基于TDLAS直插式氨气在线检测系统的研究

摘要

随着环境污染问题的社会关注度越来越高，污染气体的排放标准也日趋严格，对痕量气体的检测是环境检测系统未来必然的发展方向。在火电厂，氨气被广泛应用于脱硫脱硝的过程中充当还原剂，作为重要的反应气，其浓度的检测至关重要。一般情况下，电厂氨气逃逸浓度被限定在3ppm以下，浓度很低，且烟道环境恶劣，因此要求系统有良好的探测精度和良好的稳定性。
　　根据这些应用需求，本论文研发了一套针对逃逸氨的直插式氨气浓度在线检测系统。该系统采用STM32芯片作为MCU，TDLAS技术作为探测方法，DFB激光器作为测量光源，通过激光器波长调制和二次谐波检测完成痕量氨气微弱浓度信号的提取，经24位AD采集和数字滤波将浓度值由STM32传至显示面板或上位机，完成浓度测量。在测量端，本系统采用直插式角锥系统的设计，增加了吸收光程和探测灵敏度，降低了仪器安装调试难度，同时提高了光路稳定性;在信号处理端，本系统通过谐波信号标态化扣除背景信号，提高了系统的测量准确性和探测精度，经实物研发和实验室验证，该测量系统精度可达0.1ppm，满足逃逸氨测量要求。
　　本论文主要分原理、设计和实验三大部分，原理部分主要包括烟气脱硝原理，DFB激光器的工作原理和调谐方式，TDLAS光谱分析技术的实现方法和谐波检测理论的推导，设计部分主要包括氨气吸收波段的选择，系统测量方式的选择，系统整体方案的设计，直插式角锥系统的设计，系统光路和气室的设计，仪器硬件电路系统的开发和下位机软件的开发。实验部分主要包括测试系统的搭建，波长调制参数的优化，信号标态化的处理和仪器精度的分析。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 研究现状

1．3 课题研究主要内容

1．3．1 课题主要工作

1．3．2 论文章节安排

2．系统原理及要求

2．1 烟气脱硝原理

2．1．1 烟气脱硝实现方法

2．1．2 逃逸氨测量要求

2．2 分布式反馈激光器

2．2．1 分布式反馈激光器原理及调谐方式

2．2．2 DFB-LD和DBR-LD

2．3 TDLAS原理

2．3．1 气体红外吸收光谱

2．3．2 TDLAS技术

2．3．3 波长调制方法

2．3．4 谐波检测理论

3．系统方案设计

3．1 吸收波段的选择

3．2 激光器的选择

3．3 探测器的选择

3．4 测量方式的选择

3．5 系统整体设计

3．6 系统光学设计

3．6．1 角锥系统

3．6．2 系统光路设计

3．7 系统气室设计

3．7．1 参考气室设计

3．7．2 测量气室的设计

4．系统硬件设计

4．1 STM32芯片

4．2 激光器驱动模块

4．3 激光器温控模块

4．4 激光器状态检测模块

4．4．1 激光器温度监控

4．4．2 激光器工作电流监控

4．5 二次谐波信号处理模块

4．6 AD采集模块

5．系统软件设计

5．1 AD采集软件设计

5．1．1 AD芯片的设置

5．1．2 数据采集

5．2 激光器状态监测软件设计

5．3 系统总体软件设计

6．系统测试与分析

6．1 系统搭建

6．2 检测系统参数的选择

6．3 数据处理与结果分析

6．3．1 二次谐波信号标态化

6．3．2 实验结果分析

7．结论与展望

参考文献

作者简介