
    SO2/(μg·m−3)50
    NO/(μg·m−3)350
    NO2/(μg·m−3)120
    CO/(μg·m−3)130
    CO2/(%)0.05
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    表  3  分析系统的零点和量程漂移

    Table  3.   Zero and span drift of multi-component analysis system

    24 h漂移(%F.S.)
    零点量程
    NO1.48−1.06
    NO2−0.550.61
    CO20−0.71
    CO0.40.49
    SO21.851.27
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  • [1] 李相贤, 徐亮, 高闽光, 等. 分析温室气体及CO2碳同位素比值的傅里叶变换红外光谱仪[J]. 光学 精密工程,2014,22(9):2359-2368. doi: 10.3788/OPE.20142209.2359

    LI X X, XU L, GAO M G, et al. Fourier transform infrared greenhouse analyzer for gases and carbon isotope ratio[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(9): 2359-2368. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20142209.2359
    [2] 张志荣, 夏滑, 董凤忠, 等. 利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在线监测多组分气体浓度[J]. 光学 精密工程,2013,21(11):2771-2777. doi: 10.3788/OPE.20132111.2771

    ZHANG ZH R, XIA H, DONG F ZH, et al. Simultaneous and on-line detection of multiple gas concentration with tunable diode laser absorption spectroscopy[J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(11): 2771-2777. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20132111.2771
    [3] 季文海, 吕晓翠, 胡文泽, 等. TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用[J]. 光学 精密工程,2018,26(8):1837-1845. doi: 10.3788/OPE.20182608.1837

    JI W H, LÜ X C, HU W Z, et al. Application of TDLAS technology to multicomponent detection in olefin production process[J]. Optics and Precision Engineering, 2018, 26(8): 1837-1845. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20182608.1837
    [4] SUN Y W, LIU W Q, WANG SH M, et al. Method of sensitivity improving in the non-dispersive infrared gas analysis system[J]. Chinese Optics Letters, 2011, 9(6): 060101. doi: 10.3788/COL201109.060101
    [5] 徐驰, 刘娟, 居力, 等. 非分散红外法应用于在用柴油车NOx排放检测的研究[J]. 中国环境监测,2019,35(3):28-33.

    XU CH, LIU J, JU L, et al. Research of NDIR applied on measuring NOx emission from in-use diesel vehicles[J]. Environmental Monitoring in China, 2019, 35(3): 28-33. (in Chinese)
    [6] 刘通浩, 张守斌, 敬红, 等. 甲烷对非分散红外吸收法测定固定污染源废气中二氧化硫的干扰[J]. 中国环境监测,2020,36(6):143-149.

    LIU T H, ZHANG SH B, JING H, et al. Study on the interference of methane to the determination of sulfur dioxide in stationary pollutant exhaust gas by non-dispersive infrared absorption method[J]. Environmental Monitoring in China, 2020, 36(6): 143-149. (in Chinese)
    [7] 李唐安, 李世阳, 张家明, 等. 基于Goertzel算法的红外气体检测方法[J]. 红外与激光工程,2019,48(3):0304003. doi: 10.3788/IRLA201948.0304003

    LI T A, LI SH Y, ZHANG J M, et al. Infrared detection method of gas based on Goertzel algorithm[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(3): 0304003. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA201948.0304003
    [8] 高颖, 戴连奎, 朱华东, 等. 基于拉曼光谱的天然气主要组分定量分析[J]. 分析化学,2019,47(1):67-76. doi: 10.1016/S1872-2040(18)61135-1

    GAO Y, DAI L K, ZHU H D, et al. Quantitative analysis of main components of natural gas based on Raman spectroscopy[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2019, 47(1): 67-76. (in Chinese) doi: 10.1016/S1872-2040(18)61135-1
    [9] 聂新明, 陈正毅, 宗成华, 等. 环境中挥发性污染物现场快捷检测系统研究[J]. 分析化学,2020,48(8):981-989.

    NIE X M, CHEN ZH Y, ZONG CH H, et al. A rapid on-site detection system for volatile pollutants in environment[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2020, 48(8): 981-989. (in Chinese)
    [10] 温国基, 戴连奎, 刘薇, 等. 基于遗传算法与线性叠加模型的混合物组成拉曼光谱定量分析[J]. 分析化学,2021,49(1):85-94.

    WEN G J, DAI L K, LIU W, et al. Raman spectroscopic quantitative analysis based on genetic algorithm and linear superposition principle[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2021, 49(1): 85-94. (in Chinese)
    [11] 孙友文, 刘文清, 汪世美, 等. 非分散红外多组分气体检测技术及其在CEMS中的应用[J]. 红外,2011,32(5):23-26. doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2011.05.005

    SUN Y W, LIU W Q, WANG SH M, et al. Non-dispersive infrared multi-component gas analysis technology and it’s application in CEMS[J]. Infrared, 2011, 32(5): 23-26. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-8785.2011.05.005
    [12] 叶刚, 赵静, 陈建伟. 基于NDIR原理的多组分气体在线监测系统的设计与实现[J]. 计算机应用与软件,2019,36(8):115-119, 188. doi: 10.3969/j.issn.1000-386x.2019.08.021

    YE G, ZHAO J, CHEN J W. Design and implementation of multicomponent gas online monitoring system based on NDIR[J]. Computer Applications and Software, 2019, 36(8): 115-119, 188. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-386x.2019.08.021
    [13] 熊涛, 高明, GIBSON D, 等. 新型光室结构的主流式NDIR呼吸CO2监测系统[J]. 红外与激光工程,2020,49(6):20190575. doi: 10.3788/irla.30_2019-0575

    XIONG T, GAO M, GIBSON D, et al. Mainstream NDIR breathing CO2 monitoring system based on new light chamber structure[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20190575. (in Chinese) doi: 10.3788/irla.30_2019-0575
    [14] SEBACHER D I. A gas filter correlation monitor for CO, CH4, and HCL[R]. NASA Technical Papers 1113. Langley Station: National Aeronautics and Space Administration, 1977: 10.
    [15] 司福祺, 刘建国, 刘文清, 等. 基于气体相关滤波技术的非分散红外CO气体监测系统的研究[J]. 量子电子学报,2004,21(4):425-428. doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2004.04.006

    SI F Q, LIU J G, LIU W Q, et al. Non-dispersive infrared instrument based on gas filter correlation technology for atmospheric CO monitoring[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2004, 21(4): 425-428. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2004.04.006
    [16] 陈晓宁, 刘建国, 司福祺, 等. 气体滤波相关技术在红外甲烷监测系统中的应用[J]. 光电工程,2008,35(4):49-52.

    CHEN X N, LIU J G, SI F Q, et al. Application of gas filter correlation technique in IR monitoring system of methane[J]. Opto-Electronic Engineering, 2008, 35(4): 49-52. (in Chinese)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-19
  • 修回日期:  2021-05-25
  • 网络出版日期:  2021-06-02
  • 刊出日期:  2021-11-19

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