开放光路大气痕量气体成分红外在线自动监测系统
一、项目简介
长期以来，粗放型的经济增长方式导致我国的大气环境质量每况日下，区域生态污染问题日益严重，而相对于我国传统落后的环境防治水平而言，连续、自动、可多指标实时监测的环境空气质量监测设备一直是环境监察和相关管理部门的重要需求之一。
国内对大气污染中各种温室气体和有机化合物的分析，在相当长的时间内，都是采用气相色谱或液相色谱分散点取样测量法，但这些取样法有很多缺陷，如：工作人员必须进入污染区域；现场取样、实验室分析，设备和人力物力的浪费严重；空间和时间的分辨率很低；对特定区域内，污染物来源复杂的情况难以应付。开放光路FTIR是一种新兴的遥感监测方法，由于FTIR具有高灵敏度、高分辨率、高信噪比和较宽的波段覆盖范围等优点，所以它和长光程开放光路技术相结合可用于对测量区域内大气中污染气体实现高时间分辨率、高灵敏度、动态、非接触、实时和在线测量，可进行多组分的同时测量。测量过程中无需采样，无需对样品进行预处理。开放光路FTIR系统正被越来越多地应用于大气污染物，特别是有机物的在线监测。因此，研发能实现对大气痕量气体进行快速在线准确测量的相关技术和设备是大气痕量气体在线检测技术的发展趋势。
“开放光路大气痕量气体成分红外在线自动监测系统”是中国科学院环境光学与技术重点实验室在国家863计划“连续自动环境监测技术系统与设备”重点项目（No. 2007AA061504）的部署和支持下，自主研发的大气环境气体和空气质量自动在线监测设备。系统利用傅里叶变换红外光谱技术及双站式开放光路配置，通过对大气痕量气体成分红外辐射“指纹” 特征吸收光谱测量与分析实现多组分气体的定性和定量在线自动监测。
开放光路大气痕量气体成分红外在线自动监测系统实物
该系统可实现环境空气温室气体和污染源可挥发性有机物排放的原位、实时监测，可广泛用于环境监测部门对各类污染源排放、大气温室气体和痕量气体业务化监测，也可安装于自动监测站上用于对固定监测点的长期连续监测。系统性能优越，定量分析精度达到国际同类产品的水平，可操作性强、易于维护，优于国外同类产品。
项目单位通过多年的技术攻关和原理样机研发，已形成红外光谱处理技术、痕量气体定量反演算法、硬件系统研制方面的自主知识产权，并已研制成功可实现无人值守在线快速监测的OP-FTIR大气痕量气体监测系统与设备，系统的实用性得到了多次大型科学实验和国家重要公众活动观测任务的实际检验。2008年和2009年，本系统被用于北京、上海地区大气污染的长期连续观测，获得的结果为北京市2008年奥运空气质量保障方案的顺利实施提供数据监督和技术支持。
发明专利：
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序号 |
专利名称 |
类型 |
申请号 |
申请日 |
申请人 |
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1 |
一种干涉仪光路系统 |
发明 |
200810123021.7 |
2008年5月 |
魏秀丽等 |
软件登记：
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序号 |
软件名称 |
登记号 |
申请人 |
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1 |
傅里叶变换红外光谱模拟计算软件V1.0 |
2007SR07425 |
徐亮 |
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2 |
大气红外光谱在线采集控制软件V1.0 |
2009SR01344 |
徐亮 |
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3 |
大气多组分污染气体FTIR在线采集分析通用软件V1.0 |
2009SR01343 |
徐亮 |
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4 |
VOC红外标准光谱库浏览及格式转换软件V1.0 |
2009SR01342 |
徐亮 |
优势、特点分析：
（1）自准直的干涉光路，抗震性良好，能长期稳定工作。抗震性能是实用型光学系统设计的关键问题，采用自准直的干涉光路结构，在震动、噪声等的影响下也能保持光路长期稳定。
（2）新的多组分气体实时反演方法。研制的开放光路FTIR系统能够同时对很宽的光谱波段进行测量，包含多种气体成分的信息，采用基于偏最小二乘的多组分分析方法，能够从多种组分叠加的光谱中分离出每一种成分的浓度信息。
（3）高灵敏度和高分辨率。可对环境大气中的多种有机物气体进行监测，探测下限低至ppb量级。
（4）易扩展性。对于新的污染物质，只需要在气体分子谱线数据库中添加其特征光谱，就可以对其进行测量，无需对硬件和软件进行改动。
技术指标：
1. 多组分非接触实时监测10～20种VOCs(并具有可扩展性)；
2. 主要成份的检测下限<10ppb；
3. 动态范围ppb级到ppm，检测精度优于±5%；
4. 响应时间小于1分钟；
5. 数据库不少于200物种；
6. CH4、CO2、N2O、NH3等成分检测下限分别达到100ppb、1ppm、10ppb、10ppb；
7. 工作温度：－10～45℃；
8. 工作方式：连续、在线；
9. 软件运行平台：windows XP。
应用范围：
1. 石油化工厂区及周界的VOCs监测；
2. 污染源排放监测；
3. 工业生产过程的排放控制监测；
4. 大气温室气体监测。
二、市场需求预测及效益分析
从社会效益上看，目前空气质量在线检测技术的研究是国际上环境监测领域的一个研究重点。近年来，我国各种污染源气体泄漏及污染事件爆发日益频繁，已经严重威胁到了人民群众的身体健康和生命安全。OP-FTIR大气痕量气体在线监测技术可以实现大气痕量气体、温室气体和可挥发性有机物的原位、实时监测，将会显著提高环境监测部门的监测技术水平，解决目前检测只能在实验室完成的困境，大大简化了测量步骤的烦琐程度，降低监测成本，同时满足了现代环境监测实时、快速、原位的要求。
从经济效益上看，实时在线式监测仪为近年出现的新市场，按全国主要污染源和一些城市环境空气质量及温室气体的监测需求，本项目实现产业化后，将具有非常大的市场前景。
本系统的研制工作始于2005年，研发单位是中国科学院环境光学与技术重点实验室、安徽光学精密机械研究所环境光学中心激光与红外研究室。经过国家863 计划和中国科学院知识创新工程的建设和支持，项目组在红外遥测领域具有坚实的理论基础和较为丰富的技术背景，已开展大气成分的红外光谱分析、大气辐射传输特性和气溶胶红外光谱测量等工作，具备开展各种实验验证和系统集成研究的基础条件，有助于研究和验证各种红外光谱建模和辐射传输模型及定量分析算法的深入研究，进一步推动该项目持续的技术创新和产业化。
四、合作模式
技术转让或合作开发。预计投资规模1000万元，先期投资约需500万元，产业化后5年内预期经济效益2－3亿元。
