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国产环境监测仪器异军突起

数读市场中国仪表网2007年02月06日 10:14人气:4292

中科院安徽光机所承担的国家“863”计划“可调谐红外激光差分吸收汽车尾气道边监测技术与系统研究”等4个课题,使我国高档环境监测仪器的研发水平得到了较快发展。该所科研人员刻苦攻关,研制出国产空气自动监测设备,打破了多年来我国高档监测仪器必须依赖国外进口局面的报道。

“2000年开始,国家开始注重城市空气质量日报工作,并在城市空气自动监测系统建设方面给予了资金支持,推动了全国空气质量自动监测系统的建设。”现在开展的全国城市环境空气质量日报和预报,在推动空气自动监测系统建设的同时,也促进了空气自动监测系统设备的国产化,并取得了长足的进展。

2001年和2002年国家环保总局城市空气自动监测系统建设项目全部使用国产设备,而一些省和城市自己配备的设备也使用了国产设备。2003年8月中国环境监测总站对全国使用空气自动监测设备的初步调查结果表明,全国使用的国产空气自动监测设备已达到40.7%。

城市空气质量监测子站系统为国家节省上亿元

目前我国环境空气质量监测存在的问题主要包括现有城市空气自动监测系统尚未完善;部分区域监测点位不能满足评价区域和国家空气质量的要求;环境背景点和对照点不足;现有城市点位的监测数据已不能代表城市发展后的环境空气质量;监测项目单一,国际普遍关注的一氧化碳等项目我国仅有少数城市开展监测,难以与国际城市进行对比。所以城市空气质量自动监测子站系统市场需求量很大。

2000年前,我国空气自动监测系统全部依赖进口,但一套进口设备需要人民币60至70万元,而长光程设备则要80至90万元,昂贵的价格严重影响了我国大部分城市的空气质量监测工作的开展。安光所凭借在光、机、电、自动控制及光谱分析方面具有的优势,研究开发的城市空气质量监测子站系统在质量和功能上与国外同类产品相当,而价格仅为进口仪器设备的50%至60%。“这样的价格对于我国大部分还不富裕地区广泛开展大气环境监测工作,起到了极大的促进作用。”该产品的产业化生产为全国环保监测部门提供了城市空气质量监测子站整套产品,并替代了进口产品。

2002年,安光所在承担了863计划城市空气质量自动监测系统关键技术及集成设备研制课题,对城市空气质量自动监测子站系统的监测指标、功能进行了扩展,进一步解决了产业化过程中的关键工程技术和系统技术问题,进一步为批量生产打下基础。2003年,该所又承担了基于激光技术的大气污染光学监测技术与产业化课题,在原有基础上,对城市空气质量自动监测子站系统进行了优化设计,对电路设计、软件设计和仪器结构进行了改进,从技术上保证了所研制仪器达到了国家有关技术规范。

2004至2005年,该设备已完成近80多套的生产和安装,市场占有率从15%提高到30%。目前该设备已在全国17个省、自治区和直辖市安装160套,创产值7000多万元,占全国同期城市空气质量监测系统产品三分之一的市场份额。同时,由于这些项目的开展,国家环境保护总局从2002年开始在国家环境空气质量建设招标中已不再采用进口设备。据中国环境监测总站和国家环保产业协会的统计,仅仅城市空气质量监测科研成果的产业化,在替代进口方面已经累计为国家节省外汇上亿元人民币。

院所企业合作共建产业化基地

“如何尽快地把863计划成果产业化是发展高技术,实现以高技术产业为先导的我国新型工业化道路的战略举措,也是科技界义不容辞的重要职责。”刘文清所长说:“在产业化方面,研究单位并不擅长,因此从2001年开始,我们就已经跟企业建立了定期信息交流的机制,开展了紧密合作,我们满足企业的需求,企业帮助我们把产品推向市场。”

在863计划的支持下,该所在安徽建立了863计划光学环境监测技术成果产业化基地,其特点是由技术链起作用将基地内相关企业互连起来,向社会提供环境监测的系列产品,形成产业,同时又不影响企业各自独立经营。这样既保持了技术源头不断创新,成果在基地引导资金催化下进行产品创新,企业则实现快速技术升级,快速生产出替代进口、有竞争力的新产品。

基地建设中,以安光所为组织牵头单位,安徽省内两家高新技术企业———铜陵蓝盾光电子有限公司和安徽宝龙集团为合作单位,建立以光学环境监测技术为主要发展方向的安徽环境光学监测技术产业化基地特色经济区域,并逐步吸纳安徽省内其他骨干企业和科研院所的加盟。刘文清表示,此举将以更大的规模、更快的速度为国家环境监测能力建设提供必需的监测手段和高新技术,突出自主创新,发展高灵敏在线监测技术和方法、并实现产业化。

走进863:用光学手段研究环境问题

在中国科学院安徽光机所的实验室内,一台造型独特的仪器引起了记者的注意。该仪器状若望远镜,粗大的“镜筒”水平照向窗外,而与之连接的电脑显示器则每隔几分钟便跳出一串数字来。研究人员介绍,这是所里研发的“差分光学吸收光谱(DOAS)在线监测系统”,可实现对空气环境的自动监测。

“环境光学监测技术具有常规方法不可替代的优越性。”所长刘文清如是说,“该技术监测范围广、速度快、成本低,便于进行长期的动态监测,已成为环境监测分析仪器的主流发展方向。”

2005年3月,安光所承担了国家863计划“城市大气污染时空分布光学监测技术系统与示范”课题,完成了长光程开放光路FTIR(傅立叶变换红外光谱)实验系统集成、被动扫描DOAS实验系统集成、多次反射吸收池光路的TDLAS(可调谐二极管激光光谱)系统以及长光程DOAS系统的优化改进工作。在优化、集成的基础上,建立城市大气污染时空分布监测技术平台,开展以石景山地区为示范的联合观测实验,探讨区域大气污染防护和治理中需要采用的监测技术路线,并进一步解决了产业化过程中的关键技术。

DOAS实现大气环境非接触在线自动监测

“DOAS是近年来发展的大气环境污染监测的一项高新技术,主要是以空气中的痕量污染成分对紫外及可见光波段的特征吸收光谱特性为基础,通过特征吸收光谱鉴别环境空气中污染物气体的类型和浓度。”刘文清告诉记者,每种气体都具有自己独特的吸收光谱,因此在一束通过环境空气的光中,可同时得到多种气体的特征吸收光谱,通过光谱分析仪和计算机可分离出每种气体的特征吸收光谱,对每种气体的特征吸收光谱用计算机进行数据处理,可快速实时得到所监测污染物的监测结果,从而实现了大气环境污染的完全非接触在线自动监测。

被动DOAS技术通过测量天空散射的太阳光来解析大气层中的痕量气体组分。系统接收到的散射光信号包含了二氧化硫、二氧化氮等污染气体分子的吸收特征,通过光谱解析获得这些污染气体分子的柱密度。

另外,光机所研制的长光程DOAS系统由发射和接收单元、测量仪器单元、数据采集和数据处理单元、污染物种类和浓度反演软件组成,采用长光程收发兼容监测方式,发射光源和光接收器采用单站工作方式。刘文清介绍,在实际工作中,将测量系统及光角反射器分置于选定的两点,这时接收器所收到的是被光径上气体分子吸收后的光线,随后光线经传送光缆、分光镜及光栅等转变成0.2纳米波宽的光信号,由探测器及模数转换器转换成数字信号后,送入计算机进行处理,处理结果分别存人数据存储器或由显示器显示。

他表示,系统的研制工作主要从光学及结构设计、数据采集及信号处理、系统控制、数值模拟及污染物种类浓度反演软件、系统标定等几个方面进行,重点解决的关键技术主要包括发射与接收和自校准兼容的望远镜系统,确保系统不受环境温度、湿度的影响;快速夹缝扫描式光电倍增管探测光谱仪,确保测量不受大气湍流的影响;多种污染物浓度反演计算分析软件等。

OP-FTIR提供新兴污染物测量手段

FTIR技术已经是实验室用于测量红外吸收和发射光谱的主要方法,开放光路傅立叶变换红外光谱系统(OP-FTIR)则提供了一种新兴的污染物测量的手段。刘文清介绍说,它不仅继承了传统的傅立叶变换红外光谱仪所固有的优点,相对于传统点采样设备来说,还具有采样范围广,可在线分析等特点。

据介绍,安光所研发的OP-FTIR系统采用选用中国航空航天工业部洛阳014所生产的高温黑体辐射源作为系统红外光源,具有亮度高,输出稳定等优点。黑体温度精确可控,工作温度为室温至1500摄氏度,考虑到黑体长时间工作,一般设定温度为900摄氏度。

同时,系统的核心硬件单元———光谱仪是采用ABBBomem公司的MR154型光谱仪进行系统集成;红外探测器使用两套液氮制冷的高灵敏度MCT探测器以及InSb探测器;发射望远镜为透射式伽利略望远镜,放大倍数6倍,输出口径60mm,物镜和目镜均为镀增透膜的硒化锌透镜。接收望远镜为卡塞格林望远镜,接收口径为250mm,视场角为4.9毫弧度。

课题组还专门为OP-FTIR测量设计了光束反射装置———面阵角反射器。刘文清说,该反射器采用三十个空心角反射器列阵,可满足往返500米测量光程的要求,采用镀金保护膜,使得其在650纳米到远红外内的反射率高达98%。

另外,系统软件是全系统的核心技术单元,包括Hitran数据库,浓度反演算法、现场测控软件组成。他说:“我们用目前掌握的最先进的非线性最小二乘拟合算法,开发了基于吸收线参数数据库(HITRAN)标准数据库分子吸收截面的浓度反演算法,开发Win鄄dows平台上的测控软件。”他告诉记者,由于开放光路实验系统无法使用传统方法通过人工控制标气浓度和纯度作标定,所以需要建立新的标定方法。“本项目中开放光路的标定光谱是由HITRAN计算得到,在其计算中包括了环境参数(气压、温度、路径长度等)和仪器线型函数ILS的影响,因此计算的光谱非常接近于实测光谱。”

四套系统组建城市大气污染时空分布监测平台

在集成863前期研究成果中的光学监测仪器设备,组建新型被动DOAS、长光程开放光路FTIR和多次反射池式TDLAS实验系统的基础上,课题组结合北京市环境保护监测中心的地面城市空气质量监测子站和气象测量设备,建立了基于光学监测技术的城市大气污染时空分布监测平台。包括大气痕量成分时空分布监测时空系统、颗粒物监测系统、污染源排放监测系统和气象参数测量系统四部分。

为了检验光学监测技术对城市大气污染时空分布的监测能力,课题组选择在北京城市区域开展城市大气污染的光学监测技术示范实验研究。

刘文清说,我们选择北京石景山工业区的下风向丰台为主要观测点,分别在2005年8月和2006年2月开展两次综合外场示范实验,对主要大气痕量成分(污染成分、温室气体)、颗粒物的浓度水平、变化趋势进行时空测量,以及对污染源排放进行光学遥测评估。实验着重研究各种光学监测系统对大气环境污染物的探测能力,验证各类监测仪器的稳定性、可靠性和实用性,解决产业化过程关键技术;同时研究光学监测技术与传统点式方法之间、光学技术自身之间的对比相关性,进一步检验光学监测技术在实际应用中的测量准确性以及掌握光学监测技术在实际应用过程中的必要质量保证手段;获取北京城市大气污染的高分辨率时空分布数据。

另外,课题组还在车公庄(北京环境监测中心)、通县开展了外场观测,获得了多种气体污染物和颗粒物的时空分布数据。

他表示,通过夏、冬两次示范实验,检验和对比了光学仪器之间,以及与其它测量方法间的对比结果,表明光学测量方法和仪器对大气污染物时空分布测量的可行性和可靠性,特别是为区域污染监测提供了高分辨率的时空分布数据,具有传统点式仪器不可取代的优势。同时分析了北京城市大气主要痕量污染气体的含量及其变化特征。

他告诉记者,在下一阶段研究中,除地基监测系统外,课题组将根据我国环境污染新出现的城市群、区域(流域)符合污染及农村面源污染问题,进一步发展移动、车载、机载和星载等多种平台上的环境光学监测技术和系统,建立典型区域环境监测立体平台。

■数字863

城市大气污染时空分布光学监测技术系统与示范课题研究期间,直接销售新型DOAS系统两套,收入60万元,给军方装配粒谱分析仪两套,收入60万元。与此同时,通过对合作企业铜陵蓝盾光电子公司生产的DOAS城市空气质量监测子站的技术改造和产品升级,2005年企业共销售子站系统60多套,实现销售收入2700多万。市场占有量从15%提高到30%。

共发表(包括录用)论文15篇,提交论文12篇,发明专利授权3项、受理3项,受理实用新型专利2项,受理软件知识产权授权4项,申请1项。

到2005年底,全国17个省份、60个城市已经安装了城市空气质量监测子站系统180套,担负着向这些地方报告城市空气质量,并向国家网传递监测信息的任务。该产品在国内同类产品市场份额占1/3,累计产品销售上亿元;污染源在线监测系统已安装260多套,创产值1.3亿元;机动车尾气道边监测系统在全国销售10余套,创产值1600多万元。

被列入我国城市空气质量日报监测对象的SO2、NOx和PM10组成的空气子站,点式仪器一套进口设备需要人民币60至70万元,而长光程设备则要80至90万元。安徽光机所研究开发的城市空气质量监测子站系统在质量和功能上与国外同类产品相当,而价格仅为进口仪器设备的50%至60%。

DOAS技术主要是利用空气和污染源中的痕量污染成分对紫外及可见光波段的吸收特征来进行定性定量分析的。它可以同时监测多种痕量气体浓度(如O3,NO2,SO2,CH2O,NH3,HNO2等),测量范围可以从100米到数公里。
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