在全球氣候變化治理的大背景下，溫室氣體的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)已成為環(huán)境科學(xué)、氣候變化研究及工業(yè)排放管控的核心需求。CO?、CH?、N?O及CO作為對(duì)氣候影響顯著的溫室氣體，其濃度的高精度、多組分同步監(jiān)測(cè)是開(kāi)展相關(guān)研究和管控工作的基礎(chǔ)。基于傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）技術(shù)的高精度多組分溫室氣體分析儀，憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為這四種氣體的同步檢測(cè)提供了可靠解決方案。本文將詳細(xì)闡述該分析儀的同步檢測(cè)原理，并對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。
該分析儀實(shí)現(xiàn)CO?、CH?、N?O及CO同步檢測(cè)的核心在于傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）技術(shù)，其通過(guò)對(duì)氣體分子紅外吸收特性的精準(zhǔn)捕捉與分析，完成多組分氣體的定性與定量檢測(cè)。
不同氣體分子的分子結(jié)構(gòu)，這使得它們對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有著專屬的吸收能力，就如同每種氣體都有“紅外指紋"。當(dāng)紅外光穿過(guò)含有CO?、CH?、N?O及CO的氣體樣品時(shí)，這四種氣體分子會(huì)分別吸收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光，形成包含多種吸收峰的復(fù)合紅外光譜。
分析儀的傾斜補(bǔ)償式雙臂掃擺型干涉儀會(huì)對(duì)紅外光進(jìn)行調(diào)制。該干涉儀采用雙擺臂結(jié)構(gòu)，能有效降低振動(dòng)干擾，確保光路穩(wěn)定。經(jīng)調(diào)制后的紅外光與氣體樣品作用后，產(chǎn)生的干涉信號(hào)被液氮制冷MCT探測(cè)器接收，隨后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這些電信號(hào)包含了所有被測(cè)氣體的吸收信息，通過(guò)傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換為紅外光譜圖，就可得到包含各氣體吸收特征的光譜數(shù)據(jù)。
為了從復(fù)合光譜中精準(zhǔn)提取每種氣體的濃度信息，分析儀運(yùn)用了非線性最小乘擬合算法。該算法基于數(shù)字合成校準(zhǔn)光譜，能精準(zhǔn)排除水汽以及各氣體之間的交叉干擾。它將實(shí)測(cè)光譜與已知濃度的各氣體標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行比對(duì)擬合，通過(guò)計(jì)算匹配程度，得出每種氣體的濃度。無(wú)論是在潔凈的大氣環(huán)境中，還是在存在多種干擾成分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，該算法都能準(zhǔn)確識(shí)別并提取目標(biāo)氣體的光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)四種氣體的同步定量分析。
此外，分析儀的多次反射吸收樣品池發(fā)揮了重要作用。10m的光程設(shè)計(jì)增加了紅外光與氣體分子的作用時(shí)間，使得即使是低濃度的氣體分子也能產(chǎn)生可被清晰探測(cè)到的吸收信號(hào)，大幅提升了檢測(cè)的靈敏度，為ppb量級(jí)的低濃度檢測(cè)提供了保障。
精度是衡量氣體分析儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)，主要通過(guò)min檢出限和測(cè)量范圍來(lái)體現(xiàn)。該分析儀采用先進(jìn)的FT-IR技術(shù)，結(jié)合多次反射吸收樣品池的增敏作用，在檢測(cè)CO?、CH?、N?O及CO時(shí)，min檢出限≤100ppb。這意味著即使氣體濃度低至ppb級(jí)別，分析儀也能準(zhǔn)確捕捉到其存在并進(jìn)行定量分析。
同時(shí)，其測(cè)量范圍覆蓋ppb～ppm量級(jí)，能夠滿足從環(huán)境大氣背景值監(jiān)測(cè)到工業(yè)污染源排放監(jiān)測(cè)等不同場(chǎng)景的需求。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過(guò)對(duì)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差極小，充分驗(yàn)證了其在不同濃度范圍內(nèi)的高精度檢測(cè)能力。
穩(wěn)定可靠的運(yùn)行是分析儀在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，這主要得益于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新。傾斜補(bǔ)償式雙臂掃擺型干涉儀作為技術(shù)，解決了傳統(tǒng)干涉儀抗震不足的痛點(diǎn)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等存在持續(xù)振動(dòng)的環(huán)境中，傳統(tǒng)干涉儀易出現(xiàn)光路偏移，導(dǎo)致測(cè)量誤差。而該干涉儀的雙擺臂結(jié)構(gòu)能自動(dòng)補(bǔ)償振動(dòng)影響，經(jīng)測(cè)試，在振動(dòng)頻率為5-50Hz、振幅為0.1-0.5mm的環(huán)境下，分析儀的測(cè)量偏差仍能控制在允許范圍內(nèi)，抗震性能顯著。
另外，液氮自動(dòng)添加系統(tǒng)確保了探測(cè)器的穩(wěn)定制冷。探測(cè)器的制冷效果直接影響光譜信號(hào)的采集質(zhì)量，該自動(dòng)添加系統(tǒng)能根據(jù)液位變化智能補(bǔ)給液氮，保證探測(cè)器始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行測(cè)試中，即使在85%濕度的環(huán)境下，分析儀也能保持穩(wěn)定的性能，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，充分證明了其在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。
高效的數(shù)據(jù)處理與傳輸能力是確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)揮作用的關(guān)鍵。分析儀配備中文軟件界面，操作簡(jiǎn)便，操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可熟練使用。在數(shù)據(jù)傳輸方面，其支持4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，從數(shù)據(jù)采集到傳輸至監(jiān)控平臺(tái)的時(shí)間間隔不超過(guò)10秒，能夠滿足實(shí)時(shí)決策的需求。
同時(shí)，分析儀可記錄并保存原始光譜數(shù)據(jù)和濃度測(cè)量結(jié)果，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量測(cè)試中，其能穩(wěn)定存儲(chǔ)至少3個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)讀取和導(dǎo)出便捷，為后續(xù)的研究和分析工作提供了便利。
該分析儀具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能在溫度10～30℃、濕度≤85%R.H.的環(huán)境下正常工作。在高溫、高濕等惡劣環(huán)境模擬測(cè)試中，將分析儀置于30℃、85%濕度的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)，其測(cè)量精度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)均未出現(xiàn)明顯下降，依然能準(zhǔn)確檢測(cè)出CO?、CH?、N?O及CO的濃度。這表明該分析儀能夠適應(yīng)不同地區(qū)、不同季節(jié)的環(huán)境條件，可在環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)、工業(yè)園區(qū)監(jiān)測(cè)等多種場(chǎng)景下穩(wěn)定應(yīng)用。
基于FT-IR技術(shù)的高精度多組分溫室氣體分析儀，借助傅里葉變換紅外光譜技術(shù)、非線性最小乘擬合算法等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了CO?、CH?、N?O及CO的同步檢測(cè)。通過(guò)性能驗(yàn)證可知，該分析儀在精度、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理與傳輸以及環(huán)境適應(yīng)性等方面均表現(xiàn)出色，min檢出限≤100ppb，測(cè)量范圍覆蓋ppb～ppm量級(jí)，能在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，且數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、準(zhǔn)確。
該分析儀的出現(xiàn)，為溫室氣體的多組分同步監(jiān)測(cè)提供了可靠的技術(shù)支撐，不僅可應(yīng)用于環(huán)境大氣溫室氣體高精度在線監(jiān)測(cè)，還能滿足環(huán)境大氣碳源匯、碳傳輸分析以及工業(yè)園區(qū)溫室氣體在線監(jiān)測(cè)等多種場(chǎng)景的需求，為氣候變化研究、環(huán)境管理和工業(yè)排放管控提供了有力的技術(shù)保障。
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