煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)有煙氣在線監(jiān)測儀、測量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和采集系統(tǒng)、中心站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件等組成。在現(xiàn)場進(jìn)行直接采樣，測量出排放氣體中污染物濃度，并且測出排放氣體中壓力、流速、溫度等參數(shù)，通過信號的轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，發(fā)送到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。然后就可以得到污染物排放率和排放量，監(jiān)測、存儲煙氣數(shù)據(jù)；同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)把這些參數(shù)傳輸?shù)狡髽I(yè)和環(huán)保部門，達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測多種污染氣體的效果。

一、測量原理  

物質(zhì)對電磁輻射具有吸收作用，這種現(xiàn)象稱之為吸收光譜，和物質(zhì)的吸收特性及輻射能量有關(guān)。所以說，不同物質(zhì)對于輻射的吸收是有選擇性的，每一種物質(zhì)都有各自的特征吸收光譜，不同的氣體對光的也有不同的吸收光譜。利用物質(zhì)吸收譜分析方法可以同時(shí)測定多種污染氣體的濃度。

1、光吸收定律  光吸收定律，是研究光吸收的最基本定律。即比爾—朗伯定律：第一條定律是朗伯在十八世紀(jì)七十年代發(fā)現(xiàn)的，他提出入射光被物質(zhì)吸收了多少與樣本介質(zhì)的厚度有關(guān)【2】；第二條定律是比耳在十九世紀(jì)五十年代提出的，他提出入射光被物質(zhì)吸收了多少與樣本濃度有關(guān)，我們稱為比耳定律【3】。這兩條定律合稱為比爾—朗伯定律，即光的吸收定律。綜合上述兩條定律，可知：當(dāng)我們測量的濃度和厚度是可變的，我們必須考慮物質(zhì)濃度C對吸光度A的影響。

(1)是朗伯-比耳定律的數(shù)學(xué)式。上式結(jié)果表明：I0為定值，當(dāng)入射光強(qiáng)It一定時(shí)，A與CL成正比。它是分光度分析法的依據(jù)和基礎(chǔ)。上式中K為比例常數(shù),它的值取決于物質(zhì)的性質(zhì)、溫度及入射光的波長。  

如果在一個(gè)特定的波長下，測量物質(zhì)中包含著各種各樣的光吸收材料，我們在計(jì)算被測物質(zhì)對該波長光的總吸收度時(shí)，應(yīng)該等于該介質(zhì)各成分對光的吸收度之和。即吸光度具有加合性。

2、差分吸收光譜法原理  

DOAS是光學(xué)差分吸收光譜法（英文名：Differential Optical Absorption Spectroscopy）【4】 。該項(xiàng)技術(shù)源于上世紀(jì)八十年代德國Platt教授提出的差分吸收光譜法，在測定大氣中污染氣體濃度中廣泛運(yùn)用，并在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。DOAS主要優(yōu)點(diǎn)是測定物質(zhì)絕對濃度時(shí)不會被物質(zhì)本身的化學(xué)性質(zhì)所干擾；可以通過分析幾種氣體在同一波段的重疊吸收光譜，來同時(shí)測定幾種氣體的濃度。  差分吸收光譜法在比爾—朗伯定律上研究出來的。強(qiáng)度為) (0?I的光由發(fā)射源發(fā)出并打到被檢測打的煙氣上，因?yàn)榘l(fā)射光受到不同成分氣體的吸收與散射，射出來的光強(qiáng)衰減，并記為)(?I，并由下式確定：

式中，in是第i種氣體的濃度，而??i??是吸收截面，和波長相關(guān)；??Rk???Mk?分 別是氣體分子和煙霧粒子Mile的散射系數(shù)，D是光學(xué)路徑長度。  由SO2、NOx等氣體的吸收譜線可以發(fā)現(xiàn)：紫外光譜中因?yàn)楹泻芏嘁驗(yàn)榉肿诱褶D(zhuǎn)能級不同造成精細(xì)度改變，通過這種精細(xì)改變我們可以計(jì)算煙氣濃度。在對煙氣濃度計(jì)算時(shí)，我們將式（2）分為兩部分：在分析和計(jì)算，公式（2）分為兩個(gè)部分：快速和慢速的部分。定義如下：

上式中，??,diffi??和?? diffI?分別是差分吸收的快變吸收系數(shù)，快變吸收光強(qiáng)，而??0,i??和??0I??是差分吸收的慢變吸收系數(shù)和慢變?nèi)肷涔鈴?qiáng)。  

在粒徑較小，由于瑞利散射和Mie散射的影響只有慢變化部分的吸收光譜，只考慮 吸收光譜的快變部分可以避免瑞利和Mie散射對濃度計(jì)算的影響。因此表達(dá)式（2）可寫為：

分析過程如下一些常見的污染氣體吸收截面主如圖2-1所示，然后選擇特征頻帶進(jìn)行測量計(jì)算就可以得到煙氣濃度。幾種納米測量表2-1所列的中心波長的吸收光譜，與標(biāo)準(zhǔn)的光譜對比，我們可以獲得被測氣體的濃度。如果要增加檢測氣體的種類，將污染標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜輸入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行替換就行了，而不需要更新軟件。

依照以上的原理，可以得到的紫外光譜，如圖2-2（A），顯示的測量譜線，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別是波長和光譜值，圖（A）中有各種影響條件，例如：被測氣體分子吸收的影響，灰塵顆粒和陽光的光：在一些氣體成分污染氣體和光源強(qiáng)度會隨著時(shí)間慢慢改變，這對測量結(jié)果的影響和準(zhǔn)確性。我們將所測得的原始光譜(A)和(B)相減得到各種現(xiàn)實(shí)因素（C）。其它包含兩個(gè)不同的頻率成分，就是R線的快變和S線的慢化。根據(jù)分子光譜特性曲線，s曲線由其他因素產(chǎn)生的（例灰塵或其他顆粒），因此，我們可以用數(shù)學(xué)的方法去除S曲線，只剩下包含各種氣體分子吸收光譜(E)。在圖的一端（D）線，我們使用單分子已知光譜組。如：圖(E)、圖(F)，將他們進(jìn)行累加結(jié)果為圖(G)。

最后我們計(jì)算出被測氣體的種類XN，濃度Kn。在實(shí)際的模擬中，計(jì)算機(jī)仿真軟件，將測量結(jié)果的基礎(chǔ)上確定多少單分子線最適合最佳擬合實(shí)驗(yàn)工作。因?yàn)榇嬖诓蓸拥木群陀?jì)算誤差，使得測量譜線的Z和模擬譜線X之間總是存在誤差 X，這樣，從分析方法來講怎樣將誤差控制在測量精度要求的范圍內(nèi)是紫外差分法的關(guān)鍵。  

以上可以看出，紫外差分法可同時(shí)監(jiān)測各種污染氣體，且具有以下優(yōu)點(diǎn)： 

粉塵干擾：通過緩慢改變消除干擾，沒有對結(jié)果造成影響。 

儀器老化：衰老緩慢變化的淘汰，沒有對結(jié)果造成影響。   

交叉干擾：可監(jiān)測煙氣中不同氣體濃度，沒有交叉干擾的問題。 

光路污染：通過緩慢改變消除，沒有對結(jié)果造成影響。

3、顆粒物的測量原理  

通過比爾定律，選用不透明度法，就是將單色且平行的光射入污染物氣體中時(shí)，由于分子對光的吸收和散射，期光強(qiáng)會變小。

二、煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案分析  

煙氣CEMS由顆粒物和氣態(tài)污染物、煙氣參數(shù)測定子系統(tǒng)構(gòu)成。經(jīng)過采樣或非采樣，測定污染氣體的濃度，實(shí)時(shí)監(jiān)測煙氣中溫度、流速、流量等參數(shù)；通過計(jì)算計(jì)算出污染氣體的排放量；顯示儲存各種參數(shù)，同時(shí)通過軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)和環(huán)保部門。

煙氣CEMS功能是測定污染氣體中不同種類氣體的濃度；顆粒物CEMS主要功能是測定煙塵中顆粒物濃度；氣態(tài)參數(shù)CEMS功能是測定流速、濕度等，用于對相關(guān)氣體濃度的計(jì)算；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和處理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同濃度對應(yīng)的干基、濕基及折算濃度；計(jì)算出不同時(shí)間段污染氣體排放量并把參數(shù)傳送至環(huán)保部門和企業(yè)。  

按照煙氣在線系統(tǒng)構(gòu)成可以把煙氣CEMS分為現(xiàn)場測量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

1、現(xiàn)場測量系統(tǒng)  

現(xiàn)場測量系統(tǒng)包括顆粒物CEMS , 煙氣參數(shù)CEMS，氣態(tài)污染物CEMS。 

① 顆粒物CEMS技術(shù)介紹  

用β射線法和光學(xué)監(jiān)控方法的粒子，并根據(jù)光學(xué)方法可以分為不透明度和背散射法。 

β射線法原理是β射線穿過材料的強(qiáng)度衰減，衰減的強(qiáng)度與物質(zhì)的質(zhì)量成比例。該法不受樣品顏色大小及原子量影響，可直接測量煙塵質(zhì)量濃度，與重量法相關(guān)性好。但是如果煙氣中有水分的話容易造成測量誤差，同時(shí)封閉不好還會產(chǎn)生誤差；由于現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量差，不適合長期連續(xù)監(jiān)測。  

光學(xué)法包括不透明度法和背散射法:不透明度法運(yùn)用同樣速度進(jìn)行采樣并稱重從而計(jì)算煙塵的質(zhì)量，然后用光不透明度構(gòu)建對應(yīng)關(guān)系，大部分情況下是線性關(guān)系。這種方法的好處是范圍廣，量程在0 ~ 10000mg／m3，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。這種方法靈敏度低，更適合測量一些顆粒尺寸較大，高濃度的化工企業(yè)；不同直徑的塵埃粒子透射率不同，需要對他們進(jìn)行校準(zhǔn)；同時(shí)，需要對角反鏡進(jìn)行定期的清洗與維護(hù)。  

背散射法是當(dāng)一束光射到煙道內(nèi)，煙塵粒子會使光發(fā)生散射，散射光與入射光形成一定角度。同時(shí)散射光被該夾角的接收機(jī)接收，光強(qiáng)度和煙塵質(zhì)量符合比爾-朗伯定律。這種方法靈敏度較高，適用于對粉塵濃度較低的場所進(jìn)行監(jiān)控，而不適用于比如煤燃料這種工作狀態(tài)不穩(wěn)定的場所；同時(shí)還需要作相關(guān)校準(zhǔn)。

② 煙氣參數(shù)測量子系統(tǒng)  

這部分主要測量煙氣的溫度，壓力，流速，濕度，氧量；其中，這些煙氣參數(shù)通過對應(yīng)的變速器進(jìn)行信號采集，然后將采集的模擬信號通過232信號線傳輸?shù)较鄬?yīng)的測量儀上，測量儀經(jīng)過A-D轉(zhuǎn)換計(jì)算出這些參數(shù)。例如：測量煙氣中的氧量，煙氣經(jīng)過氧量變速器（在氧化鋯頭），變速器上的信號采集器將采集的模擬信號通過232線傳輸?shù)窖鯗y量儀（即氧化鋯表頭），經(jīng)過處理后顯示在儀表上。

③ 氣態(tài)污染物CEMS系統(tǒng)  

氣態(tài)污染物CEMS系統(tǒng)可根據(jù)三種不同的測量方法進(jìn)行分別研究。  

a.直接抽取式（加熱管法）  這是一個(gè)舊的系統(tǒng)技術(shù)，包括從煙道通過探針取樣，煙氣除塵，由一定長度的絕緣裝置加熱管采樣，經(jīng)過精細(xì)除塵，除濕等預(yù)處理后，最終進(jìn)入分析儀。直接提取監(jiān)測系統(tǒng)面臨的問題：測量前必須脫除煙氣中的顆粒，大部分采取三級過濾；從而避免了煙氣在進(jìn)入分析儀前，煙氣中的比較高水份在管內(nèi)壁冷凝，迅速消除了煙氣中的水份；冷卻氣體在5 ~ 40℃溫度。這個(gè)步驟要需要電磁閥、蠕動(dòng)泵、加熱管等裝置，同時(shí)還需要傳輸和調(diào)節(jié)氣體所必須的部件。這些零件必需要定期保養(yǎng)，維修，排除故障，更換探針固定過濾器，以防止管道泄漏等。該方法被廣泛應(yīng)用，尤其是在日本，但該技術(shù)存在先天性缺陷，就是采樣氣體很難在取樣煙道內(nèi)保持原有的狀態(tài)運(yùn)到分析儀，尤其是酸性氣體，如HCL、SO2、NO2等。

b. 稀釋抽取式（稀釋法）  

把污染氣體用特定的配比進(jìn)行稀釋，把處理后的污染氣體煙氣送進(jìn)分析儀。因?yàn)閷煔獠扇×溯^大比例的稀釋（如陪比200:1）。同時(shí)探頭頂部的尖嘴口會產(chǎn)生壓力差值，即靜壓和動(dòng)壓。所以氣體稀釋露點(diǎn)下降，不需要加熱管，解決了氣體傳輸問題的分析。但這種方法很難控制稀釋比例，由于設(shè)計(jì)，稀釋探頭生產(chǎn)是困難的，一般采用進(jìn)口。 

c. 直接測量法   

雖然抽取式方法應(yīng)用范圍廣泛、普遍性高，但仍有一些固有缺點(diǎn)，如管道長，且易老化，從而導(dǎo)致滲漏，加熱線容易斷，污染氣體中的水汽凝結(jié)，由于管道老化會導(dǎo)致漏氣、加熱絲斷，煙氣中水分冷凝，導(dǎo)致稀釋比例變化 。雖然抽取式應(yīng)用范圍大，但是校準(zhǔn)器材浪費(fèi)巨大的標(biāo)準(zhǔn)氣體，且日常維護(hù)工作量大。這激發(fā)了人們“把污染物含量直接在煙道或管道內(nèi)監(jiān)測”的想法。經(jīng)過多年的努力，終于實(shí)現(xiàn)了這種方法。設(shè)計(jì)與生產(chǎn)了在線檢測污染排放的新一代在線檢測系統(tǒng)，現(xiàn)場檢測系統(tǒng)CEMS,CEMS結(jié)構(gòu)是由光譜儀上氘燈射出一束通過采樣管并進(jìn)入煙道的光，由于氘燈光對SO2，NOx等的吸收光譜特性不同，可測出他們的濃度?，F(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得更為簡單、緊湊，不需用標(biāo)準(zhǔn)氣體去頻繁標(biāo)定儀器。這不僅是最現(xiàn)代的連續(xù)排放監(jiān)測的方法，還是目前最準(zhǔn)確的和具有代表性的氣體和粒子分析儀。因?yàn)檫x用原理不同的方法，和抽取式測量原理不同，所以直接測量法不需要任抽取式探頭裝置和采樣系統(tǒng)，能提供所有沿測量路徑中氣體和塵埃組成（從煙道的一側(cè)到另一側(cè)）更高的可靠性，準(zhǔn)確性和比較有代表性的測量。外國制造商代表生病/麥哈克等。

2、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)  

為了能對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效穩(wěn)定的采集和處理，我們選用占用內(nèi)存小且能對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理的WIN CE系統(tǒng)。該系統(tǒng)只有6M，但能對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，且不會造成死機(jī)。各種參數(shù)傳感器和采集卡將采集到信號通過232信號線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，這些數(shù)據(jù)通過軟件和顯示器顯示出來。

3、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心  

因?yàn)楸O(jiān)測現(xiàn)場大部分都是一些高污染地區(qū)（比如：鋼鐵廠，水泥廠），用戶很難及時(shí)了解現(xiàn)場污染情況。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件通過有線網(wǎng)或無線網(wǎng)，將數(shù)據(jù)直接傳送到用戶計(jì)算機(jī)上，用戶無需去現(xiàn)場即可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，儀器運(yùn)行狀況和對數(shù)據(jù)下載存儲。這種方法節(jié)省了大量人力物力，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)控功能。