DOAS儀器原理及應(yīng)用

空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)差分光學(xué)吸收光譜

ＤＯＡＳ儀器原理及應(yīng)用空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)差分光學(xué)吸收光譜

ＤＯＡＳ儀器原理及應(yīng)用1ＤＯＡＳ系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀ＤＯＡＳ測量方法簡介常用ＤＯＡＳ儀器結(jié)構(gòu)組成ＤＯＡＳ監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)檢驗故障及排除ＤＯＡＳ系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀2一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀3一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀什么是DOAS系統(tǒng)

差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)，簡稱DOAS技術(shù)(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)在20世紀(jì)70年代由Platt等人提出，該方法是利用光線在大氣中傳輸時，大氣中各種氣體分子在不同波段對其有不同的差分吸收特性，來反演這些微量氣體在大氣中的濃度。到20世紀(jì)80年代末，DOAS技術(shù)作為一種空氣監(jiān)測系統(tǒng)在歐盟范圍內(nèi)的到了廣泛的認(rèn)可。1一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀什么是DOAS系統(tǒng)14一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀差分吸收光譜方法具有以下優(yōu)點監(jiān)測范圍很廣，所測得的氣體濃度是沿幾百米到幾公里長的光路上的氣體濃度的平均值，可以消除某些污染排放源對測量的干擾，所以測量結(jié)構(gòu)更具有代表性。由于該方法是非接觸性測量，因而可以避免一些誤差源的影響，如監(jiān)測對象的化學(xué)變化、采樣器壁的吸附損失等，這特別適合于測量一些性質(zhì)比較活潑的氣體分子和離子的質(zhì)量濃度。測量周期短、響應(yīng)快，并且儀器可實現(xiàn)紫外到可見光譜區(qū)的掃描，從而用一臺儀器可實時監(jiān)測多種不同氣體的質(zhì)量濃度。采用光學(xué)儀器比較穩(wěn)定，因此，維護量小，運行費用低。對光譜反演算法中剩余光譜成分的分析，在揭示空氣中尚未發(fā)現(xiàn)的成分方面有很大的潛力。

一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀差分吸收光譜方法具有以下優(yōu)點5一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀差分吸收光譜方法具有一些不足：

DOAS系統(tǒng)也存在一些不足，比如對環(huán)境的要求比較高，在濃霧、大雨、沙塵暴天氣，信號被大幅度衰減，而使接收端得不到足夠的光強信號時，該儀器不能正常運行。一、DOAS系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀差分吸收光譜方法具有一些不足：6二、DOAS測量方法簡介二、DOAS測量方法簡介7二、DOAS測量方法簡介

二、DOAS測量方法簡介

8二、DOAS測量方法簡介DOAS儀器基本裝置

DOAS整套儀器主要包括：光源、發(fā)射和接受系統(tǒng)、角反射鏡(發(fā)射和接收系統(tǒng)如不在同一側(cè)，不需角反射鏡)、光纜、單色儀、CCD探測器和計算機等，儀器示意圖如下：二、DOAS測量方法簡介DOAS儀器基本裝置9三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成10三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成瑞典OPSIS公司AR500系統(tǒng)主要包括發(fā)射、接收器和分析儀(光譜儀與計算機)。下圖為AR500結(jié)構(gòu)圖：

三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成瑞典OPSIS公司AR500系統(tǒng)11三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成法國Environment公司SANOA10C系統(tǒng)

SANOA10C系統(tǒng)主要包括：望遠(yuǎn)鏡發(fā)射器和一體化接收器。三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成法國Environment公司S12三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成藍(lán)盾LGH-01DOAS系統(tǒng)

LGH-01DOAS系統(tǒng)主要包括發(fā)射與接收單元、測量單元(光譜儀與快速掃描裝置)數(shù)據(jù)采集單元與處理單元(AD采集卡和計算機)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：三、常用DOAS儀器結(jié)構(gòu)組成藍(lán)盾LGH-01DOAS系統(tǒng)13四、DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)檢驗四、DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)檢驗14四、DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)要求：系統(tǒng)在安裝調(diào)試期間，應(yīng)對檢測儀器精密度檢查和準(zhǔn)確度檢查。系統(tǒng)更換機械運動部件、光學(xué)部件、檢測傳感器和光源等主要部件，必須進行精密度檢查。系統(tǒng)運行中每個月需用汞燈對光譜儀波長進行一次標(biāo)定，每3個月進行一次單點檢驗(選擇一個項目用等效濃度為滿量程10%到20%的標(biāo)氣)，每年進行一次多點校準(zhǔn)(等效濃度)DOAS監(jiān)測儀器校準(zhǔn)方法有兩種：在原光程上疊加一個校準(zhǔn)池，通入標(biāo)準(zhǔn)氣體，進行校準(zhǔn)。采用一個與實際監(jiān)測相同的氙燈源和一個短光程，通過調(diào)節(jié)短光程中吸收池的長度和通入的標(biāo)氣濃度，進行校準(zhǔn)。

四、DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)要求：15四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)方法一：疊加一個校準(zhǔn)池，進行精密度檢查

在每個監(jiān)測光程配備一個校準(zhǔn)池，直接放置于接收器前窗。校準(zhǔn)池通常是永久固定式的。下圖為OPSISAR500系統(tǒng)CC150裝置，該裝置固定于ER150接收器前窗。在沒有氣象因素干擾的情況下進行。向校準(zhǔn)池通標(biāo)氣，待其穩(wěn)定后方可開始測量。四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)方法一：16四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)方法一：疊加一個校準(zhǔn)池，進行準(zhǔn)確度檢查

通過采用改變鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度，得到滿量程范圍3%~8%、15%~20%、35%~45%和80%~90%等測點的等效濃度值，向分析儀器校準(zhǔn)池分別注入標(biāo)氣，待各點讀數(shù)穩(wěn)定后分別記錄各點的響應(yīng)值。按多點校準(zhǔn)評價步驟做校準(zhǔn)曲線的評價。

通過對校準(zhǔn)曲線進行評價，可以判斷儀器設(shè)備工作情況，校準(zhǔn)曲線的截距反映了監(jiān)測儀器的零點漂移情況，斜率反映了儀器的線性指標(biāo)，相關(guān)系數(shù)反映了所得的直線與各校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點相吻合的程度。四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)方法一：17四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)方法二：

選用廠家提供的專用校準(zhǔn)裝置，通過改變校準(zhǔn)池長度的方法進行精密度檢查和準(zhǔn)確度檢查。通過不同長度吸收池CC001的組合，而改變吸收池的長度，進行精密度檢查和準(zhǔn)確度檢查。如下圖四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗DOAS監(jiān)測儀器的校準(zhǔn)方法二：18四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗

四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗

19四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗校準(zhǔn)步驟：校準(zhǔn)的準(zhǔn)備及氣路連接

步驟1：用汞燈的296.73nm和302.15nm兩點的特征峰對儀器進行標(biāo)定，方法見掃描裝置的校準(zhǔn)調(diào)試(汞燈標(biāo)定)。步驟2：通過光程切換將光不經(jīng)過大氣傳輸直接返回(放下遮光板)，稱之為“零光路”。

步驟3：仔細(xì)擦凈每個校準(zhǔn)池兩端的透光玻璃，并精確測量校準(zhǔn)池的長度，按下圖所示連接氣路，將校準(zhǔn)池疊加到光城中。

步驟4：利用系統(tǒng)軟件“樣氣標(biāo)定”功能完成樣氣標(biāo)定功能。四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗校準(zhǔn)步驟：20四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗

四、DOAS檢測儀器的校準(zhǔn)檢驗

21五、故障及排除五、故障及排除22五、故障及排除

五、故障及排除

23五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：故障現(xiàn)象可能的故障原因處理方法通訊故障控制端口設(shè)置不正確望遠(yuǎn)鏡底部定標(biāo)電機沒有初始化結(jié)束RS232-RS485轉(zhuǎn)接模塊故障RS485信號箝位線路連接不良將軟件主界面右上角控制端口設(shè)置成COM1或COM2等初始化結(jié)束后重新啟動CNDOAS軟件更換RS232-RS485轉(zhuǎn)接模塊斷開與PM10、氣象儀的通訊連接，重新啟動CNDOAS軟件檢查通訊部件之間的連接線纜氙燈點不亮或熄滅氙燈電源故障氙燈電源過熱或過壓、欠壓保護氙燈老化點氙燈時，可以聽到點火聲，如果聽不到聲音或聽到吱吱聲，聯(lián)系廠家等氙燈電源冷卻下來再打開氙燈電源，檢查電源電壓及氙燈電源內(nèi)部風(fēng)扇更換氙燈極少或沒有反射光沒有對準(zhǔn)光路被遮擋反射鏡窗口或角反射鏡表面被污染調(diào)整望遠(yuǎn)鏡粗調(diào)旋鈕移開遮擋物清晰窗口或角反射鏡表面信號強度太低光路偏移燈老化或使用時間過久氣候狀況(雨、霧等)見上更換氙燈不是故障，讓儀器正常運行，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：故24五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：故障現(xiàn)象可能的故障原因處理方法沒有信號光產(chǎn)生光纖沒有安裝到位光纖故障PMT高壓是否加上A/D采集卡板故障光譜儀入射狹縫關(guān)閉安裝好光纖檢查PMT高壓模塊是否有直流電壓檢查高壓線、ADC信號線的連接在零光路狀態(tài)下，調(diào)整好光路，在CNDOAS控制軟件下選擇自由觸發(fā)狀態(tài)，觀察光信號打開光譜儀入射狹縫分析結(jié)果不正常光譜儀光柵偏移燈譜文件沒有更新燈老化數(shù)據(jù)庫被破壞濾光片沒有轉(zhuǎn)動到位濾光片表面不干凈手動或自動校準(zhǔn)波長，用汞燈去標(biāo)定正確更新燈譜文件更換氙燈重新安裝應(yīng)用軟件見濾光片沒有轉(zhuǎn)動到位故障用玻璃紙擦拭DOAS不進行分析燈譜文件測量不正確燈譜文件沒有更新正確測量燈譜文件正確更新燈譜文件掃面圓盤不能啟動通訊不正常圓盤電機驅(qū)動器電壓沒有加上連線松電路板故障步進電機驅(qū)動電流偏小或偏大步進電機故障見通訊故障處理檢查控制箱圓盤驅(qū)動器24V電壓是否加上檢查圓盤驅(qū)動電路連線檢查控制器電路板調(diào)整步進電機驅(qū)動器電流更換步進電機驅(qū)動器更換步進電機五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：故25五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：故障現(xiàn)象可能的故障原因處理方法無觸發(fā)信號ADC采集卡接頭松動轉(zhuǎn)盤觸發(fā)光耦壞控制板壞圓盤沒有啟動未啟動數(shù)據(jù)采集命令A(yù)DC采集壞將接頭接牢更換轉(zhuǎn)盤觸發(fā)光耦檢查控制器電路板觸發(fā)電路用CNDOAS軟件啟動圓盤用CNDOAS軟件啟動數(shù)據(jù)采集命令更換ADC采集卡濾光片轉(zhuǎn)不到位接頭松動濾光片光耦壞濾光片電機驅(qū)動器12V電壓沒加上電路板壞步進電機驅(qū)動電流不和要求步進電機驅(qū)動器壞步進電機壞將接頭接牢更換光耦檢查濾光片電機驅(qū)動器12V電壓檢查控制器電路板正確設(shè)置驅(qū)動電路更換步進電機驅(qū)動器更換步進電機五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：故26五、故障及排除儀器維護及檢查(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：氙燈的注意事項：燈兩端的固定要接觸良好;必須保持氙燈表面的清潔，安裝之前用酒精擦拭干凈；氙燈安裝必須帶手套操作，嚴(yán)禁用物或反復(fù)使用過的不潔手套觸及泡體；切不可在未封閉狀態(tài)下點燈；密切注意氙燈冷卻風(fēng)扇的運行情況，一旦風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，應(yīng)立即關(guān)閉氙燈電源；氙燈安裝時要注意電源極性，極性為上正下負(fù)，切不可裝錯。五、故障及排除儀器維護及檢查(以藍(lán)盾LGH-01為例說明)：27五、故障及排除日常維護：