气体浓度与颗粒物浓度在线同步测量系统研究

发布时间：2020-10-22 20:07

　　 煤炭等化石燃料燃烧产物如碳氧化物、氮氧化物及烟尘颗粒是大气污染的主要诱发因素,2015年火电厂超低排放标准全面实施,要求烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不超过5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。因此,研发能够准确快速测量气体组分浓度及颗粒物浓度的技术与设备对于环保部门监督监管、控制污染物排放具有十分重要意义。而能够同时对气体浓度与颗粒物浓度进行在线测量的仪器尚处于空白状态。本文针对烟气排放中的测量问题提出了气体浓度与颗粒物浓度在线同步测量系统的设计方案,为气体组分浓度与颗粒物浓度的同时检测提供了一种解决方案。针对上述问题,本文开展了如下研究工作:1、提出了一种气体浓度与颗粒物浓度同步测量方法。根据气体浓度测量与颗粒物浓度测量各自特点,将气体浓度测量光路与颗粒物浓度测量光路进行了耦合,利用包含气体吸收信息的散射光同时测量气体浓度与颗粒物浓度,并通过实验分别对有无颗粒物情况下的甲烷气体浓度进了测量,证明了气体与颗粒物浓度测量值互不干扰,具有一定的独立性,为同步测量方法提供了实验基础。2、提出了基于散射光调制的颗粒物浓度测量方法。将散射光信号的幅值调制到高频,通过正交解调得到包含颗粒物浓度信息的散射光幅值,该方法克服了传统颗粒物测量装置采用非调制光强测量颗粒物浓度时易受低频噪声干扰的缺点。此外,针对光散射法测量颗粒物浓度过程中光束路径上消光效应的影响进行了仿真,仿真结果表明在低颗粒物浓度范围内,即本文测量对象浓度所在范围0.1~10mg/m~3,消光效应带来的光强损失仅为0.495%,影响较小可忽略不计。3、研究设计了以FPGA为数据处理与控制核心的气体浓度与颗粒物浓度在线同步测量系统硬件电路与软件。硬件电路完成了从激光器温度电流控制电路到DAC数模转换电路再到FPGA数据处理控制系统的开发工作,并加入以太网传输电路以实现与其他设备的交互,采用紧凑的方式将主要电路集成在一块印刷电路板上,实现了仪器的小型化。软件部分开发实现了DDS信号发生功能与信号的正交解调,在低通滤波器的FPGA实现过程中采用了双通道低通滤波器的方式,解决了处理速度与资源占用之间的平衡问题。在数据流处理中应用了“乒乓操作”,实现了数据流的无缝缓存与处理。4、结合软硬件对系统各个模块进行测试与调试工作,主要完成了气体浓度与颗粒物浓度同步测量实验,实验结果表明测量系统工作稳定,能够在对气体浓度与颗粒物浓度的测量中表现出良好的性能。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X84
【部分图文】：

1.1 课题研究背景及意义2018 年是改革开放 40 周年，经过 40 年的建设，国民经济迅猛发展，截至 2016 年，中国的 GDP 总量已经达到了 11.2 万亿美元（现价美元），紧随美国之后位列世界第二。随之而来的，环境污染问题也日益凸显，而人们也表现出对生态文明建设的高度重视。2018 年政府工作报告指出，要推进污染防治取得更大成效，巩固蓝天保卫战成果[1]。我国大气污染源主要有燃料燃烧、工业生产、交通运输尾气等，如图 1-1 所示，尤其煤炭等化石燃料燃烧产物如 CO2、CO、NOx及烟尘颗粒是大气污染的主要诱发因素。2015 年“新环保法”开始施行，要求烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不超过 5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。经过修订的大气污染防治法也在 2016 年开始全面实施。排污监管因为基本法的陆续出台受到社会各界的广泛关注，大气污染治理市场的整体活跃度也走上了新的台阶[2][3]。火电厂烟气排放标准进一步下调及相关政策密集出台，标志着超低排放改造市场开始启动。为方便环保部门监督管理使污染物的排放降到最低，研究制造能准确快速地测量气体浓度及颗粒物浓度的技术与设备迫在眉睫[4][5][6]。因此，开发研究气体浓度与颗粒物浓度在线同步测量系统有着重要的科学意义和应用前景。

东南大学硕士学位论文研究现状纪六十年代中期，铅盐可调谐二极管的出现，而到二十世纪九十术蓬勃发展，DFB 和 VCSEL 激光二极管价格走低，随之而来地参数的测量成为研究热点。DFB 激光器与光纤耦合方便，使用寿内气体检测需要。TDLAS 技术的研究工作借此机会大量开展。CH4等常见气体在红外光谱范围内均具有特征吸收谱线，如图 1

为质量厚度。β射线法测量装置示意图如图1-3所示。样气在质量流量控制器的作用下通过滤纸，颗粒吸附在滤纸上，传送轮为滤纸提供动力经过放射测量区，14C 发射出的 β 射线经过滤纸上颗粒的“吸收”引起 GM 管（盖革计数管）的信号变化，再经过信号处理得到颗粒质量浓度。图 1-3 β 射线法测量装置示意图β 射线法测量范围宽，不受颗粒物理特性的影响，工作可靠，可实现连续测量，但β 射线能穿透皮肤，引起放射性伤害，因此需要增加屏蔽措施以消除安全隐患。(2) 非取样法非取样法顾名思义无需对待测对象进行采样，可直接对颗粒物进行测量，不会对测量对象产生扰动，对比取样法具有连续性好、可实时测量的优点。1. 黑度法19 世纪林格曼提出黑度法[43]
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 张立芳;王飞;俞李斌;严建华;岑可法;;基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究[J];光谱学与光谱分析;2015年06期

2 刘小虎;;透射法粉尘浓度测量标定技术研究[J];机械与电子;2014年10期

3 李汉超;刘士兴;鲁迎春;黄俊杰;;光电二极管低噪声放大电路的设计[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2014年08期

4 刘宗铭;卓振泰;何明华;;基于ENC28J60的以太网接口的设计与实现[J];电子器件;2013年06期

5 王广宇;洪延姬;潘虎;宋俊玲;;可调谐半导体激光吸收传感器的温度测量验证[J];红外与激光工程;2013年09期

6 张海丹;王飞;邢大伟;许婷;姜治深;严建华;岑可法;;采用激光吸收光谱测量高温条件下CO体积分数及其影响因素的研究[J];动力工程学报;2013年06期

7 张帅;刘文清;张玉钧;阮俊;阚瑞峰;尤坤;于殿强;董金婷;韩小磊;;基于激光吸收光谱技术天然气管道泄漏定量遥测方法的研究[J];物理学报;2012年05期

8 陶波;叶景峰;赵新艳;张立荣;胡志云;叶锡生;;基于激光吸收光谱技术测量瞬态超声速流场温度[J];中国激光;2011年12期

9 陶波;赵新艳;胡志云;叶景峰;张立荣;叶锡生;刘晶儒;;基于可调谐二极管激光吸收光谱波长调制技术在线测量燃烧场温度[J];强激光与粒子束;2011年06期

10 杨斌;何国强;刘佩进;齐宗满;潘科玮;;利用TDLAS技术开展吸气式发动机来流热试实验参数测量[J];中国激光;2011年05期

相关博士学位论文 前1条

1 邢键;基于光后向散射法的烟尘浓度测量技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

本文编号：2852041