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长光程空气质量自动监测仪原理及常见问题浅析 238江西化工2008年第4期 长光程空气质量自动监测仪原理及常见问题浅析 刘澍曾凡萍何敏方丹 (萍乡市环境监测站江西萍乡337000) 摘要:长光程空气质量自动监测仪是用来监测大气中各种污染物含量的专用仪器. 采用国家环保部认可和美国环境保护署(USEPA)推荐的方法.利用光学差分吸收光谱技术 研制而成,差分吸收光谱(DOAS,DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)技术国外已广 泛用于环境监测.国内电已形成产业.我站引入国产长光程系统(安徽铜陵)开展污染气 体(SO,NO)24小时连续监测.本文就我站在使用国产长光程大气监测系统过程中出现 的一些常见问题进行剖析,以供参考. 关键词:空气质量监测长光程常见问题分析处理 l引言 大气污染物中的主要气体成分包含SO,NO,NO, 03,CO,C02等,随着工业和交通运输的迅速发展,空气 污染日趋严重,因此大气污染成分的自动监测也越来 越受到重视.长光程吸收光谱空气质量监测是一种比 较成熟的方法,这种方法已经运用了很长一段时间.特 别是在欧洲和美国.但近年来人们发现其在测定的准 确性,长期工作的稳定性等方面存在不少问题.为了 解决这些问题,2O世纪70年代末,Platt和Perner”提出 了一种新的监测方法——差分吸收光谱法(DOAS).用 于测量大气中的痕量气体浓度,即利用光线在大气中 传输时各种气体分子在不同波段有不同差分吸收的特 性来反演这些气体在大气中的浓度.差分法在一定程 度上提高了长光程吸收光谱法测定的准确性,改善了 空气质量监测系统的一些性能¨2】.但仍存在一些『口J题, 有必要对其进行深入分析.从而找到解决问题的途径. 本文对长光程(DOAS)空气质量自动监测仪使用过程中 常见问题进行了分析评述. 2基本原理及系统组成 2.1长光程吸收光谱法基本原理 根据朗伯一一比尔定律,光强探测器所接收到的 光强为: I()=Io()exp[一Izt.()C]……………………(1) 其中,为波长.10()是光源发出的初始光强.I ()是经过距离L(光程)传输后的光强,oi()是气体 的吸收系数,C是吸收气体的浓度.C就可以从实验中 测量并计算: C=1n{Io(X/I()!/()………………………(2) 2.2差分吸收原理 差分吸收法{]将气体的吸收系数oi()理解为慢变 吸收系数a(A)和差分吸收系数d()的迭加: d()=d()+d()……………………??……-(3) 吸收定律的差分处理可以表示为: I(.d)=Io()exp{一[d()+d’()LC]} = lo(k)exp[一a(k)LC]exp[一o(k)LC]………(4) 令I’0()=Io(X)exp[一o(X)LC],有: I(,d)=I’()exp[一d’()Lc]………………(5) 若将所有的因素都考虑进去并且同时测多种气 体,光强探测器所接收到的光强应为: I(k,):I.()expfJ0一,≥.-(,P,T’+ER’l+B(X),c)=10(){-=‘‘}+) 【+￡M()]Ci(￡)d(‘)j ………………………………………………-一 (6) 其中,oi(,P,T)是第i种气体的吸收系数.它与 波长,压力和温度有关,L表示光程,Ci(】)是第j种气 体在光路上的浓度,n是所测气体的种类.一般为2～ 10,sR(x)是瑞利散射系数,￡M()表示米散射系数,B ()是各种噪声和其他作用之和.从式(6)可以看出有 很多因素影响测量结果,如光的波长,压强,温度,瑞利 散射,米散射,光程和气候条件等. 2.3系统组成 长光程(DOAS)空气质量自动监测系统由三大块组 成:发射与接收系统,测量设备系统,数据记录与处理 系统,如图1所示. 主镜玻挂丑灯豆射慌 图l典型长光程吸收光谱装置图 Fig.1Typicallonglight—pathabsorptiOnspectroscopy 光源产生光辐射,通过望远镜系统准直传输到大 2008年I2月长光程空气质量自动监测仪原理及常见问题浅析239 气路径,在另一端安装一个角反射镜将其反射回来. 一 部分光经过反射进人望远镜接受通道口而聚焦在光 纤维的入射窗,光纤维把光导入光谱仪,出射约为20nm 的谱宽.通过扫描装置扫描一个光谱带,光电探测器 将光信号转化为电信号,再由插在计算机ISA槽的AD 卡进行数字化,通过计算机进一步处理.通过处理经 过大气路径的辐射光谱与灯的光谱相比较.得到它们 的不同而确定大气中的气体成分.由于每个气体都有 自己的特征光谱,分析光谱的变化就可以确定吸收气 体及气体的浓度. 2.4信号提取过程 计算机利用收集的数据获得大气采样光谱,并与 未经衰减的氙灯光