[发明专利]便携式NH3高灵敏检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及可调谐二极管波长调制吸收光谱（WMS-TDLAS）领域，具体涉及一种便携式NH₃高灵敏检测系统。

背景技术

近几年来我国电力行业快速发展，大量化石燃料的使用导致了NO_X的过量排放，因此对工业废气的脱硝处理意义重大。其中以NH₃为还原剂的选择性催化还原法（SCR）技术成熟可靠，应用广泛，脱硝效率高。在SCR过程中，过量的NH₃使用会导致脱硝效率饱和，NH₃无法完全反应并随废气逃逸至空气中。NH₃的过量排放会导致土壤的盐碱化，而且NH₃作为二次细颗粒物的主要前体物，对雾霾的形成具有一定作用。因此进行NH₃高灵敏度检测系统的研发是非常必要的。

目前对NH₃的测量主要包括化学方法和间接吸收光谱方法，这些方法大多对工作环境具有较高要求，且需要对采样气体进行预处理，使得测量结果的误差较大。

基于波长调制的可调谐半导体吸收光谱技术具有高选择性，高灵敏度以及时间响应快等特点，是痕量气体实时在线检测的重要方法。它的主要特点包括：

(1)高选择性：目标气体合适吸收谱线的选取可以完全避开其他气体的干扰。这一特性与其它方法相比有明显的优势。

(2)高灵敏度：多次反射吸收池的设计可使测量精度达到ppm量级，因此可应用于工业废气中NH₃(ppm量级)的测量。

(3)时间响应快：在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可以在ms量级。

(4)不需预处理：传统监测方法需要对废气进行采样，制样等过程。波长调制吸收光谱技术不需要预处理，避免了引入额外的误差。

(5)抗干扰能力强：波长调制光谱技术采用的调制频率一般在kHz量级,可以有效消除低频进气湍流对测量结果的影响。

便携式NH₃高灵敏检测系统主要存在以下难点：

1.检测系统要求较小的体积，同时需要较高的检测灵敏度。这就需要采用嵌入式系统，将系统集成，采用多次反射吸收池来增加光程，同时采用波长调制光谱技术提高光谱信噪比。

2.NH₃在工业废气中浓度相对比较低，因而探测器探测到的噪声比较大。采集系统需要集成低噪声的信号调理电路，实现探测器的弱电流到电压的转换和信号滤波调理等功能。普通商用激光器驱动因体积大﹑功耗高，不能满足要求，这就需要设计小型化激光器驱动，小型化激光器驱动需要高的电流控制精度（0.1%）和温度控制精度（0.1℃）。

3. NH₃在常温下的强吸附性会导致测量结果的较大误差，因此需要使用PID控制方法将测量池控温至200℃(±2℃)，减小氨吸附对测量结果的影响。

4. 传统的直接吸收光谱在吸收池进气时，测量信号受湍流影响，信号畸变严重，影响测量结果，因此需要采用波长调制光谱技术，将待测信号提高至较高频率，消除湍流对浓度反演的影响。

5. 传统的波长调制算法对ADC的采样率要求较高，通常为调制信号的几十倍至数百倍，达到MHz量级，且数字锁相算法较为复杂，计算耗时长，对主芯片ADC的速度，内存大小，计算速度有较高的要求，通常需要使用成本较高的DSP主芯片，此处改进了波长调制光谱的解调算法，在采样率达到调制频率的四倍时，实现谐波信号的反演，在保证反演精度的前提下提高了浓度结果的计算速度，减少了片上内存的使用，节约了硬件成本。

发明内容：

本发明目的是提供一种便携式NH₃高灵敏检测系统，以实现小的体积以及高灵敏度的目的。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种便携式NH₃高灵敏检测系统，其特征在于：包括有光学系统、多次反射吸收池、电子学系统，所述光学系统包括有分布反馈激光器、激光器驱动器、光纤、准直器，激光器驱动器与分布反馈激光器控制连接，分布反馈激光器的激光出射端通过光纤连接至准直器；所述多次反射吸收池上设有激光入射端口、激光出射端口；所述电子学系统包括有探测器、信号调理电路、MCU、上位机，探测器的信号输出端与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路的信号输出端与MCU的信号输入端连接，MCU的信号输出端与激光器驱动器、上位机连接；所述准直器、探测器分别设置在多次反射吸收池的激光入射端口、激光出射端口处。