DOAS儀器原理及應(yīng)用

空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)量方法簡(jiǎn)介常用ＤＯＡＳ儀器結(jié)構(gòu)組成ＤＯＡＳ監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)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(jiǎn)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(shí)，大氣中各種氣體分子在不同波段對(duì)其有不同的差分吸收特性，來(lái)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(cè)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(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍很廣，所測(cè)得的氣體濃度是沿幾百米到幾公里長(zhǎng)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(duì)測(cè)量的干擾，所以測(cè)量結(jié)構(gòu)更具有代表性。由于該方法是非接觸性測(cè)量，因而可以避免一些誤差源的影響，如監(jiān)測(cè)對(duì)象的化學(xué)變化、采樣器壁的吸附損失等，這特別適合于測(cè)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(cè)量周期短、響應(yīng)快，并且儀器可實(shí)現(xiàn)紫外到可見光譜區(qū)的掃描，從而用一臺(tái)儀器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)量小，運(yùn)行費(fèi)用低。對(duì)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(diǎn)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(duì)環(huán)境的要求比較高，在濃霧、大雨、沙塵暴天氣，信號(hào)被大幅度衰減，而使接收端得不到足夠的光強(qiáng)信號(hào)時(shí)，該儀器不能正常運(yùn)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(cè)量方法簡(jiǎn)介二、DOAS測(cè)量方法簡(jiǎn)介7二、DOAS測(cè)量方法簡(jiǎn)介

二、DOAS測(cè)量方法簡(jiǎn)介

8二、DOAS測(cè)量方法簡(jiǎn)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(cè)器和計(jì)算機(jī)等，儀器示意圖如下：二、DOAS測(cè)量方法簡(jiǎn)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(jì)算機(jī))。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(guó)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(guó)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(cè)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(jì)算機(jī))。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(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)四、DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)14四、DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)要求：系統(tǒng)在安裝調(diào)試期間，應(yīng)對(duì)檢測(cè)儀器精密度檢查和準(zhǔn)確度檢查。系統(tǒng)更換機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、光學(xué)部件、檢測(cè)傳感器和光源等主要部件，必須進(jìn)行精密度檢查。系統(tǒng)運(yùn)行中每個(gè)月需用汞燈對(duì)光譜儀波長(zhǎng)進(jìn)行一次標(biāo)定，每3個(gè)月進(jìn)行一次單點(diǎn)檢驗(yàn)(選擇一個(gè)項(xiàng)目用等效濃度為滿量程10%到20%的標(biāo)氣)，每年進(jìn)行一次多點(diǎn)校準(zhǔn)(等效濃度)DOAS監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)方法有兩種：在原光程上疊加一個(gè)校準(zhǔn)池，通入標(biāo)準(zhǔn)氣體，進(jìn)行校準(zhǔn)。采用一個(gè)與實(shí)際監(jiān)測(cè)相同的氙燈源和一個(gè)短光程，通過調(diào)節(jié)短光程中吸收池的長(zhǎng)度和通入的標(biāo)氣濃度，進(jìn)行校準(zhǔn)。

四、DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)要求：15四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)方法一：疊加一個(gè)校準(zhǔn)池，進(jìn)行精密度檢查

在每個(gè)監(jiān)測(cè)光程配備一個(gè)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(jìn)行。向校準(zhǔn)池通標(biāo)氣，待其穩(wěn)定后方可開始測(cè)量。四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)方法一：16四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)方法一：疊加一個(gè)校準(zhǔn)池，進(jìn)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(cè)點(diǎn)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(diǎn)讀數(shù)穩(wěn)定后分別記錄各點(diǎn)的響應(yīng)值。按多點(diǎn)校準(zhǔn)評(píng)價(jià)步驟做校準(zhǔn)曲線的評(píng)價(jià)。

通過對(duì)校準(zhǔn)曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(cè)儀器的零點(diǎn)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(diǎn)相吻合的程度。四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)方法一：17四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)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(zhǎng)度的方法進(jìn)行精密度檢查和準(zhǔn)確度檢查。通過不同長(zhǎng)度吸收池CC001的組合，而改變吸收池的長(zhǎng)度，進(jìn)行精密度檢查和準(zhǔn)確度檢查。如下圖四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)DOAS監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)方法二：18四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)

四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)

19四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)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(diǎn)的特征峰對(duì)儀器進(jìn)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(gè)校準(zhǔn)池兩端的透光玻璃，并精確測(cè)量校準(zhǔn)池的長(zhǎng)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(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)校準(zhǔn)步驟：20四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)

四、DOAS檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢驗(yàn)

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(shuō)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(jī)沒有初始化結(jié)束RS232-RS485轉(zhuǎn)接模塊故障RS485信號(hào)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(dòng)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(dòng)CNDOAS軟件檢查通訊部件之間的連接線纜氙燈點(diǎn)不亮或熄滅氙燈電源故障氙燈電源過熱或過壓、欠壓保護(hù)氙燈老化點(diǎn)氙燈時(shí)，可以聽到點(diǎn)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(lái)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(duì)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(hào)強(qiáng)度太低光路偏移燈老化或使用時(shí)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(yùn)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(shuō)明)：故24五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說(shuō)明)：故障現(xiàn)象可能的故障原因處理方法沒有信號(hào)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(hào)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(hào)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(kù)被破壞濾光片沒有轉(zhuǎn)動(dòng)到位濾光片表面不干凈手動(dòng)或自動(dòng)校準(zhǔn)波長(zhǎng)，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(dòng)到位故障用玻璃紙擦拭DOAS不進(jìn)行分析燈譜文件測(cè)量不正確燈譜文件沒有更新正確測(cè)量燈譜文件正確更新燈譜文件掃面圓盤不能啟動(dòng)通訊不正常圓盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電壓沒有加上連線松電路板故障步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流偏小或偏大步進(jìn)電機(jī)故障見通訊故障處理檢查控制箱圓盤驅(qū)動(dòng)器24V電壓是否加上檢查圓盤驅(qū)動(dòng)電路連線檢查控制器電路板調(diào)整步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電流更換步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器更換步進(jìn)電機(jī)五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說(shuō)明)：故25五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說(shuō)明)：故障現(xiàn)象可能的故障原因處理方法無(wú)觸發(fā)信號(hào)ADC采集卡接頭松動(dòng)轉(zhuǎn)盤觸發(fā)光耦壞控制板壞圓盤沒有啟動(dòng)未啟動(dòng)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(dòng)圓盤用CNDOAS軟件啟動(dòng)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(dòng)濾光片光耦壞濾光片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12V電壓沒加上電路板壞步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流不和要求步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器壞步進(jìn)電機(jī)壞將接頭接牢更換光耦檢查濾光片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12V電壓檢查控制器電路板正確設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路更換步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器更換步進(jìn)電機(jī)五、故障及排除常見故障處理(以藍(lán)盾LGH-01為例說(shuō)明)：故26五、故障及排除儀器維護(hù)及檢查(以藍(lán)盾LGH-01為例說(shuō)明)：氙燈的注意事項(xiàng)：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(diǎn)燈；密切注意氙燈冷卻風(fēng)扇的運(yùn)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(shí)要注意電源極性，極性為上正下負(fù)，切不可裝錯(cuò)。五、故障及排除儀器維護(hù)及檢查(以藍(lán)盾LGH-01為例說(shuō)明)：27五、故障及排除日常維護(hù)：