畜禽業(yè)生產(chǎn)中排放的有害氣體是農(nóng)業(yè)污染氣體的主要來源。畜禽生產(chǎn)中產(chǎn)生的氣體污染不但降低了畜禽業(yè)的生產(chǎn)效率，還對全球空氣質(zhì)量造成影響。畜禽業(yè)釋放的溫室氣體已成為全球變暖的主要因素之一。減少畜禽生產(chǎn)中有害氣體的排放能有效改善全球空氣質(zhì)量，減緩溫室效應(yīng)。因此，對畜禽生產(chǎn)過程中排放的有害氣體進(jìn)行有效監(jiān)測具有重要意義。 有害氣體的產(chǎn)生來自畜禽生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)，包括畜禽的飼養(yǎng)、畜禽糞便的處理、畜禽產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)�。抑制有害氣體產(chǎn)生和排放的措施對畜禽生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)有害氣體的排放產(chǎn)生影響。評估畜禽生產(chǎn)造成的環(huán)境污染和所采取措施的效果，首先要對畜禽生產(chǎn)環(huán)境中有害氣體進(jìn)行全面的監(jiān)測。由于畜禽生產(chǎn)中每個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生有害氣體的種類和分布存在較大的差異，采用單一方法無法實(shí)現(xiàn)對有害氣體的濃度進(jìn)行全面的監(jiān)測。本研究針對畜禽生產(chǎn)環(huán)境中有害氣體分布的主要位置，分別采用固定位置、通路和開放區(qū)域三種不同尺度的方法對有害氣體的濃度和分布進(jìn)行全面的監(jiān)測。 通過分析總結(jié)已有的畜禽生產(chǎn)有害氣體監(jiān)測方法和畜禽生產(chǎn)環(huán)境中主要有害氣體的種類和來源，確定畜禽舍內(nèi)的惡臭氣體和開放區(qū)域的甲烷作為研究對象。分別采用基于電子鼻的畜禽舍惡臭等級監(jiān)測方法、基于OP/TDLAS的甲烷監(jiān)測方法和基于計(jì)算機(jī)層析技術(shù)的有害氣體濃度分布重構(gòu)方法在多尺度上實(shí)現(xiàn)了對畜禽生產(chǎn)中有害氣體的監(jiān)測。研究的主要內(nèi)容和結(jié)果包括以下四方面。 （1）畜禽舍內(nèi)有害氣體成分復(fù)雜，由于無法監(jiān)測每一種氣體成分的濃度，以往的研究中主要采用電子鼻的方法測量畜舍中的惡臭等級。但是，電子鼻屬于實(shí)驗(yàn)室儀器，無法在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。因此，提出了通過測量畜禽舍內(nèi)惡臭氣體主要成分濃度，利用與嗅覺法相結(jié)合的算法反演畜禽舍內(nèi)氣體惡臭等級的監(jiān)測方法。該方法利用選擇性強(qiáng)的傳感器直接測量目標(biāo)成分的濃度，減少了傳感器的數(shù)量，降低了電子鼻系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。根據(jù)該方法，在分析了畜禽舍惡臭氣體主要成分的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的畜舍惡臭等級電子鼻監(jiān)測系統(tǒng)，采用電化學(xué)傳感器測量氨氣和硫化氫濃度并利用惡臭等級確定算法實(shí)現(xiàn)了對畜禽舍內(nèi)氣體惡臭等級的反演。通過一個與嗅覺法的對比試驗(yàn)證明該方法能夠較準(zhǔn)確的監(jiān)測畜禽舍內(nèi)的惡臭等級。 （2）畜禽舍外開放區(qū)域的有害氣體種類簡單，但是分布范圍大，流動性強(qiáng)，采用開放光程的光學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)有效的監(jiān)測。相對以往通常采用開放光程的傅里葉紅外光譜方法（OP/FTIR）開放光程的可調(diào)諧激光光譜方法（OP/TDLAS）簡化了設(shè)備，提高了監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對畜禽生產(chǎn)環(huán)境中甲烷通路積分濃度的監(jiān)測，針對甲烷氣體的特點(diǎn)，提出了基于OP/TDLAS的甲烷氣體監(jiān)測方法。基于該方法實(shí)現(xiàn)了OP/TDLAS甲烷監(jiān)測系統(tǒng)，主要介紹了甲烷吸收特征譜線的選擇、光源的調(diào)制，光信號的探測，諧波的提取，數(shù)據(jù)的采集處理，光路系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。采用氣體吸收池對OP/TDALS甲烷監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定并分析了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的檢出限是5ppm，檢測精度小于20%，能夠用于對畜禽生產(chǎn)環(huán)境中甲烷通路內(nèi)積分濃度的監(jiān)測。 （3）畜禽生產(chǎn)場所中的畜禽糞便晾曬場、發(fā)酵池等地點(diǎn)有害氣體分布面積較大，通路的監(jiān)測方法無法準(zhǔn)確的反映這些區(qū)域的有害氣體分布情況。在實(shí)現(xiàn)對光路內(nèi)甲烷積分濃度測量的基礎(chǔ)上，提出采用計(jì)算機(jī)層析技術(shù)（CT）監(jiān)測區(qū)域內(nèi)甲烷氣體濃度分布的方法。結(jié)合畜禽生產(chǎn)氣體監(jiān)測需求，分析比較各方法的適用性，確定采用MLEM和SBFM算法對畜禽生產(chǎn)開放區(qū)域的甲烷氣體分布進(jìn)行圖形重構(gòu)，并分別介紹了MLEM和SBFM算法的實(shí)現(xiàn)方法。通過仿真試驗(yàn)證明這兩種重構(gòu)算法能夠正確的獲得區(qū)域內(nèi)有害氣體的平均濃度和峰值，同時(shí)并說明兩種算法各具優(yōu)缺點(diǎn)。 （4）在監(jiān)測方法研究的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場的應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證了各方法的應(yīng)用效果。利用畜禽舍惡臭等級監(jiān)測電子鼻系統(tǒng)對雞舍內(nèi)的惡臭等級的監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明，畜禽舍惡臭等級監(jiān)測方法能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確的獲得雞舍內(nèi)氣體惡臭等級，并得到其變化規(guī)律。利用OP/TDLAS甲烷濃度獲取甲烷的積分濃度，并分別采用MLEM算法和SBFM算法對畜禽生產(chǎn)基地中畜禽糞便發(fā)酵池周圍甲烷分布進(jìn)行了圖形重構(gòu)試驗(yàn)。從重構(gòu)的結(jié)果看，兩種方法所獲得圖形的主要參數(shù)具有很高的一致性，說明OP/TDLAS結(jié)合計(jì)算機(jī)層析技術(shù)的方法能夠應(yīng)用在對畜禽生產(chǎn)場所開放區(qū)有害氣體濃度分布的監(jiān)測中，并獲得較準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：X831;X713
【文章目錄】：
摘要
Abstract
目錄
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 畜禽生產(chǎn)環(huán)境中有害氣體監(jiān)測的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 畜禽生產(chǎn)環(huán)境中有害氣體的主要測量方法
        1.2.2 嗅覺法的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 氣體探測管法的研究現(xiàn)狀
        1.2.4 接觸式傳感器法的研究現(xiàn)狀
        1.2.5 光學(xué)方法的研究現(xiàn)狀
        1.2.6 現(xiàn)有方法的比較和存在的問題
    1.3 研究目的和主要內(nèi)容
    1.4 論文的章節(jié)安排
第二章 基于電子鼻的畜禽舍惡臭等級監(jiān)測方法研究
    2.1 引言
    2.2 畜禽舍內(nèi)有害氣體成分分析
        2.2.1 畜禽舍內(nèi)有害氣體的主要成分
        2.2.2 畜禽舍內(nèi)惡臭等級監(jiān)測方法可行性試驗(yàn)
    2.3 畜禽舍惡臭等級監(jiān)測方法的硬件實(shí)現(xiàn)
        2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        2.3.2 恒定電位電解池型電化學(xué)氣體傳感器的原理與選型
        2.3.3 電化學(xué)傳感器的信號調(diào)理電路
        2.3.4 傳感器與信號調(diào)理電路的標(biāo)定
        2.3.5 信號采集處理模塊
    2.4 畜禽舍惡臭等級監(jiān)測方法的軟件實(shí)現(xiàn)
        2.4.1 畜禽舍惡臭等級確定算法
        2.4.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
    2.5 畜禽舍內(nèi)惡臭等級監(jiān)測方法的驗(yàn)證試驗(yàn)
        2.5.1 材料和方法
        2.5.2 結(jié)果與討論
    2.6 本章小結(jié)
第三章 基于可調(diào)諧激光光譜的有害氣體監(jiān)測方法研究
    3.1 引言
    3.2 可調(diào)諧激光光譜氣體檢測原理
        3.2.1 氣體分子的選擇吸收特性
        3.2.2 氣體吸收譜線的線型
        3.2.3 氣體紅外吸收光譜與濃度的關(guān)系
        3.2.4 紅外調(diào)制光譜
        3.2.5 諧波檢測技術(shù)原理
        3.2.6 可調(diào)諧激光光譜氣體檢測的原理
    3.3 OP/TDLAS 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
        3.3.1 甲烷特征吸收譜線的選擇
        3.3.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
    3.4 OP/TDLAS 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
        3.4.1 負(fù)反饋半導(dǎo)體激光器的調(diào)制、驅(qū)動和溫控電路的實(shí)現(xiàn)
        3.4.2 光電轉(zhuǎn)換與諧波檢測電路的實(shí)現(xiàn)
        3.4.3 數(shù)據(jù)的采集與處理電路實(shí)現(xiàn)
    3.5 OP/TDLAS 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)
    3.6 OP/TDLAS 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定和性能分析
        3.6.1 系統(tǒng)的標(biāo)定
        3.6.2 性能參數(shù)分析
    3.7 本章小結(jié)
第四章 基于圖形重構(gòu)技術(shù)的有害氣體分布監(jiān)測方法研究
    4.1 引言
    4.2 有害氣體濃度分布重構(gòu)算法介紹
        4.2.1 CT 重構(gòu)算法
        4.2.2 MLEM 算法介紹
        4.2.3 SBFM 算法介紹
        4.2.4 CT 重構(gòu)中的典型光路
    4.3 MLEM 和 SBFM 算法的實(shí)現(xiàn)
        4.3.1 MLEM 算法的實(shí)現(xiàn)
        4.3.2 MLEM 算法的改進(jìn)
        4.3.3 SBFM 算法的實(shí)現(xiàn)
        4.3.4 SBFM 重構(gòu)算法中的最優(yōu)解計(jì)算
    4.4 OP/TDLAS 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)自動掃描的實(shí)現(xiàn)
        4.4.1 增加云臺后 TDLAS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
        4.4.2 云臺的控制
    4.5 有害氣體濃度分布重構(gòu)算法仿真試驗(yàn)
        4.5.1 材料和方法
        4.5.2 MLEM 圖形重構(gòu)算法試驗(yàn)及結(jié)果分析
        4.5.3 SBFM 圖形重構(gòu)算法試驗(yàn)及結(jié)果分析
        4.5.4 MLEM 與 SBFM 圖形重構(gòu)算法的比較分析
    4.6 本章小結(jié)
第五章 畜禽生產(chǎn)環(huán)境中有害氣體監(jiān)測方法的現(xiàn)場應(yīng)用
    5.1 畜禽生產(chǎn)環(huán)境中有害氣體監(jiān)測方法現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)
    5.2 禽舍中惡臭等級監(jiān)測試驗(yàn)
        5.2.1 材料與方法
        5.2.2 結(jié)果與討論
    5.3 畜禽糞便發(fā)酵池周圍甲烷氣體濃度分布重構(gòu)試驗(yàn)
        5.3.1 材料與方法
        5.3.2 結(jié)果與討論
    5.4 有害氣體監(jiān)測方法在畜禽生產(chǎn)場所應(yīng)用效果分析
    5.5 本章小結(jié)
第六章 全文總結(jié)與研究展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    6.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2829409