STM32与氨气逃逸

发表于 2019-10-18 10:02

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
0.1 ppm，满足逃逸氨测量要求。

发表于 2019-10-18 10:02

在工业生产过程中，氨气的泄露会对人类和环境造成很大的危害。其影响主要有以下
几点:其一，氨气对人的上呼吸道有较强的刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结
膜处，引发刺激和炎症，持续吸入700mg. m 3半小时会引起中毒，吸入1750}4000mg. m 3-}至
会危及生命。因此，相关部门对氨气的浓度向来有较严格的要求，例如，美国职业安全与
卫生研究所规定室内氨气上限为25pp砂〕。其二，氨气对自然环境危害严重，大量流失会造
成土壤表面和水的富营养化，破坏生态系统，其形成的按盐也是造成土壤酸化的主要物质
之一‘z)。因此，空气中氮气浓度的检测具有重要意义。

发表于 2019-10-18 10:06

发表于 2019-10-18 10:07

发表于 2019-10-18 10:07

可调谐二极管激光光谱吸收技术(TDLAS)是近几年发展起来的一种高灵敏度、高分辨
率、可实时在线监测气体的气体检测技术。其核心部件是可调谐二极管激光器。该技术是
一项窄带吸收光谱技术，通过对激光器进行调谐同时供以高频调制信号使激光器输出波长
连续变化的调制激光，然后对探测器得到的检测信号进行解调，得到有较高信噪比的谐波
信号反演气体浓度。
国外基于TDLAS技术的研究开展比较早，目前已经实现了对CH4, HzO, C0, COZ等气体
的高灵敏检测，并且该技术在环境及工业过程检测领域表现出了广泛的应用前景汇7]。国内
基于TDLAS技术的气体检测研究相对较少，相对应的检测仪器也并未得到广泛推广和使用，
由于国内对环境检测仪器需求的日益增强，且要求的检测精度逐渐提高，设计广泛可适用
的基于TDLAS的检测仪器势在必行。

发表于 2019-10-18 10:08

针对NH。在线监测，TDLAS有以下优势:
(1)NH。在近红外波段，尤其1450nm^-1550nm波长范围内，有丰富的吸收谱线，但其吸
收幅度较强波段的线宽很窄，为准确测量，需要辐射光源具有良好的单色性。TDLAS技术
基于窄带吸收原理，通过在吸收峰附近的波长缓慢扫描，可以获得较为明显的吸收光谱，
同时可以排除其余气体的干扰，对于NH。在线精确检测有明显的测量优势;
(2)该技术的系统集成度较高，易于仪器小型化，通过对激光器的温度控制，激光在恶
劣工况环境中同样可以保持稳定，有环境测量优势;
(3) TDLAS技术无需对样品进行过多的预处理，可实现逃逸氨的原位测量，避免了系统
响应时间长等问题，实现了逃逸氨浓度的实时在线测量，同时系统只需要改变激光器并重
新标定就可以方便地实现不同的气体的定性定量分析，具有应用优势;
(4) TDLAS技术本身具有高灵敏度、低检测限、高分辨率、高响应速度的优点，适合于
工业环境下痕量气体的高精度在线监测。

发表于 2019-10-18 10:08

从仪器应用环境角度考虑，由于实际应用时烟道环境复杂恶劣，氨气检测的探测光路
环境需要外围探管来保证。近些年来，随着光散射技术的发展，国内外对吸收光谱技术为
基础的检测方法仪器的研究越来越深入，但是针对气体检测探测管道的研究与设计并不多。
从市场角度来看，目前市场上现有的在线烟道气体分析仪其探管部分设计复杂，安装调试
很不方便，其内部的光学系统大多采用普通反射镜来传递采集接收光信号，安装精度要求
很高或者需要极其复杂的接收光路，存在光学校准难、机械安装过程复杂、价格昂贵等缺
陷，亚需改进。
直插式探管可以有效解决以上不足，具有以下优点:其一，直插式探管安装过程无需
光路校准，后期安装维护方便;其二，直插式探管的烟尘过滤系统可避免固体颗粒物导致
激光散射，引起探测结果不准确的问题;其三，针对直插式探管设计的光学系统易于调试
和改进，便于检测光路的设计。

发表于 2019-10-18 10:09

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发表于 2019-10-18 10:13

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由图3. 1可知，在1400nm-2400nm的波段范围内氨气的吸收位置主要集中在三处:
1. 5Hm段，2 Hm段和2. 3}m段。由于2 }m波段处与HLO或COL有较强的吸收，氨气吸收光谱易受
到水和二氧化碳气体的干扰，因此目前较多采用的吸收波段是水和二氧化碳吸收较弱，氨
气吸收较强的1. 5}m的NIR波段和2. 3}.m的Extended-NIR波段，且后者的吸收强度更高。但
是考虑到工业应用的便利性，激光二极管，光电探测器，光纤传输系统在NIR波段(1. 5Hm)
技术应用更加成熟，产品稳定性也更高〔azl，因此主要在吸收强度相对较弱的1. 5}m波段作
考虑，结合H工TRAN光谱数据库和现行DFB激光器的相关资料，最终选定1512nm作为氨气吸收
中心波长，同时选定中心波长为1512nm的DFB激光器作为系统光源。

发表于 2019-10-18 10:14

DFB激光器的选择主要考虑激光器的输出波长，激光线宽，调制稳定性，价格等因素。
输出中心波长由所氨气吸收波段决定，为1512nm:光谱最终由波长扫描方式得出，故激光
线宽越窄越好，其宽度影响了吸收峰的高度和谱线展宽，当然权衡价格因素，只需满足所
测量精度即可;调制稳定性是指电流注入和温度调谐两种方式下波长变化和功率变化的稳
定性，该指标决定了最终测量的稳定性。基于以上几点因素考虑，对比多家DFB激光器，最
终选用QPHOTONICS公司型号为QDFBLD-1512-15的一款DFB激光器。其外观和基本参数如下:

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发表于 2019-10-18 10:20

其中TS为热敏电阻，通过1, 2引脚的输出电流检测激光器内部温度变化，阻值lOK}; TEC
为热电冷却器，通过加载在6, 7引脚的电流方向变化以使TEC冷面吸热或热面加热rm，实现
对LD的升温或降温，以调谐或稳定激光器输出波长;LD为内置激光二极管，通过加载在3.
11引脚的注入电流变化实现注入电流调谐输出波长;PD为光电二极管，用于接受LD发出的
激光，将光能转化为电能，检测激光器功率衰变。
由表3. 1参数表可以看出，DFB激光器输出波长对温度变化更加敏感，因此在激光器调
谐过程中，需先微调温度找到氨气吸收峰，然后在温度稳定的情况下通过改变注入电流实
现波长扫描。

发表于 2019-10-18 10:21

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发表于 2019-10-18 10:22

对比三种方式，抽取式设计复杂，需气体预处理，全程伴热，气体冷凝等一系列步骤，
多用在多组分测量的情况下，通过预处理进行气体分流，分别完成测量;或者用在非待测
气体对吸收干扰严重的情况下，通过抽取后进行预处理剔除干扰气和固体颗粒物干扰，完
成测量。抽取式优点是去干扰能力强，可多组分测量，缺点是系统复杂，需全程伴热，且
安装维护复杂，对成本要求较高。
对射式易于设计，对光学设计要求较低，两端固定保证了光路的稳定性，但缺点是对
由于光源和探测器分居两侧，且探测器接收面积小，因此对安装要求较高，后期设备维护
和调试复杂，而且由于单程吸收光路较短，对痕量气体的测量较为不利。
直插式设计省去了复杂的全程伴热和气体冷凝步骤，安装调试较为简单，同时降低了
成本。优点是实时性好，便于调试和维护，对待测气体不需要做前期复杂处理，测量结果
也更加真实可靠。缺点是由于气体混合在一起，不能去除其他气体对吸收的干扰，且测量
环境较为恶劣，容易影响测试系统稳定性。
本系统采用直插式的设计完成待测物的测量，原因如下:(1)氨气极易溶于水，而且待
测氨气浓度本身就很低，因此倘若采用抽取式，在冷凝过程中，稍有水汽存在便可能造成
大量吸收，导致测量结果不准确。若要保证气体完全干燥，需采用严密的气路控制和流程
运转，安装调试十分复杂，且成本有很大提升。(2)烟道混合气中其他气体(SOS, COz, H}0
等)在1512run波段的吸收很弱，便于氨气浓度测量，且由于采用TDLAS窄带吸收技术，因此
其他气体对吸收峰的影响很小，干扰可以降到最低，为直插式测量创造了便利条件。(3)
对射式为单光程测量，气体吸收有限，不利于痕量气体浓度的检测，且由于两侧均需固定，
因此对安装调试的要求很高，不利于后期设备维护。(4)直插式探管安装与维护方便，通过
一侧的调试系统便可以完成光路校准，便于光学系统的稳定和调试。
综上考虑，本系统选用直插式作为痕量氨气浓度检测系统的测量方式。

发表于 2019-10-18 10:22

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