浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
二噁英是目前已知的最具毒性的物质，通常产生于燃烧及工业生产过程，难以降解，因此对其进行检测尤为重要。红外光谱法根据分子的红外吸收特性反演组分的浓度，在小分子中已经得到了很好的研究和应用。目前尚缺少有关二噁英红外光谱参数的信息。为实现采用光谱法测量二噁英的浓度，首先需要对二噁英的光谱进行研究。采用Gaussian 09软件包对2，3，7，8-四氯代二苯并对二噁英（TCDD）分子进行光谱计算；采用VERTEX 80型傅里叶变换红外光谱仪对质量浓度分别为30，40，50 μg/mL的2，3，7，8-TCDD分子光谱在1600~1000 cm-1范围进行测量，仪器的分辨率为4 cm-1，扫描次数为16；在297 K下，对2，3，7，8-TCDD分子在1466 cm-1处的谱线强度进行了测量。结果表明： 2，3，7，8-TCDD分子的最强吸收峰位于1466 cm-1附近，这是由于苯环振动引起的，理论计算与实验得到的光谱对应性较好。该研究为今后实现红外光谱吸收法测量2，3，7，8-TCDD分子浓度提供了光谱信息，具有重要的理论意义。
光谱学 红外光谱 光谱计算 二噁英 激光与光电子学进展
2018, 55(8): 083001
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
煤粉热解过程中产物及组分的不同会直接影响煤的燃烧特性, 为了进一步研究煤粉热解过程中产物浓度的变化, 采用1.65 μm附近的一组2v3的CH4气体吸收谱线, 在利用波长调制技术对原始激光强度修正的基础上, 实现了大同煤和准东煤热解过程中CH4气体浓度的在线测量。将直径约为8 mm、质量约为360 mg的单颗粒煤球通过金属丝悬挂于石英管中, 为使单颗粒煤球在热解过程中被迅速加热且受热均匀, 采用高功率CO2激光器与反射镜实现单颗粒煤球的均匀对称加热。可调谐激光光束在单颗粒煤球下方约10 mm处经3次反射穿过石英管, CH4气体浓度测量的过程从热解开始前一直持续到热解过程完全结束。在热解过程的开始阶段, CH4气体的浓度迅速增加, 之后逐渐下降, 直至最后降为0, 整个热解过程持续时间约为60 s。在气体释放速率最大处, 准东煤产生的CH4气体的体积分数约为大同煤的2倍；准东煤发生热解反应更加迅速, 且产生了较多的CH4气体。
光谱学 可调谐激光吸收光谱 煤粉热解 CH4气体浓度 在线测量 激光与光电子学进展
2017, 54(8): 083001
分析了在560 nm的测量波长处煤粉炉中炭粒和飞灰粒子云的辐射特性。 利用Mie理论, 分别计算了燃烧器出口和炉膛的上部颗粒粒子云的辐射特性, 发现在燃烧器出口区, 炭粒对颗粒总体辐射减弱系数的影响较大, 占90%以上; 而在炉膛的上部, 飞灰的影响较大。 从数值计算结果中可以看出, 飞灰粒子云的散射率高达91.6%, 其对辐射的散射作用比吸收更强, 而炭粒子的散射率仅为50%。
炭粒 飞灰 辐射系数 Mie理论 Char Ash Radiative coefficient Mie theory
浙江大学能源工程学院热能工程研究所, 浙江 杭州 310027
雾霾天气已经影响到了人们的日常生活, 对雾霾成分进行测量非常重要, 雾霾的主要构成成分为SO2和NO2及颗粒物。 目前对气体及颗粒物浓度进行同时测量的研究还很少, 用差分吸收光谱法(DOAS)对同时测量气体及颗粒污染物浓度进行了探索性研究。 通过对多组不同配比的SO2, NO2及颗粒物组成成分的吸收光谱进行了模拟, 由DOAS方法反演了各组分的浓度。 模拟单一组分时, 气体浓度从100变化至1 000 ppm, SO2浓度反演误差不大于0.17%, NO2误差不大于0.64%, 颗粒尺寸从100变化至500 nm, 浓度反演误差不大于2.08%。 模拟气体多组分时, SO2浓度与NO2浓度比在1∶10到5∶1的范围内时, 误差均较小, SO2误差不超过8%, NO2误差不超过5%, 然SO2与NO2浓度之比大于10, NO2的反演误差高于10%。 模拟同时测量SO2, NO2及颗粒物浓度时, 气体浓度的反演误差均在10%以内, 而颗粒物浓度的反演误差对系统的信噪比依赖较大, 当信噪比在40 dB以上时, 误差在10%以内, 而信噪比低于30 dB时, 误差高于20%。 通过上述研究结果表明, 差分吸收光谱法能很好地同时测量多种气体及颗粒物浓度, 用来测量分析雾霾成分。 然测量环境气体吸收差异过大时, 强吸收气体对弱吸收气体影响很大, 信噪比较低时, 颗粒浓度反演的误差也大为增加, 需要更好的滤波及去噪方法。
颗粒物 大气监测 DOAS DOAS SO2 SO2 NO2 NO2 Particle Air monitor 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3830
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Four tomography algorithms, including the algebraic reconstruction technique, simultaneous iterative reconstruction technique, the multiplicative algebraic reconstruction technique, and the adaptive algebraic reconstruction technique (AART), are compared with each other based on the tunable diode laser absorption spectroscopy technique; the determination of the relaxation parameter is discussed to improve reconstruction quality and shorten computational time as much as possible. The calculated results demonstrate that the AART algorithm can produce the reconstruction results with better quality and less computational time. In the experimental measurement, the AART algorithm with a two-line thermometry scheme is adopted to measure the spatial distribution of H2O temperature and concentration, two H2O absorption lines near 1397.8 nm are selected, the temperature and H2O concentration in the McKenna plat premixed flames are experimentally reconstructed and analyzed, and the results of integrated tomography reconstruction are consistent with the thermocouple traverse measurement.
120.1740 Combustion diagnostics 110.0110 Imaging systems 300.1030 Absorption Chinese Optics Letters
2016, 14(11): 111201
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
针对二维气体浓度分布, 主要选用多条H2O的吸收谱线, 采用代数迭代重建算法, 研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下, 即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时, 不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响, 对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H2O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响; 研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况, 其中, 文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。 浓度测量区域采用10×10的网格划分, 测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布, 重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。 重建结果表明在激光光束较少时, 增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息, 且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果, 更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。
代数迭代算法 二维浓度重建 多条吸收谱线 激光吸收光谱 ART algorithm Two-dimensional concentration reconstruction Multiple absorption lines Tunable diode laser absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2016, 36(11): 3485
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
基于可调谐激光吸收光谱技术, 主要采用数据处理的方法如互相关、 小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。 采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术, 对较低浓度下的NH3进行了降低测量下限的试验研究。 采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν2+ν3 NH3吸收谱线, 其强度远高于1.5 μm处谱线, 结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH3进行了测量。 为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优, 实验在调制系数为2.2左右的情况下, 通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。 在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号, 其中信号处理部分主要采用相关分析、 多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。 结果表明, 经过数据处理以后的谐波信号, 其检测下限降低到处理前的约百分之一, 且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响, 将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合, 这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。
波长调制技术 信号处理 小波变换 相关分析 Wavelength modulation technology Signal process Wavelet transform analysis Cross-correlation analysis 光谱学与光谱分析
2016, 36(6): 1794
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测, 实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验, 其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650 K。 通过分析近红外波段的氨气吸收谱线, 并考虑实际测量环境H2O和CO2等浓度很大的气体吸收谱线的干扰, 实验选取2.25 μm附近的ν2+ν3谱线作为浓度检测谱线。 为了验证所选谱线对低浓度NH3的测量能力, 实验对H2O, CO2和NH3的吸收谱线进行模拟, 发现低浓度NH3受较大浓度的H2O和CO2谱线的干扰较小, 尤其是CO2谱线的干扰可以忽略不计, 且2.25 μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53 μm处的谱线。 基于新型Herriott池以及高温管式炉, 结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术, 实现了对不同温度下超低浓度NH3的高分辨率快速检测。 常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述, 直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。 通过采用简单降噪处理技术如多次平均、 简单小波分析等, 得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系, 为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。
可调谐激光吸收光谱 近红外 NH3浓度测量 探测极限 Tunable diode laser absorption spectroscopy Near-infrared Ammonia concentration measurement Detection limit 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1639
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 杭州 310027
基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS), 设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路, 交叉穿过目标区域, 得到24组直接吸收信号(DA), 并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台, 利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源, 选取HITRAN 数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证, 并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。
光学测量 可调谐激光吸收光谱 气体二维浓度 代数迭代重建 optical measurement tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS two-dimensional gas concentration algebraic reconstruction technique
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州310027
研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度二维分布测量的方法, 探索了重建气体浓度二维分布的模型和算法, 并采用数值模拟的方式对重建程序进行了可行性验证。 搭建了由24束激光束构成的场参数测量系统, 以甲烷/空气预混火焰中H2O为测量对象, 运用重建程序重建了火焰中H2O浓度的二维分布, 实验结果分析表明, 重建结果较真实的反应了火焰中H2O浓度的二维分布状态, 为实现优化燃烧控制提供重要数据。
可调谐激光吸收光谱 二维重建 代数迭代重建算法 Tunable diode laser absorption spectroscopy Two-dimensional reconstruction Algebraic reconstruction technique 光谱学与光谱分析
2012, 32(11): 2891
