本文關鍵詞：工業(yè)過程氣體在線監(jiān)測技術研究與系統(tǒng)設計

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【摘要】：可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)和其他氣體檢測技術相比具有顯著的優(yōu)勢:測量靈敏度高、不受其他氣體交叉干擾、響應時間短、無需介入流場,可以實現(xiàn)工業(yè)原位實時在線測量,因而得到了迅速發(fā)展。隨著半導體激光技術和工藝進步,TDLAS技術在大氣化學研究、污染氣體監(jiān)測、醫(yī)療診斷、工業(yè)過程監(jiān)控、燃燒診斷、食品安全檢測等各個領域都有著廣泛的應用,并且朝著多參數(shù)、多組分同時測量的方向發(fā)展,不斷開辟新的應用領域,研究和開發(fā)基于該項技術氣體分析儀器具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。論文首先將TDLAS技術用于工業(yè)過程氧氣濃度在線監(jiān)測,設計了基于波長調(diào)制光譜技術(Wavelength Modulation Spectroscopy)的在線氣體分析儀,實現(xiàn)了0～21%量程氧氣在線測。論文詳細闡述了系統(tǒng)各部分硬件電路設計及相關測試;軟件部分則討論了數(shù)據(jù)預處理,系統(tǒng)背景噪聲來源及扣除,對比分析了各種濃度反演算法和光強修正方法對測量結果的影響。文中特別強調(diào)了光機設計對系統(tǒng)精度的影響,光機重復性試驗及一系列儀器性能試驗都表明論文設計的氧氣監(jiān)測系統(tǒng)與市場主流產(chǎn)品性能相當,可以用于工業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)控及過程控制。根據(jù)2016年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局出臺的新版《煤礦安全規(guī)程》,其中明確建議在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用光學類全量程甲烷傳感器。基于激光吸收光譜的甲烷傳感器具有無法取代的優(yōu)勢,因此論文開創(chuàng)性的采用了波長調(diào)制光譜技術(WMS)和直接吸收光譜(Direct Absorption Spectroscopy)技術相結合的方法,在儀器的測量精度和動態(tài)范圍之間找到平衡點,既保證了測量精度,又實現(xiàn)了全量程測量。論文詳細介紹了系統(tǒng)硬件設計方案,敘述了單板電路如何實現(xiàn)激光器驅(qū)動及調(diào)制、諧波信號檢測、濃度反演及紅外通信。甲烷傳感器軟件設計比較簡單,主要考慮系統(tǒng)可靠性及異常后快速恢復能力;針對甲烷傳感器的特殊應用場合,論文進行了響應時間測試,線性度、檢測限、穩(wěn)定性等相關測試,最后分析了傳感器在高濃度測量時誤差過大的原因。性能實驗表明論文設計的傳感器在全量程測量時滿足AQ6211-2008(煤礦用非色散紅外甲烷傳感器)中關于B類傳感器的規(guī)范要求。另外,本文設計的甲烷傳感器具有接近150ppm(partpermillion)的檢出限,優(yōu)于市場上絕大多數(shù)的全量程甲烷傳感器。最后論文對兩種儀器的性能做了總結,指出當前試驗和測試的不足,就如何提高儀器測量精度和適用范圍展開討論。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP274

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本文編號：1293345