非分散红外烟气测量技术及电路系统

关键词：非分散红外，多组份，气体检测，DSP，Atmega128
I
Abstract Research on Flue Gas measuring technology Based on Non-dispersive infrared and the Circuit System Yu Xiaoman Directed by Prof. Liu Wenqing
答辩委员会主席
胡以华
郑重声明和承诺
本人呈交的学位论文， 是在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签名： 日期：
摘要
摘要
随着工业化程度的进一步提高，人们越来越关注空气污染对全球环境的影 响。 化石燃料燃烧设备的排放物， 通常包含多种不同类型的污染气体， 例如 NO2， SO2 等，由于这些有害排放物对环境具有潜在威胁，很多国家都监测不同类型废 气的排放。为确保排放的气体浓度符合相关标准，人们迫切需要能安装在污染排 放源如电站和焚化炉上的连续排放监测系统（ CEMS ， Continuous Emission Monitoring System） 。 针对国内烟气分析仪探测范围小、测量精度不高、分析组份单一等问题，通 过分析研究国内外气体检测方法的现状和发展趋势， 研制了基于非分散红外吸收 法的多组份烟气分析系统， 用于分析工业现场排放的 CO、 CO2、 NO、 NO2、 SO2， 同时采用电化学方法测量 O2。 本论文通过对气体红外辐射选择性吸收的的理论分析， 确定了基于 NDIR 技 术的多组份气体浓度反演方案。 设计的滤光轮起到了光学滤波和调制光波的双重 作用，多次反射池有效地增加了气体的吸收光程；部分气体测量采用双通道分析 技术，既保证了分析仪的高灵敏度，又扩大了动态测量范围；采用温度闭环控制 方法恒定样品池温度，提高了系统的测量准确度。论文主要介绍了多组份气体交 叉干扰扣除算法和微弱信号检测方法与电路实现， 并设计了基于单片机的高精度 数据采集系统，在此基础上，完成了系统软件程序编写。最后对系统进行定标和 性能测试，并对实验数据进行了分析和处理，结果表明设计的多组份气体检测系 统具有良好的稳定性和可靠性。
II
Abstract algorithm, weak signal detection technology and the design of high-precision data acquisition system was mainly introduced. Finally, the system measuring performance is studied; the results show that the system is stable and reliable.
分类号 UDC
密级 编号
中国科学院研究生院 硕士学位论文
非分散红外烟气测量技术及电路系统
于晓曼
指导教师
刘文清
研究员
中国科学院安徽光学精密机械研究所 申请学位级别 论文提交日期 培养单位 学位授予单位 硕士 学科专业名称 光学 2011 年 5 月
2011 年 4 月 论文答辩日期
中国科学院合肥物质科学研究院 中国科学院研究生院
Abstract
As a result of increasing industrialization, human beings are more and more concerning over the world-wide impact of air pollution. Emissions from a smokestack of fossil fuel combustion faculties typically include multiple types of harmful gases, such as CO2, NO2, SO2, CO, NO, etc. Many countries regulate such emissions of the different types of waste gases because of potential environmental hazards posed by them. There is an increasing need for continuous emission monitoring system (CEMS) that can be installed at emissions sources such as power plants and incinerators to ensure that emitted gas concentrations are compliant with corresponding regulations. In order to resolve the deficiencies of current domestic gas analyzers, such as, small detection area, low measurement accuracy and only single-gas available. A type of multi-gas analysis system was obtained after reviewing the development of gas analysis techniques and the present gas analyzers. This type of analyzer can be used to measure the concentration of CO、 CO2、 NO、 NO2、 SO2 with the application of infrared absorption principle and the concentration of O2 with a electrochemical sensor. Based on the unique light absorption characteristics of gases emitted by a smokestack, we propose a practical scheme for multi-gas analysis. The filter wheel can both filter and modulate the optical signal and the sample cell includes three spherical mirrors to increase the optical path length of the modulated optical signal. The dual-channel analysis technology is used in some gas, which can both improve the system sensitivity and expand the dynamic range. The constant temperature closed-loop control method is used to stabilize the temperature of the sample cell, which results in more accurate gas concentration readings. The interference correction
Keywords：Non-dispersive infrared, Multi-component, Gas-detection, DSP, Atmega128
III
Байду номын сангаас录
目录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 目录......................................................................................................................IV 第一章 绪论..........................................................................................................1 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 第二章 2.1. 2.2. 2.3. 第三章 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 第四章 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 第五章 5.1. 引言....................................................................................................1 气体检测方法及原理综述................................................................2 红外吸收型气体检测国内外发展状况............................................5 本文的主要内容和目标....................................................................6 NDIR气体检测方法及系统 ..................................................................9 非分光红外（NDIR）检测技术基本原理 ......................................9 NDIR检测系统 ................................................................................12 本章小结..........................................................................................16 微弱信号提取及系统电路设计及实现..............................................17 红外微弱信号检测的要求..............................................................18 微弱信号提取的设计......................................................................18 系统其他电路设计..........................................................................32 本章小结..........................................................................................37 软件设计..............................................................................................39 系统主程序......................................................................................39 数据采集程序设计..........................................................................41 算法反演程序设计..........................................................................42 液晶显示子程序设计......................................................................45 通信子程序设计..............................................................................49 本章小结..........................................................................................49 实验结果与分析..................................................................................51 多组份气体检测系统的标定..........................................................51