CN100545634C - 一种提高激光气体分析系统测量光束透光率的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对在位式半导体激光气体分析系统测量光束通道中的过程气流中的液态、固态颗粒物进行现场滤除来提高测量光束透光率的方法和装置。提供了一种能提高在位式激光分析系统测量激光束在含有液、固颗粒物的被测过程气流中测量光束的透光率，缩小透光率变化范围的方法和装置，解决了在位式激光气体分析系统测量激光束由过程气流中的液、固态颗粒物造成的透光率低、透光率变化范围大等技术问题。

Description

一种提高激光气体分析系统测量光束透光率的方法与装置

技术领域

本发明涉及在位式(in situ)半导体激光气体分析系统，尤其是涉及一种对在位式半导体激光气体分析系统测量光束通道中的过程气流中的液态、固态颗粒物进行现场滤除来提高测量光束透光率的方法和装置。

背景技术

很多传统过程气体分析系统需要先把一个物理的采样探头伸进过程气体管道采样出过程气体，然后通过预处理系统除去过程气体中的水分和颗粒物，最后气体分析仪表对处理后的气体进行分析获得气体浓度。这样的“采样-预处理-分析”三步过程导致这些传统气体分析系统具有系统复杂、可靠性低、测量响应速度慢、分析精度低、不能测量气体的温度和速度等缺点。

半导体激光气体分析系统是基于半导体激光气体吸收光谱分析技术的高端光电气体检测系统，其工作原理是：分析系统测量探头的光发射装置发射一束单色激光光束穿过被测气体，与之相对应的测量探头的光接收装置对上述光束的透射光进行收集和接收，信号分析单元对获得的测量信号进行分析处理来获得所需要测量的过程参数。半导体激光气体分析系统充分利用了半导体激光光源的单色性、波长可调谐性，从原理上成功解决了困扰过程气体分析的两大难题(1)背景气体的交叉干扰对测量的影响；(2)被测气体中液态、固态颗粒和分析系统视窗污染等产生的光束衰减对测量的影响，从而能够把测量探头直接安装在所测量的过程气流管道(如各种烟气管道)上实时在位分析各种过程参数如工业过程气体的浓度、温度、压力、流速等。

与“三步过程”的传统气体分析系统不同，在位式半导体激光气体分析系统不需要采样和预处理两个步骤，从而克服了传统气体分析系统的很多缺陷，具有系统简单、可靠性高、测量响应速度快、分析精度高、可以测量气体的温度和速度等优点。因此，该类分析系统在现代工业、科研、环保等领域获得了越来越广泛的应用。

图1示意了一种在位式半导体激光气体分析系统的结构型式。在被测气体管道8上开两个孔12，在孔上焊接机械连接结构如法兰5，把系统测量探头(1，9)通过某种安装方式紧固在上述机械连接结构上，测量探头或机械连接结构上一般还设置有光路调节机构，如弹性橡胶O形圈3和紧固螺栓10的组合，用于调节光发射装置1到光接收装置9之间的光路；分析系统工作时激光光束从测量探头的光发射装置1射出，穿过机械连接结构的内部孔径，然后穿过一段一定长度L(光程)的被测过程气流7，最后进入到光接收装置9被接收测量。通常情况下，系统还配置有吹扫系统，用于对测量探头及机械连接结构的内部孔径提供气体吹扫，以保护探头上光学视窗不被被测环境污染。常用的吹扫气体有工业氮气、压缩空气等不含有分析系统所检测的气体成分的气体。

半导体激光分析系统的正常、可靠工作对激光束穿过被测过程环境的透光率及其变化提出一定的要求。如果透光率太低，接收到的光信号太弱，则会显著降低信噪比；如果透光率的动态变化范围太大(如变化范围为95％到0.01％)则会超出分析系统的电路设计允许范围。但在一些应用场合，被测过程气体环境中含有较高浓度的液、固态颗粒物，如经水除尘后的转炉煤气通常为过饱和水，含有很多液态水滴，这些颗粒物会吸收、散射测量激光束。如果颗粒物浓度太高，则会使得到达光接收装置的光束强度低于分析系统的允许光强下限，而使得系统无法进行测量；如果颗粒物浓度或颗粒物平均尺度变化太大，则光接收装置接收到的信号波动范围较大，超出系统电路设计允许动态范围，也会致使系统无法准确测量。即使一些场合的低透光率或大透光率变化范围在分析系统允许范围内，它(们)也会降低分析系统的信噪比和测量准确性。

对于这类应用场合，现有解决方案主要有两种。一种是在系统测量探头或机械连接结构上安装一伸入到过程气流管道8里的内筒13(如图1所示)，从而缩短测量光程L。吹扫气体流经内筒流入被测环境，从而避免过程气体进入内筒13。颗粒物对光束强度的衰减一般随着测量光程的缩短而减弱。当颗粒物浓度及其尺度分布在被测环境中为均匀状况时，颗粒物对光束强度的衰减随着测量光程的缩短而呈指数减弱(透光率正比于exp(-kL)，k为衰减系数，取决于颗粒物参数如浓度及其尺度分布和激光波长)。因此，缩短光程可提高光束透光率。这种方法的缺点是：被测过程气体对激光能量的吸收也随着光程的缩短而减弱(在气体吸收较小情况下，吸收与光程成线性关系)，致使吸收信号减弱、信噪比减小，系统的检测灵敏度减小。第二种方案是，不采用在位方式安装测量，而是采用传统过程气体分析系统的“采样-预处理-分析”三步方法来分析气体参数。该方案把采样预处理后的过程气体送入一气体室，把系统的测量探头安装在所述气体室上进行测量。显然，该方案丢失了很多在位式半导体激光气体分析系统具有的与传统采样方式分析系统相比的优越性。上述两种方案都是以牺牲分析系统的重要性能指标作为代价的。

发明内容

本发明提供了一种能提高在位式激光分析系统测量激光束在含有液、固颗粒物的被测过程气流中测量光束的透光率，缩小透光率变化范围的方法和装置，解决了在位式激光气体分析系统测量激光束由过程气流中的液、固态颗粒物造成的透光率低、透光率变化范围大等技术问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案解决的：一种提高激光气体分析系统测量光束透光率的方法，在穿过被测过程气流管道的测量激光光束的上游设一挡体装置，在挡体装置的下游形成一个颗粒物体密度相对较低的气流区域，测量光束从该气流区域通过，从而提高测量光束在被测过程气流中的透光率。在被测过程气流管道测量激光光束的上游设一挡体装置，由于较大颗粒物具有较大的惯性，挡体装置上游流下的一些较大颗粒物被挡体装置挡住，另外一些从挡体装置两侧流过的较大颗粒物则不能进行小角度拐弯而无法进入挡体装置下游邻近局部区域内从而在该挡体装置下游形成了一个去除全部或部分颗粒物的气流区域供测量光束通过，从而提高了测量光束在被测过程气流内的透光率。尽管所述挡体在其下游形成了一个没有或只有少量颗粒物进入的局部区域，但是由于气体分子的质量和惯性非常小，流经挡体该侧翼的过程气体仍然可以流进该区域。因此，测量光束对应的空间区域内的被测气体可较快地被上游流下的气体置换掉，而不会形成气体流动的一个死区。所以，安装了上述挡体后分析系统依然可以具有较快的响应速度，可以满足绝大多数应用场合的测量需求。

作为优选，所述测量光束从光发射装置发出通过所述气流区域后被光接收装置接收，测出被测过程气流的浓度、温度、压力、流速等参数。测量光束直接从过程气流内通过，可实时、更加准确的检测出过程气流的上述各种参数。

一种提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，在被测过程气流管道上设有一对第一通孔，设于其中一个第一通孔旁的光接收装置接收光发射装置发出并通过被测过程气流管道的测量光束，在被测过程气流管道测量光束的上游设有一挡体装置，该挡体装置至少包括一个沿过程气流方向的投影覆盖或部分覆盖过程气流管道内的测量光束的挡体。

作为优选，所述挡体的两端设有端体；所述端体上设有供测量光束穿过的光透过孔。端体与所述系统的安装机械连接结构配接体配接，挡体端体与测量探头的安装机械连接结构的配接体之间采用法兰或活扣或丝扣或锁箍或焊接式的连接结构。

作为优选，所述的端体为圆筒结构。圆筒结构的端体可便于加工、安装、及调节挡体的方向。

作为优选，所述挡体装置紧靠端体处开有缺口。为了便于分析系统吹扫气体被过程气流快速带走，从而使得测量光束空间区域中的被测气体不受吹扫气体的稀释，所述挡体两端靠近所述端体处应开有缺口，否则会导致气体的测量浓度比实际浓度要低。

作为优选，所述挡体的截面背向过程气流方向为凹形。凹形结构便于在挡体下游领近区域形成低颗粒密度的空间，有利于降低颗粒物对测量光束在被测过程气流中的透光率的变化范围的影响。

作为优选，所述被测过程气流管道第一通孔的上游设有一对第二通孔，所述挡体装置通过该对第二通孔安装于被测过程气流管道上。其中，设于第一通孔上游的一对第二通孔可用于对已安装的在位式半导体激光气体分析系统在过程气流上游增加本发明的挡体装置，以提高测量光束透光率和缩小透光率变化范围。应针对颗粒物特征、流体参数和激光波长合理选择挡体的外形尺寸和相对于光束的距离，使得激光束空间位置处的流体中颗粒物被有效滤除。

因此，本发明具有能提高在位式激光分析系统测量激光束在含有液、固颗粒物的被测过程气流中测量光束的透光率，缩小透光率变化范围等特点。尽管所述挡体在其下游形成了一个没有或只有少量颗粒物进入的局部区域，但是由于气体分子的质量和惯性非常小，流经挡体该侧翼的过程气体仍然可以流进该区域。因此，测量光束对应的空间区域内的被测气体可较快地被上游流下的气体置换掉，而不会形成气体流动的一个死区。所以，安装了上述挡体后分析系统依然可以具有较快的响应速度。端体与所述系统的安装机械连接结构配接体配接，挡体端体与测量探头的安装机械连接结构的配接体之间采用法兰或活扣或丝扣或锁箍或焊接式的连接结构。圆筒结构的端体可便于加工、安装、及调节挡体的方向。为了避免测量光束空间区域中的被测气体被吹扫气体稀释而导致气体的测量浓度比实际浓度要低，必要时应在所述挡体两端靠近所述端体处开有缺口便于分析系统吹扫气体被过程气流快速带走。挡体截面背向过程气流方向的凹弧形结构便于在挡体下游领近区域形成低颗粒密度的空间，有利于降低颗粒物对测量光束在被测过程气流中的透光率的变化范围的影响。其中，设于第一通孔上游的一对第二通孔可用于对已安装的在位式半导体激光气体分析系统在过程气流上游增加本发明的挡体装置，以提高测量光束透光率和缩小透光率变化范围。应针对颗粒物特征、流体参数和激光波长合理选择挡体的外形尺寸和相对于光束的距离，使得激光束空间位置处的流体中颗粒物被有效滤除。

附图说明

图1是一种现有的在位式半导体激光气体分析仪的结构示意图；

图2是本发明的一种实现方式的结构示意图；

图3是本发明的第二种实现方式的结构示意图；

图4是本发明的第三种实现方式的结构示意图；

图5是本发明的一种挡体装置的结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是图5的A-A视图；

图8是本发明另一种挡体装置的结构示意图；

图9是图8的侧视图；

图10是图8的纵向剖面示意图；

图11是图8的C-C视图；

图12是图8的B-B视图；

图13是本发明一种挡体的横截面示意图；

图14是本发明第二种挡体的横截面示意图；

图15是本发明第三种挡体的横截面示意图；

图16是本发明第四种挡体的横截面示意图；

图17是仿真的过程气流中的液态水滴在图14所示的挡体作用下的分布区域图；

图18为图17的局部放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图2，图5，图6，图7所示，在被测过程气体管道8上开一对第一通孔12；把颗粒物挡体装置6的两端端体61通过一定的方式如焊接安装紧固在第一通孔12中。端体61具有内部孔径供测量光束11穿过，挡体装置6的端体61为圆筒结构，这种结构易于加工、安装，并能方便调节挡体装置6的挡体63相对于过程气体7流向的方位；把机械连接机构(法兰)5通过一定的方式如焊接安装紧固在挡体装置6的两端端体61上；把半导体激光气体分析系统的光发射装置1和光接收装置9通过机械连接结构，包括法兰配接体2，阀门4配接在法兰5上。光发射装置1发出的光束11穿过机械连接结构的内部孔，穿过挡体装置6的端体61的内部孔，穿过挡体装置6的挡体63的背对着过程气体7流向的一侧，进入到光接收装置9被接收检测。通过拧机械连接结构上的螺栓10挤压O型圈3可以对光发射装置1到光接收装置9之间的光路进行调节。挡体装置6两端紧靠端体61处开有缺口62，以方便机械连接结构的内部孔径出来的吹扫气体被过程气流7迅速带走。

实施例2：如图3，图8，图9，图10，图11，图12所示。在被测过程气体管道8上开一对第一通孔12；把机械连接机构5(包括法兰51和圆筒配接体52，它们之间可通过或丝扣或紧配或焊接的方式进行连接)通过一定的方式如焊接安装紧固在第一通孔12中；把挡体装置6的两端端体61通过一定的方式如焊接安装紧固在配接体52上。把半导体激光气体分析系统的光发射装置1和光接收装置9通过机械连接结构，包括法兰配接体2，阀门4配接在法兰51上。挡体装置6两端紧靠端体61处开有缺口62，以方便配接体52内部孔径出来的吹扫气体被过程气流7迅速带走。对于一些颗粒物对激光束强度产生非常大衰减的场合，如果通过使用挡体装置依然无法满足分析系统的要求时，可以通过同时使用挡体装置和缩短测量光程的双重方法来共同满足分析系统的要求。测量光程的缩短可通过加长配接体52和缩短档体63来实现，档体63的长度就是分析系统的测量光程。

实施例3：如图4，图15所示在过程气体管道8上开一对第一通孔12和一对第二通孔14，相对于过程气体7的流向，第二通孔14在第一通孔孔12的上游；颗粒物挡体装置6可焊接安装紧固在第二通孔14中，此实施例中的挡体装置6为一长方体挡板，图15示意了该挡体的横截面；把半导体激光气体分析系统的光发射装置1到光接收装置9按图1所示的现有结构型式安装紧固在第一通孔12中。本实施例的实现方式需要额外开一对第二通孔14，挡体装置6的安装可与光发射装置1和光接收装置9的安装分开进行。本实施例的实现方式可用于对已安装的在位式半导体激光气体分析系统在过程气流7上游增加本实用新型的挡体装置6，以提高测量光束11透光率和缩小透光率变化范围。如果挡体装置6和激光束的距离较远，挡体对激光束对应区域中气体的流动的阻滞作用就会较不显著；这样，即使不在挡体装置上开缺口，吹扫气体也会被测量气体本身快速稀释而不至影响测量的准确性。如果挡体装置6和激光束的距离较近，则应和实施例1和2中一样，在内棒13开口处直接上游对应的挡体部位上开缺口以利吹扫气体的快速稀释。

图5和图8给出了两种结构的挡体装置6，可用于实施例一，也可用于实施例2。应用于实施例1和2时，端体要具有供测量光束11穿透的孔径，通常端体设计成圆筒，方便加工；紧靠端体61的缺口62主要是为了方便系统吹扫气体能够被过程气体7快速带走；挡体63可以是多种形状，图13，图14，图15和图16给出了其中的四种，其中的结构参数α、R1、R2、d、h、L1、L2、L3和过程气流7的流速、所含颗粒物的粒度分布、重量分布和激光波长等有关，可通过气、液(固)多相流仿真计算和颗粒物对光的散射理论来确定，选择原则是使得激光束空间位置处的流体中颗粒物尽可能地被滤除。颗粒物越重其惯性就越大，就越是会沿着快要碰到挡体前的速度方向运动而冲向挡体被其“过滤”；颗粒物越轻其惯性就越小，就越是会随着气流一起绕过挡体并越有可能小角度拐弯到挡体后激光束空间内影响激光透光率。对于固定特征的颗粒物，越是需要它们经过大角度拐弯才能到达激光束处的挡体外形尺寸设计就越有效。例如对于图16所示挡体，在L3和h固定的情况下，L2越大颗粒物就越难到达激光束位置处；显然，L2越大，激光束对应空间区域中的气体被上游气体置换的速度也会越慢；L2尺寸的选择需要在测量响应时间和激光透光率之间作权衡。

图17、图18给出了图14所示的挡体63(α＝150°；R1＝13mm；R2＝22.5mm；d＝32mm)对流速为10m/s的过程气体(空气)7中的直径为10μm的液态水滴(计算时在挡体63上游处稳定恒速率地添加一定浓度的液态水滴)的过滤作用的仿真结果，其中的小点代表水滴，可见在挡体63背对过程气体7的一侧存在着一个较大的不含或含有较少该尺度水滴的区域。如果该尺度水滴是对光束衰减的最主要因素，则选择挡体装置6的安装位置使得测量光束11穿过该区域时可确保分析系统有较高的、较稳定的透光率。

Claims (10)

1、一种提高激光气体分析系统测量光束透光率的方法，其特征是在穿过被测过程气流管道的测量光束的上游设一挡体装置，在挡体装置的下游形成一个颗粒物体密度相对较低的气流区域，测量光束从该气流区域通过，从而提高测量光束在被测过程气流中的透光率。

2、根据权利要求1所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的方法，其特征在于所述测量光束从光发射装置发出通过所述气流区域后被光接收装置接收，测出被测过程气流的浓度、温度、压力和流速参数。

3、一种提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，在被测过程气流管道上设有一对第一通孔(12)，设于其中一个第一通孔旁的光接收装置接收光发射装置发出并通过被测过程气流管道的测量光束(11)，其特征在于在被测过程气流管道测量光束(11)的上游设有一挡体装置(6)，该挡体装置(6)至少包括一个沿过程气流方向的投影覆盖或部分覆盖过程气流管道内的测量光束(11)的挡体(63)。

4、根据权利要求3所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述挡体(63)的两端设有端体(61)。

5、根据权利要求4所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述端体(61)上设有供测量光束穿过的光透过孔。

6、根据权利要求4或5所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述的端体(61)为圆筒结构。

7、根据权利要求4或5所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述挡体装置(6)紧靠端体(61)处开有缺口(62)。

8、根据权利要求4或5所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述端体与被测过程气流管道或测量探头的机械连接机构的配接体之间采用法兰或丝扣或锁箍或焊接式的连接结构。

9、根据权利要求3或4或5所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述挡体的截面背靠过程气流方向为凹形。

10、根据权利要求3或4所述的提高激光气体分析系统测量光束透光率的装置，其特征在于所述被测过程气流管道第一通孔(12)的上游设有一对第二通孔(14)，所述挡体装置(6)通过该对第二通孔(14)安装于被测过程气流管道上。

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