CN101216409B - 多源层析激光测量烟气浓度和温度分布方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟气浓度、温度和颗粒物浓度分布的测量方法及其装置，旨在提供一种利用多源层析成像技术同时重建烟气浓度、颗粒浓度和温度分布的测量方法及装置。该方法包括将激光信号传送至光纤准直器；光纤准直器在发出光束的司时作往复式摆动，光束穿过烟道出口后，由镀膜柱面反射镜反射至光电探测器；光电探测器将测量信号传送至计算机获取断层平面在多个角度下的投影数据；利用投影数据获得重建的气体浓度和温度；利用投影数据获得重建的颗粒物浓度。本发明中可调谐激光分别扫描的颗粒和烟气影响区域，烟气和颗粒的测量互不干扰；可同时重建烟气、颗粒浓度和温度在断面的分布，实现三维重建；断面场参数测量时间短动态变化；测量成本较低。

Description

多源层析激光测量烟气浓度和温度分布方法及装置 

技术领域

本发明涉及一种烟气浓度、温度和颗粒物浓度分布的测量方法及其装置。更具体地说，本发明涉及利用多源层析成像技术同时重建烟气浓度、颗粒浓度和温度分布的测量方法及装置。 

背景技术

大气污染大部分来源于能源、电力、化工、冶金、纺织、制药、垃圾焚烧等各种工业过程在化学反应时产生的各种烟气，这些烟气含有大量的对人体有害的颗粒和气态物质，必须对其排放量进行严格控制。因此，烟气在线动态测量对环境保护和污染控制具有重要的意义。 

传统的烟气测量装置，如利用化学发光原理或热导式的烟气测试仪，需要对烟气进行取样，无法实现对过程中的烟气进行在线实时测量的要求。因此，采用光学的、非接触式的方法进行烟气的测量，从而实现对污染物的监测和对生成过程进行控制，是燃烧测试领域研究的难点和热点。九十年代后，由于光信息技术的迅猛发展，一些关键元器件如半导体激光器和光纤元件发展迅速，性能大大提高，价格大幅下降。室温工作、长寿命、单模特性和较宽波长调谐范围的半导体激光器可从商业渠道获得，并且一些高灵敏度的光谱技术也逐渐成熟，可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy)开始被较多地应用于科学和工程研究。半导体激光器发射出“窄线宽”的特定波长的激光束穿过被测烟气时，被测烟气对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测烟气和颗粒含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测介质的浓度和温度信息。 

目前的测量大都在单一光路上进行，只能获得某个位置或者单一光路中的烟气浓度、颗粒浓度和温度，无法了解在烟道截面上的分布情况，且测量的实时性不高。随着在计算机断层成像技术(Computed Tomography)在医学诊断和工业无损探测领域中的大量广泛应用，使得利用光学技术重建烟道内的烟气浓度、颗粒浓度和温度分布成为了可能，通过对被测物体进行多源多方向投影，利用其在不同角度得到的投影值来实现对于被测物体内部结构的重建。目前，这方面的方法和装置还未见报道。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供利用多源层析成像技术同时重建烟气浓度、温度和颗粒物浓度分布的测量方法。本发明的另一个目的在于提供一种用于实现前述方法的装置。 

本发明提供了一种多源层析激光测量烟气浓度、颗粒浓度和温度分布的方法，包括以下步骤： 

(1)光纤分路器将激光信号传送至均匀布置在烟道出口一侧的180°范围内的若干个光纤准直器； 

(2)光纤准直器在发出光束的同时作往复式摆动，光束穿过烟道出口后，由镀膜柱面反射镜反射至与光纤准直器作同步摆动的光电探测器； 

(3)光电探测器将测量信号传送至计算机获取断层平面在多个角度下的投影数据； 

(4)根据下述方法利用投影数据获得重建的气体浓度和温度： 

$A={\∫}_{-\∞}^{+\∞}-\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)\mathrm{dv}=\mathrm{PXS}\left(T\right)L---\left(1\right)$

其中A为测量计算得到的光谱吸收率积分值，S(T)为谱线强度，P为气体压力，X为气体浓度，L为吸收光路长度； 

根据气体吸收方程，利用两条谱线v1和v2建立离散化方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}A(v_1,1)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v\mathrm{1,11}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v\mathrm{1,12}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v\mathrm{1,1}N}\\ A(v_1,2)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v\mathrm{1,21}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v\mathrm{1,22}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v\mathrm{1,2}N}\\ \·\\ \·\\ \·\\ A(v_1,M)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v1,M1}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v1,M2}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L_{v1,\mathrm{MN}}}_{}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}A(v_2,1)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v\mathrm{2,11}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v\mathrm{2,12}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v\mathrm{2,1}N}\\ A(v_2,2)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v\mathrm{2,21}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v\mathrm{2,22}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v\mathrm{2,2}N}\\ \·\\ \·\\ \·\\ A(v_2,M)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v2,M1}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v2,M2}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L_{v2,\mathrm{MN}}}_{}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，A(v1，M)为谱线v1在角度序号为M下的光谱吸收率积分值；L_v1，MN为每个网格对于投影的贡献值； 

对于气体浓度和温度的重建，首先假定初始温度分布，结合第一条谱线的投影数据，利用滤波反投影算法首先重建出气体的浓度场分布；在得到的浓度场分布上利用第二条谱线的数据来进行修正，得到温度场分布，依次类推，直到温度场与浓度场在迭代过程中收敛，输出其重建结果； 

(5)根据下述方法利用投影数据获得重建的颗粒物浓度： 

在单纯颗粒吸收区域，激光的衰减表示为： 

          I₀＝I_iexp(-K·L)    (4) 

其中，I₀为初始激光强度；I_i为透射激光强度；K为颗粒对于激光强度的衰减系数，与颗粒物浓度成正比；L为激光在气体中传播的距离；得到投影数据后，通过重建算法得到其颗粒浓度的分布情况，加以标定即得到颗粒的浓度值。 

本发明还提供了一种用于实现前述多源层析激光测量烟气浓度、颗粒浓度和温度分布方法的装置，包括依次连接的信号发生器、激光源和光纤分路器，还包括设于均匀布置在烟道出口一侧180°范围内的若干电动旋转台，电动旋转台上设置光纤准直器和光电探测器，烟道出口另一侧对应设置镀膜柱面反射镜；电动旋转台与电动台控制器相连，光纤分路器和光电探测器分别通过信号线与计算机连接。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

(1)可调谐激光分别扫描的颗粒和烟气影响区域，烟气和颗粒的测量互不干扰； 

(2)通过布置多组数据发射和接收单元，同时重建烟气、颗粒浓度和温度在断面的分布，通过测量断面沿烟道轴向方向移动，实现三维重建； 

(3)断面场参数测量时间短(＜100ms)，可以真实准确的反映出在燃烧过程中的动态变化； 

(4)通过增加或者更换激光二极管，可以对烟气中各种不同的组份(如O₂，H₂O，CO，CO₂，NO，NO₂，NH₃，HF，H₂S和CH₄等)进行测量，具有较大的灵活性，并且在近红外的激光二极管价格较为便宜，测量成本较低。 

附图说明

图1为本发明中测量系统的结构示意图； 

图2为本发明中单组测量单元的布置图； 

图3为本发明中重建数据流程图。 

附图标记为：1信号发生器；2激光源；3光纤分路器；4电动旋转台；5光纤准直器；6光电探测器；7电动台控制器；8镀膜柱面反射镜；9烟道；10计算机 

具体实施方式

参考附图，下面将对本发明进行详细描述。 

本发明中，用于实现多源层析激光测量烟气浓度、颗粒浓度和温度分布方法的装置，包括依次连接的信号发生器1、激光源2和光纤分路器3，还包括设于均匀布置在烟道9出口一侧180°范围内的若干电动旋转台4，电动旋转台4上设置光纤准直器5和光电探测器6，烟道9出口另一侧对应设置镀膜柱面反射镜8；电动旋转台4与电动台控制器7相连，光纤分路器3和光电探测器6分别通过信号线与计算机10连接。 

多源层析激光测量烟气浓度、颗粒浓度和温度分布的方法，包括以下步骤： 

(1)利用信号发生器1驱动可调谐激光源2，使之发射出波长周期性变化的激光束，连接入光纤分路器3，将其能量均匀等分为五份后，光纤输出至各个电动旋转台4的位置，并利用光纤准直器5进行光束准直，从而作为每组测量单元的发射光源；在光纤准直器5的下侧同轴放置一光电探测器6，用于接收激光信号来进行计算； 

(2)在烟道9的外围均匀布置五个电动旋转平台4，通过利用电动台控制器7并行控制，使得这五组电动旋转平台4同时启动停止和同速度旋转。电动旋转台4在一定角度内带动发射光源进行旋转，从而实现对于对于测量测量的扫描，其旋转角度根据实际烟道大小而定； 

(3)在每组电动旋转台4的对面放置一调整好的镀膜柱面反射镜8，从光纤准直器5射出的光束通过被测烟气吸收后，落在镀膜柱面反射镜8上而再次反射穿越被测烟气后返回测量单元的光电探测器6。由于光纤准直器5和光电探测 器6均放置在镀膜柱面反射镜8的曲率中心处，因此在电动旋转台4的扫描过程中，由镀膜柱面反射镜8反射回的光束将落在光电探测器6的靶面上； 

(4)根据光电探测器6在旋转过程中得到的激光强度信号来作为投影数据。 

根据Beer-Lambert定律： 

$\frac{I_t}{I_0}=\exp (-\mathrm{PS}\left(T\right)\mathrm{\φXL})---\left(5\right)$

P[atm]为气体的总压；L[cm]为激光在气体中传播的距离；X为气体的体积浓度；φ(v)为线型函数，它表示了被测吸收谱线的形状，与温度、总压力和气体中的各成分含量有关；并且满足： 

${\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{\φdv}=1---\left(6\right)$

S(T)[cm^-2atm^-1]为该谱线的线强度，它表示该谱线的吸收强度，只与温度有关，其值可以利用下式来进行计算： 

$S\left(T\right)=S\left(T_0\right)\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\exp [-\frac{{{\mathrm{hcE}}_i}^{\′\′}}{k}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})]\×\left[\frac{1-\exp (-{\mathrm{hcv}}_{0,i}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{hc}{v}_{0,i}/k{T}_0)}\right]---\left(7\right)$

其中T₀为参考温度，Q为总的分子内部分割函数；Ei”为低跃迁态的能量；v_0，i为跃迁频率；h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速。在温度低于2500K，波长小于2.5μm的情况下，最后一项可以被忽略。 

由于线型函数在整个频域范围内的积分为常数1，因此式(5)可重新表示为： 

$A={\∫}_{-\∞}^{+\∞}-\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)\mathrm{dv}=\mathrm{PXS}\left(T\right)L---\left(1\right)$

式中A为测量计算得到的光谱吸收率积分值，该公式给出了光谱吸收率积分值与被测气体参数之间的关系，包括气体浓度，温度(谱线强度值)等。在得到旋转过程中各个角度的投影值后，便可以进行重建。 

重建算法采用ART代数迭代算法来实现。代数重建法是一个迭代的过程，它是一开始就在离散域中进行的。首先把问题离散化，即将欲重建的未知图像f(x，y)离散成一个n×n＝N重建图像网格，根据成像的物理过程和相应的数学模型，建立重建图像和投影数据之间关系的代数方程组，图像重建问题就转化为解线性方程组。为了可以实现温度和浓度的同时测量，因此需要选择两条气体吸收谱线来进 行测量。通过在测量区域内划分网格，并根据在不同的测量单元的不同旋转角度下计算得到的光谱吸收率积分值，建立方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}A(v_1,1)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v\mathrm{1,11}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v\mathrm{1,12}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v\mathrm{1,1}N}\\ A(v_1,2)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v\mathrm{1,21}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v\mathrm{1,22}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v\mathrm{1,2}N}\\ \·\\ \·\\ \·\\ A(v_1,M)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v1,M1}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v1,M2}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L_{v1,\mathrm{MN}}}_{}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}A(v_2,1)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v\mathrm{2,11}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v\mathrm{2,12}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v\mathrm{2,1}N}\\ A(v_2,2)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v\mathrm{2,21}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v\mathrm{2,22}}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v\mathrm{2,2}N}\\ \·\\ \·\\ \·\\ A(v_2,M)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v2,M1}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v2,M2}+\·\·\·+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L_{v2,\mathrm{MN}}}_{}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，A(v1，M)为谱线v1在角度序号为M下的光谱吸收率积分值，通过测量计算而得到；L_v1，MN为每个网格对于投影的贡献值，在进行网格划分时确定，这样便得到了关于气体浓度X和温度T(谱线强度S(T))的两个方程组。在进行重建计算时，首先假定初始温度分布，结合第一条谱线的投影数据，利用数值计算方法首先重建出气体的浓度场分布；在得到的浓度场分布上利用第二条谱线的数据来进行修正，得到温度场分布，依次类推，直到温度场与浓度场在迭代过程中收敛，输出其重建结果。 

对于颗粒物浓度的测量，则采用了消光法来进行测量。在单纯颗粒吸收区域，激光的衰减表示为： 

                   I₀＝I_iexp(-K·L)    (4) 

其中，I₀为初始激光强度，I_i为透射激光强度，K为颗粒对于激光强度的衰减系数，与颗粒物浓度成正比。因此，只要得到了由于颗粒影响而导致的激光强度衰减的的投影数据后，便可以通过重建技术得到其颗粒浓度的分布情况，加以标定即得到颗粒的浓度值。 

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种多源层析激光测量烟气浓度和温度分布的方法，包括以下步骤：

(1)光纤分路器将激光信号传送至均匀布置在烟道出口一侧的180°范围内的若干个光纤准直器；

(2)光纤准直器在发出光束的同时作往复式摆动，光束穿过烟道出口后，由镀膜柱面反射镜反射至与光纤准直器作同步摆动的光电探测器；

(3)光电探测器将测量信号传送至计算机获取断层平面在多个角度下的投影数据；

(4)根据下述方法利用投影数据获得重建的烟气浓度和温度：

$A={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\ln \left(\frac{I_i}{I_0}\right)\mathrm{dv}=\mathrm{PXS}\left(T\right)L---\left(1\right)$

其中A为测量计算得到的光谱吸收率积分值，S(T)为谱线的线强度，它表示该谱线的吸收强度，只与温度有关，T表示温度；P为气体的总压，X为烟气的体积浓度，L为吸收光路长度；

根据气体吸收方程式(1)，利用两条谱线v₁、v₂，将重建的图像离散成一个n×n＝N重建图像网格，并建立离散化方程组：

$\left\{\begin{array}{c}A(v_1,1)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v\mathrm{1,11}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v\mathrm{1,12}}+...+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v\mathrm{1,1}N}\\ A(v_1,2)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v\mathrm{1,21}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v\mathrm{1,22}}+...+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v\mathrm{1,2}N}\\ .\\ .\\ .\\ A(v_1,M)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,1}}{L}_{v1,M1}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{1,2}}{L}_{v1,M2}+...+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v1,N}{L}_{v1,\mathrm{MN}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}A(v_2,1)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v\mathrm{2,11}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v\mathrm{2,12}}+...+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v\mathrm{2,1}N}\\ A(v_2,2)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v\mathrm{2,21}}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,2}{L}_{v\mathrm{2,22}}+...+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v\mathrm{2,2}N}\\ .\\ .\\ .\\ A(v_2,M)={\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,1}}{L}_{v2,M1}+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v\mathrm{2,2}}{L}_{v2,M2}+...+{\left(\mathrm{PS}\left(T\right)X\right)}_{v2,N}{L}_{v2,\mathrm{MN}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，A(v₁、M)、A(v₂、M)分别为谱线v₁、v₂在角度序号为M下的光谱吸收率积分值；L_v1，MN，L_v2，MN为每个网格对于投影的贡献值；

对于烟气浓度和温度的重建，首先假定初始温度分布，结合第一条谱线的投影数据，利用滤波反投影算法首先重建出气体的浓度场分布；在得到的浓度场分布上利用第二条谱线的数据来进行修正，得到温度场分布，依次类推，直到温度场与浓度场在迭代过程中收敛，输出其重建结果。

2.一种用于实现权利要求1所述多源层析激光测量烟气浓度和温度分布方法的装置，包括依次连接的信号发生器、激光源和光纤分路器，其特征在于，还包括设于均匀布置在烟道出口一侧180°范围内的若干电动旋转台，电动旋转台上设置光纤准直器和光电探测器，烟道出口另一侧对应设置镀膜柱面反射镜；电动旋转台与电动台控制器相连，光纤分路器和光电探测器分别通过信号线与计算机连接。

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