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大气质量自动监测系统——DOAS系统原理及应用介绍

大气质量自动监测系统——DOAS系统原理及应用介绍

本文关键词: 环保吸光度
摘要

什么是DOAS系统

差分光学吸收光谱技术,简称DOAS技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy) )在20 世纪70 年代由PLATT等人提出,该方法是利用光线在大气中传输时,大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度。 到 20 世纪80 年代末,DOAS技术作为一种空气监测系统在欧盟范围内得到了广泛的认可。

差分吸收光谱优势

  1. 差分吸收光谱系统的监测范围很广,所测得的气体浓度是沿几百米到几公里长的光路上的气体浓度的均值,可以消除某些污染排放源对测量的干扰,所以测量结果更具有代表性。
  2. 由于该方法是非接触性测量,因而可以避免一些误差源的影响,比如检测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等,这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度。
  3. 差分吸收光谱方法的测量周期短、响应快,并且仪器可实现紫外到可见光谱区的扫描,从而用一台仪器可实时检测多种不同气体的质量浓度。
  4. DOAS系统采用光学仪器比较稳定,因此,维护量小,运行费用低。 此外,差分吸收光谱技术可对光谱反演算法中剩余光谱成分的分析,在揭示空气中尚未发现的成分方面有很大的潜力。

DOAS测量原理

根据朗伯-比尔定律,处在某一长度为L的光程中的某种气体的浓度N和发射端发出的光强I0(λ)及接收端接收到的光强I(λ)有以下关系:

 

 I (λ) = I0(λ) e-LNσ(λ)

如果知道了I (λ)、I0(λ)、L、σ(λ)的大小,就可以确定被测气体的浓度N,这种分析方法称为绝对吸收光谱法。 实际上在光程较长时,我们通常采用差分吸收光谱法。 差分吸收光谱系统的基本原理是利用气体分子对光线的差分吸收。在紫外和近紫外附近,分子的吸收光谱主要是由分子或原子的电子跃迁引起的,该吸收光谱包括慢变的宽带吸收和快变的窄带吸收,去除宽带吸收剩下窄带吸收后,通常称这个窄带吸收为差分吸收,对应的吸收截面为差分吸收截面。比较被测气体的差分吸收光谱和差分吸收截面,用最小二乘法拟合,可以计算出被测气体的浓度。

DOAS系统基本装置

DOAS整套仪器主要包括:光源、发射和接收系统、角反射镜(发射和接收系统如不在同一侧,不需角反射镜)、光缆、单色仪、光谱仪和计算机等,仪器示意图如下:

DOAS基本装置

典型DOAS设备结构图

 

典型DOAS设备结构图

可以看出,光谱仪作为该系统的核心检测设备,扮演着非常重要的作用,光谱仪与其他结构件之间的协同工作效率以及产品自身的性能指标很大程度上影响着最终输出的光谱结果。

美国海洋光学提供针对不同测量需求的各类微型光纤光谱仪。小巧的体积,丰富的通讯接口以及成熟的开发套件非常适合用于DOAS系统的集成。业内唯一一家使用自动化生产线装配的光谱仪,保证了台间差小以及产品的持久耐用,搭配抗紫外衰老光纤确保系统长久运行。

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