工业过程气体在线监测技术研究与系统设计

发布时间：2017-12-15 20:25

  本文关键词：工业过程气体在线监测技术研究与系统设计

  更多相关文章： 工业过程 在线监测 可调谐半导体激光吸收光谱 直接吸收 波长调制 二次谐波 全量程

【摘要】：可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)和其他气体检测技术相比具有显著的优势:测量灵敏度高、不受其他气体交叉干扰、响应时间短、无需介入流场,可以实现工业原位实时在线测量,因而得到了迅速发展。随着半导体激光技术和工艺进步,TDLAS技术在大气化学研究、污染气体监测、医疗诊断、工业过程监控、燃烧诊断、食品安全检测等各个领域都有着广泛的应用,并且朝着多参数、多组分同时测量的方向发展,不断开辟新的应用领域,研究和开发基于该项技术气体分析仪器具有重大的社会效益和经济效益。论文首先将TDLAS技术用于工业过程氧气浓度在线监测,设计了基于波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy)的在线气体分析仪,实现了0～21%量程氧气在线测。论文详细阐述了系统各部分硬件电路设计及相关测试;软件部分则讨论了数据预处理,系统背景噪声来源及扣除,对比分析了各种浓度反演算法和光强修正方法对测量结果的影响。文中特别强调了光机设计对系统精度的影响,光机重复性试验及一系列仪器性能试验都表明论文设计的氧气监测系统与市场主流产品性能相当,可以用于工业现场安全监控及过程控制。根据2016年国家安全生产监督管理总局出台的新版《煤矿安全规程》,其中明确建议在煤矿安全监控系统中使用光学类全量程甲烷传感器。基于激光吸收光谱的甲烷传感器具有无法取代的优势,因此论文开创性的采用了波长调制光谱技术(WMS)和直接吸收光谱(Direct Absorption Spectroscopy)技术相结合的方法,在仪器的测量精度和动态范围之间找到平衡点,既保证了测量精度,又实现了全量程测量。论文详细介绍了系统硬件设计方案,叙述了单板电路如何实现激光器驱动及调制、谐波信号检测、浓度反演及红外通信。甲烷传感器软件设计比较简单,主要考虑系统可靠性及异常后快速恢复能力;针对甲烷传感器的特殊应用场合,论文进行了响应时间测试,线性度、检测限、稳定性等相关测试,最后分析了传感器在高浓度测量时误差过大的原因。性能实验表明论文设计的传感器在全量程测量时满足AQ6211-2008(煤矿用非色散红外甲烷传感器)中关于B类传感器的规范要求。另外,本文设计的甲烷传感器具有接近150ppm(partpermillion)的检出限,优于市场上绝大多数的全量程甲烷传感器。最后论文对两种仪器的性能做了总结,指出当前试验和测试的不足,就如何提高仪器测量精度和适用范围展开讨论。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274

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本文编号：1293345