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摘 要：介绍了傅里叶变换红外光谱技术以及对化工厂区域内进行氨气排放测量的原理以及测量方法，并对测量结果进行了简单的误差分析。为环境监测提供了依据。
关键词：傅里叶变换红外光谱技术 氨气排放 原理 测量 误差
随着现代工业的不断发展，环境污染现象越来越严重，特别是在化工厂区域内其污染现象更加严重。氨气是化工厂进行化工生产过程中常见的排放气体之一，在针对氨气进行的检测过程中，却存在着难以解决的问题，如果使用传统的方法进行氨气的检测，不但需要非常长的样品采集时间，而且在浓度比较低的情况下时间的分辨率也非常低，这样就使得氨气的检测时间相对延长，常常会延误氨气排放的控制。在这种情况下，使用傅里叶变换红外光谱技术不但可以快速进行氨气检测，而且其检测质量和效果良好。
一、傅里叶变换红外光谱技术
通过傅里叶变换红外光谱技术就可以检测到不同气体的广谱，并在对广谱分析的基础上实现对某些气体含量的检测。通常情况下，傅里叶变换红外光谱技术可以根据获取光源的方式不同分为主动式、被动式两种形式。（图1为典型的傅里叶变换红外光谱仪结构简图）其中主动式傅里叶变换红外光谱技术需要来源于外部的红外光源。
二、实验原理
太阳光从外层空间到达地表，进入光谱仪，其间伴随着温度和压力的变化而不断的变化。为了尽可能保证试验结果的精确度，按照温度、压力的变化将大气层进行分层处理，并且上一层接收到更上一层的辐射，并将辐射传递到下一层，按照红外物理知识，第m层辐射的广谱强度Im（v）可以用下面的式子表示：
Im（v）=sm（v）Bm（v，Tm）+Tm（v）Im-1（v）+ρm（v）
其中Bm（v，Tm）和物质的温度存在着一定的关系，是m层温度Tm时黑体辐射强度，可以用下面的式子表示：
Bm（v，Tm）=C1v3/eC2v/T-1；
C1-第一辐射常数（3.748×10-16W·m2）
C2-第二辐射常数（1.4388×10-16m·K）
m（v）-m层发射率
Tm（v）-m层透过率
Im-1（v）-上一层辐射输出的强度
ρm（v）-m层散射贡献
通常情况下，如果不考虑大气的散射率，辐射的总能量可以用下式表示：
α（v）+t（v）=1
α（v）-大气吸收率
t（v）-大气发射率
按照Kirchhoff定律：α（v）=ε（v）
ε（v）-气体吸收率
ε（v）+t（v）=1
ε（v）=1-t（v）
第m层辐射的广谱强度Im（v）就可以变为下式：
Im（v）=（1-tm（v））Bm（v，Tm）+Tm（v）Im-1（v）
由于氨气主要位于化工厂附近的地表，因此在检测时我们将大气层分成两层进行考虑，一层是位于地表化工厂附近的地表层，另一层就是地表层之上的大气层。我们将太阳辐射到大气层之上的强度设为Ia（v），被氨气吸收后的辐射强度为Ib（v），则
Ib（v）=（1-tb（v））Bb（v，Tb）+Tb（v）Ia（v）
太阳的表面温度大约可以达到6000k，当太阳辐射到地表层时，Ia（v）仍然远远大于Bb（v，Tb），因此，Bb（v，Tb）就可以忽略不计，这样一来，上面的式子就变化成了下面的式子：
Ib（v）=Tb（v）Ia（v）
按照beer-Lambert定律：
Ib（v）=Ia（v）e-σNL
Ib（v）-氣体吸收之后的光强
Ia（v）-无气体吸收的光强
σ-每一个分子吸收的截面积
N-氨气的浓度
L-总气体吸收光程
对照Ib（v）=Tb（v）Ia（v），可以知道：
Tb（v）=e-σNL
为了得到合理的检测数据，我们在远离检测区域，相对没有污染的区域使用相同的装置获取了参考光谱当作I1（v），并用I1（v）代替Ia（v）。
在检测过程中，可以获取经过氨气吸收后的光谱以及没有经过氨气吸收后的光谱，并进行对氨气吸收波段的处理，消除上层大气层对阳光辐射的影响，这样就可以得到靠近地表的气体透过率，这样就能够得出化工厂附近区域内氨气对光谱的吸收状况，从而得出氨气的排放量信息。
三、设备、方法和结果
仪器选用被动式傅里叶变换红外光谱仪+太阳跟踪仪，其中被动式傅里叶变换红外光谱仪的分辨率为1cm-1，平均扫描次数为一次，MCT，使用仪器NESR=5.0×10-9W/（cm2·sr·cm-1）。在检测过程中，将被动式傅里叶变换红外光谱仪和太阳跟踪仪放置到车中，在某化工厂区域内进行全自动跟踪测量，连续获取测量光谱，车速10km/h,一条光谱的获取时间为4～6s。然后对获取的光谱进行分析处理，对氨气的排放情况进行反演分析。经过分析处理，在化工厂区域内氨气的排放量约为19.325kg/h。
四、误差分析
由于受到风向以及车辆运行过程中接收太阳光线角度的变化，是本次检测误差的主要原因。
参考文献
[1]陈媛媛，张记龙，赵冬娥,，等.基于极限学习机的混合气体FTIR光谱定量分析[J].中北大学学报(自然科学版).2011，（05）.
[2]徐亮，刘建国，魏秀丽，高闽光，陆亦怀，赵雪松，朱军，刘文清，张天舒，陈华，等.开放光程傅里叶变换红外光谱系统观测城市空气中的NH3[J].大气与环境光学学报.2007,01（02）.
[3]金岭，高闽光，刘文清，陆亦怀，张玉钧，王亚萍，张天舒，徐亮，刘志明，陈军，等.SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用[J].光谱学与光谱分析.2010，06.
作者简介：李海涛 男 学历；本科 研究方向；化工技术
关键词：傅里叶变换红外光谱技术 氨气排放 原理 测量 误差
随着现代工业的不断发展，环境污染现象越来越严重，特别是在化工厂区域内其污染现象更加严重。氨气是化工厂进行化工生产过程中常见的排放气体之一，在针对氨气进行的检测过程中，却存在着难以解决的问题，如果使用传统的方法进行氨气的检测，不但需要非常长的样品采集时间，而且在浓度比较低的情况下时间的分辨率也非常低，这样就使得氨气的检测时间相对延长，常常会延误氨气排放的控制。在这种情况下，使用傅里叶变换红外光谱技术不但可以快速进行氨气检测，而且其检测质量和效果良好。
一、傅里叶变换红外光谱技术
通过傅里叶变换红外光谱技术就可以检测到不同气体的广谱，并在对广谱分析的基础上实现对某些气体含量的检测。通常情况下，傅里叶变换红外光谱技术可以根据获取光源的方式不同分为主动式、被动式两种形式。（图1为典型的傅里叶变换红外光谱仪结构简图）其中主动式傅里叶变换红外光谱技术需要来源于外部的红外光源。
二、实验原理
太阳光从外层空间到达地表，进入光谱仪，其间伴随着温度和压力的变化而不断的变化。为了尽可能保证试验结果的精确度，按照温度、压力的变化将大气层进行分层处理，并且上一层接收到更上一层的辐射，并将辐射传递到下一层，按照红外物理知识，第m层辐射的广谱强度Im（v）可以用下面的式子表示：
Im（v）=sm（v）Bm（v，Tm）+Tm（v）Im-1（v）+ρm（v）
其中Bm（v，Tm）和物质的温度存在着一定的关系，是m层温度Tm时黑体辐射强度，可以用下面的式子表示：
Bm（v，Tm）=C1v3/eC2v/T-1；
C1-第一辐射常数（3.748×10-16W·m2）
C2-第二辐射常数（1.4388×10-16m·K）
m（v）-m层发射率
Tm（v）-m层透过率
Im-1（v）-上一层辐射输出的强度
ρm（v）-m层散射贡献
通常情况下，如果不考虑大气的散射率，辐射的总能量可以用下式表示：
α（v）+t（v）=1
α（v）-大气吸收率
t（v）-大气发射率
按照Kirchhoff定律：α（v）=ε（v）
ε（v）-气体吸收率
ε（v）+t（v）=1
ε（v）=1-t（v）
第m层辐射的广谱强度Im（v）就可以变为下式：
Im（v）=（1-tm（v））Bm（v，Tm）+Tm（v）Im-1（v）
由于氨气主要位于化工厂附近的地表，因此在检测时我们将大气层分成两层进行考虑，一层是位于地表化工厂附近的地表层，另一层就是地表层之上的大气层。我们将太阳辐射到大气层之上的强度设为Ia（v），被氨气吸收后的辐射强度为Ib（v），则
Ib（v）=（1-tb（v））Bb（v，Tb）+Tb（v）Ia（v）
太阳的表面温度大约可以达到6000k，当太阳辐射到地表层时，Ia（v）仍然远远大于Bb（v，Tb），因此，Bb（v，Tb）就可以忽略不计，这样一来，上面的式子就变化成了下面的式子：
Ib（v）=Tb（v）Ia（v）
按照beer-Lambert定律：
Ib（v）=Ia（v）e-σNL
Ib（v）-氣体吸收之后的光强
Ia（v）-无气体吸收的光强
σ-每一个分子吸收的截面积
N-氨气的浓度
L-总气体吸收光程
对照Ib（v）=Tb（v）Ia（v），可以知道：
Tb（v）=e-σNL
为了得到合理的检测数据，我们在远离检测区域，相对没有污染的区域使用相同的装置获取了参考光谱当作I1（v），并用I1（v）代替Ia（v）。
在检测过程中，可以获取经过氨气吸收后的光谱以及没有经过氨气吸收后的光谱，并进行对氨气吸收波段的处理，消除上层大气层对阳光辐射的影响，这样就可以得到靠近地表的气体透过率，这样就能够得出化工厂附近区域内氨气对光谱的吸收状况，从而得出氨气的排放量信息。
三、设备、方法和结果
仪器选用被动式傅里叶变换红外光谱仪+太阳跟踪仪，其中被动式傅里叶变换红外光谱仪的分辨率为1cm-1，平均扫描次数为一次，MCT，使用仪器NESR=5.0×10-9W/（cm2·sr·cm-1）。在检测过程中，将被动式傅里叶变换红外光谱仪和太阳跟踪仪放置到车中，在某化工厂区域内进行全自动跟踪测量，连续获取测量光谱，车速10km/h,一条光谱的获取时间为4～6s。然后对获取的光谱进行分析处理，对氨气的排放情况进行反演分析。经过分析处理，在化工厂区域内氨气的排放量约为19.325kg/h。
四、误差分析
由于受到风向以及车辆运行过程中接收太阳光线角度的变化，是本次检测误差的主要原因。
参考文献
[1]陈媛媛，张记龙，赵冬娥,，等.基于极限学习机的混合气体FTIR光谱定量分析[J].中北大学学报(自然科学版).2011，（05）.
[2]徐亮，刘建国，魏秀丽，高闽光，陆亦怀，赵雪松，朱军，刘文清，张天舒，陈华，等.开放光程傅里叶变换红外光谱系统观测城市空气中的NH3[J].大气与环境光学学报.2007,01（02）.
[3]金岭，高闽光，刘文清，陆亦怀，张玉钧，王亚萍，张天舒，徐亮，刘志明，陈军，等.SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用[J].光谱学与光谱分析.2010，06.
作者简介：李海涛 男 学历；本科 研究方向；化工技术