CN102353633B - 烟气气体含量激光在线检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟气气体含量激光在线检测方法及系统，系统包括光驱动单元、光发射单元、光信号探测单元、电信号传输单元、中央控制柜、工控机；使双频调制激光调制光通过背景气体后通过分光镜，反射的激光直接被光探测器接收，透过分光镜激光穿过烟气后被另一个光探测器接收；再对两个光探测器输出的电信号进行处理，获得检测信号。本发明采用两路光束的传感结构及波长调制光谱技术与锁相放大技术，提高了现有的光学式气体传感器的测量精确性的技术问题。

Description

烟气气体含量激光在线检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种敏感烟气中气体含量的方法以及相应的光学式气体传感器。

背景技术

在炼油厂的生产过程中，对烟气中氧气、一氧化碳、二氧化碳含量的控制不仅关系到炼油的品质和产量，而且涉及主风机电能的消耗。现在对烟气中氧气、一氧化碳、二氧化碳含量的检测主要采用安装在三级旋风分离器进出口的光学式气体传感器系统。

光学式气体传感器主要是以光谱吸收原理为基础的气体传感器，以红外吸收式气体分析仪为主。由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。光学式气体传感器主要优点是响应时间快，灵敏度高，可靠性好。光学式气体传感器属于非接触性测量，可在石油、化工等行业易燃、易爆、高温、高腐蚀的恶劣环境条件下使用。

在光学式气体传感器中，由于光谱吸收的信号强度非常微弱，通常被噪声湮没。为了能够检测到微弱的吸收信号强度变化，系统必须有非常高的信噪比。

在现有的石化系统的烟气气体含量激光在线检测系统中，光学系统虽然有吹扫风，可保持窗玻璃的清洁，但是长时间运转，不可避免的会沾染灰尘，阻挡测量光束的通过，影响测量精度。

发明内容

为了解决现有的光学式气体传感器无法实现精确测量的技术问题，本发明提供一种烟气气体含量激光在线检测方法及系统。

本发明的技术解决方案：

一种烟气气体含量激光在线检测方法，包括以下步骤：

1】产生两种不同频率的驱动信号并合成，用合成后的驱动信号对半导体激光器进行双频调制，并使调制激光波长固定在被测气体特征光谱特定的波长谱线上；

2】使调制光通过背景气体，所述背景气体包含有与烟气中被测气体相同的成分；

3】将通过背景气体后的调制光通过分光镜，被分光镜反射的一路激光直接被光探测器接收，透过分光镜的一路激光穿过烟气后被另一个光探测器接收；

4】对两个光探测器输出的电信号进行处理，获得无干扰的检测信号。

上述对两个光探测器输出的电信号进行处理获得无干扰的检测信号的具体步骤如下：

1】对两个光探测器输出的电信号分别进行滤波和放大处理；

2】处理后的两个电信号经电子开关后整合成分时顺序传送的信号；

3】整合后的信号经过解调处理；

4】解调后的信号进行AD转换；

5】采集AD转换后的信号并送入工控机。

上述背景气体为纯浓度的被测气体或浓度大于20％的被测气体。

一种烟气气体含量激光在线检测系统，包括光驱动单元、光发射单元、光信号探测单元、电信号传输单元、中央控制柜、工控机；所述光驱动单元用于生成调制激光，所述光发射单元将激光整成准直平行光束，所述光信号探测单元可将激光信号转换成电信号，所述电信号传输单元用于将电信号传输至中央控制柜，所述中央控制柜将电信号处理后送入工控机进行计算、存储和显示；其特殊之处是：所述光驱动单元包括函数发生器及双频调制信号合成电路、半导体激光器、半导体激光器驱动电路、半导体激光器温度控制电路；所述函数发生器产生两个不同频率的信号并将两个不同频率信号进行合成；所述半导体激光器驱动电路用合成后的频率信号对半导体激光器进行双频调制；所述半导体激光器温度控制电路将激光波长固定在气体特征光谱特定的波长谱线上；所述光信号探测单元包括分光镜、参考端光探测单元以及测量端光探测单元；所述参考端光探测单元包括背景气体密封管、第一光轴调节机构、参考端光探测器；所述测量端光探测单元包括第二光轴调节机构、标定管和测量端光探测器；所述背景气体密封管、第一光轴调节机构、分光镜、烟气管道、第二光轴调节机构、标定管和测量端光探测器依次设置在光发射单元的光轴上；所述参考端光探测器设置在分光镜的反射光路上；所述第一光轴调节机构和第二光轴调节机构分别通过闸阀法兰与烟气管道相通。

上述中央控制柜包括电信号处理单元，所述电信号处理单元包括信号预处理电路、锁相放大器、信号采集及通信电路；所述信号预处理电路用于参考端信号和测量端信号的滤波、放大和整合处理，包括滤波电路、放大电路和整合电路；所述锁相放大器用于解调整合后的参考端信号和测量端信号，所述信号采集及通信电路用于采集解调信号并送入工控机。

上述整合电路包括分别接参考端信号和测量端信号的参考端信号射随器U2A、测量端信号射随器U2B，分别与参考端信号射随器U2A和测量端信号射随器U2B输出端相接的模拟电子开关U3，所述模拟电子开关U3的控制端接在计数器U5A的输出端，所述计数器U5A的输入端输入函数发生器及双频调制信号合成电路的其中一个低频率信号，所述模拟电子开关U3的输出端输出整合后的分时顺序信号。

上述闸阀法兰的内径为100mm。

上述第一光轴调节机构包括第一转换器6、设置在第一转换器两端面的两块石英玻璃25、设置在第一转换器两侧面的两个观察窗26、设置在背景气体密封管和第一转换器之间的球面调节法兰，所述球面调节法兰与背景气体密封管同轴固连，并通过四个调整螺钉与第一转换器的侧面连接；所述第二光轴调节机构包括第二转换器29、设置在第二转换器两端面的两块石英玻璃25、设置在第二转换器两侧面的两个观察窗26、设置在第二转换器和标定管之间的球面调节法兰，所述球面调节法兰与标定管同轴固连，并通过四个调整螺钉与第二转换器的侧面连接。

本发明所具有的优点：

1、本发明采用两路光束的传感结构，其中一路是会被被测气体吸收而带上被测气体的光谱吸收信息，另外一路则不被被测气体吸收，用作提供参考光路。当这两路采用相同参数的器件时，光源的不稳定及光电器件的漂移对两路信号的影响相同，则检测信号与参考信号的比值将只与气体的浓度有关，可实现精确测量。

2、本发明在光路上设置背景气体密封管，其中充入包含有与烟气中被测气体成分的气体，用于提供被测气体吸收信号的特征基准，这样，将测量端光电探测器的输出电信号与参考端光电探测器的输出电信号比较，可以避免噪声对电信号的影响。

3、本发明采用波长调制光谱技术与锁相放大技术，能够极大提高信噪比，将有用信号从噪声中检测出来，工作可靠性高。

4、本发明设置观察窗结构后，可轻易地透过观察窗，看到石英玻璃窗的情况；通过定期监视石英窗玻璃的清洁程度，可以保证装置正常运行，便于维护。

5、本发明在光轴调节机构上，有一个球面调节法兰，它的作用是调整光轴，保证光源发出的准直光束通过被测量的烟气管道后，能够照射到测量端光探测器上。通过调整上下左右四个调整螺钉，光轴可以围绕出射方向正负两度内小范围调整，调节方便。

6、本发明将光轴调整与观察窗结合，缩短了光学系统的长度，结构简单。

7、本发明采用了两路光束的传感结构，检测信号与参考信号的比值将只与气体的浓度有关，不用拆卸，测量和标定采用同一套装置和同一条光路，可直接在线标定，具有标定速度快，标定精度高。

8、本发明将参考信号与测量信号整合成分时顺序传送信号，可以省去一个锁相放大器，极大的节约了成本，减少了处理电路不一致带来的误差。

附图说明

图1是本发明烟气气体含量激光在线检测系统的结构示意图；

图2是本发明烟气气体含量激光在线检测系统的电路原理框图；

图3是本发明信号预处理电路的电路原理框图；

图4是本发明的第一光轴调节机构的结构示意图；

图5是本发明的第二光轴调节机构的结构示意图；

图6是本发明的整合电路的电路图；

图7是本发明两路信号分时顺序传输的示意图；

其中：1-光发射单元，2-背景气体密封管，3-背景气体入口，4-背景气体出口，5-第一光轴调节机构，6-第一转接器，7-测量端信号电缆，8-吹扫风入口，9-闸阀，10-烟气管道，11-闸阀法兰，12-光纤，13-参考端信号电缆，14-标定管，15-标定气体出口，16-标定气体入口，17-测量端光探测器，18-防爆接线箱，19-信号传输电缆，20-电源电缆，21-第二光轴调节机构，22-中央控制柜，23-工控机，24-参考端光探测器，25-石英玻璃，26-观察窗，27-球面调节法兰，28-调整螺钉，29-第二转接器，30-光缆，31-分光镜。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明烟气气体含量激光在线检测系统采用对射式光学测量，主要包括光驱动单元、光发射单元、光信号探测单元、电信号传输单元、仪表风配气单元、中央控制柜、工控机等。

光驱动单元用于生成调制激光，包括函数发生器及双频调制信号合成电路、半导体激光器、半导体激光器驱动电路、半导体激光器温度控制电路；系统上电后，函数发生器产生两个不同频率的信号，这两个信号分别传送给半导体激光器驱动电路和后级电路进行信号处理、解调、采样用。半导体激光器驱动电路将两种频率的信号合成后，对半导体激光器进行双频调制，使发出的激光既具有低频作用下的波长扫描特性，又具有为信号解调准备的高频特性。半导体激光器温度控制电路的作用是将激光波长固定在气体特征光谱特定的波长谱线上。测量氧气时，激光波长在760nm附近，测量一氧化碳时，激光波长在1570nm，测量一氧化碳时，激光波长在1580nm附近，

波长调制后的激光通过光纤传输到光发射单元，光发射单元的光准直镜将激光整成准直平行光束出射。

光信号探测单元可将激光信号转换成电信号，包括分光镜、参考端光探测单元以及测量端光探测单元；参考端光探测单元包括背景气体密封管、第一光轴调节机构、参考端光探测器；测量端光探测单元包括第二光轴调节机构、标定管和测量端光探测器；背景气体密封管、第一光轴调节机构、分光镜、烟气管道、第二光轴调节机构、标定管和测量端光探测器依次设置在光发射单元的光轴上；参考端光探测器设置在分光镜的反射光路上。背景气体密封管中密封有背景气体，背景气体包含有与烟气中被测气体相同的成分，用于提供被测气体吸收信号的特征基准。比如，需要检测烟气中氧气的含量，则背景气体密封管中密封纯氧或者包含20％浓度氧气的其他气体。激光光束经光信号探测单元的分光镜后分成两路，反射的一路激光光束被参考端光探测器接收提供一个基准信号用于比较，透射的一路激光光束经过被测气体样品池(即烟气管道)，耦合到被测量气体浓度信息的该路激光束被测量端光探测器接收形成测量信号。

第一光轴调节机构和第二光轴调节机构分别通过闸阀法兰与烟气管道相通。闸阀法兰的内径为100mm。第一光轴调节机构包括第一转换器6、设置在第一转换器两端面的两块石英玻璃25、设置在第一转换器两侧面的两个观察窗26、设置在背景气体密封管和第一转换器之间的球面调节法兰，球面调节法兰与背景气体密封管同轴固连，并通过四个调整螺钉与第一转换器的侧面连接；分光镜和参考端光探测器就设置在第一转换器内，参考端光探测器通过参考端信号电缆输出信号。第二光轴调节机构包括第二转换器29、设置在第二转换器两端面的两块石英玻璃25、设置在第二转换器两侧面的两个观察窗26、设置在第二转换器和标定管之间的球面调节法兰，球面调节法兰与标定管同轴固连，并通过四个调整螺钉与第二转换器的侧面连接。球面调节法兰的作用是调整光轴，保证光源发出的准直光束通过被测量的烟气管道后，能够照射到测量端光探测器上。通过调整上下左右四个调整螺钉，光轴可以围绕出射方向正负两度内小范围调整。

在第一转换器和第二转换器的两端面均装有石英玻璃，起到隔离烟气管道粉尘与测量装置的作用。转换器的两侧各开有一个方形观察窗，通过这两个窗口可以观察石英玻璃表面的污染情况。系统装置虽然有吹扫风保持窗玻璃的清洁，但是长时间运转，不可避免的会沾染灰尘，阻挡测量光束的通过，影响测量精度。以前没有观察窗时，不太容易判断是否由于石英玻璃窗受到粉尘污染，造成系统无法正常工作。有了观察窗后，可轻易地透过观察窗，看到石英玻璃窗的情况。通过定期监视石英窗玻璃的清洁程度，可以保证装置正常运行。

电信号传输单元用于将参考信号和测量信号通过信号隔离传输电路传输至中央控制柜的信号预处理电路。

中央控制柜包括电信号处理单元，所述电信号处理单元包括信号预处理电路、锁相放大器、信号采集及通信电路；

信号预处理电路用于参考端信号和测量端信号的滤波、放大和整合处理，包括滤波电路、放大电路和整合电路。在信号预处理电路中，通过两路信号比较，剔除光源波动带来的影响，剔除一部分器件漂移带来的影响，提供适合于锁相放大器解调的信号，特别是将参考信号与测量信号整合成分时顺序传送信号，可以省去一个锁相放大器，极大的节约了成本。

信号预处理电路中用于将参考信号与测量信号整合成分时顺序传送的整合电路可参见图6，包括分别接参考端信号(S信号)和测量端信号(R信号)的参考端信号射随器U2A、测量端信号射随器U2B，分别与参考端信号射随器U2A和测量端信号射随器U2B输出端相接的模拟电子开关U3，模拟电子开关U3的控制端接在计数器U5A的输出端，计数器U5A的输入端输入函数发生器及双频调制信号合成电路的其中一个低频率信号，模拟电子开关U3的输出端输出整合后的分时顺序信号。S信号和R信号通过射随器U2A、U2B后，送入模拟电子开关U3，模拟电子开关在计数器U5A提供的数字方波信号控制下，将R信号和S信号两路合成分时顺序传出一路信号，当计数器数字信号为高电平时，R信号输出，当计数器数字信号为低电平时，S信号输出，图7为输出信号示意图。

锁相放大器(即调制解调器)用于解调整合后的参考端信号和测量端信号，锁相放大器解调输出的参考路和测量路信号传至信号采集及通信电路，经过A/D转换送至工控机。

工控机对接收到的数据进行处理、计算、存储，得到气体浓度。一方面将得到的浓度数据通过曲线或图表的形式，在显示器上显示出来，另一方面将得到的浓度数据通过串口或4～20mA，传给客户的生产控制网络，为其提供必要的参考数据。

本发明烟气气体含量激光在线检测系统的在线标定方法：

标定的时候，要用到被测量段的信号变化量ΔX_cl，但是在现场无法直接得到这个变化量。有一种做法是将光源发射端和光信号探测器接收端拆下来，装在事先准备好的标定管两端，测量得到ΔX_cl进行标定，完成后再将光源和探测器装回。这样做的好处是可以不考虑烟道粉尘的影响，直接得到标定结果，不利的方面也是显而易见的，标定和测量不在同一条光路中，带来的误差将抵消排除粉尘干扰标定带来的好处，并且增加了拆装过程，操作复杂化。

本发明为了实现在线标定，在光路上加装标定管。根据测量信号的特点：浓度一定的条件下，信号变化量ΔX∝被测量段的长度L。假定烟气管道内的气体浓度，在一段时间内变化很小，那么，对标定管充入不同浓度的标准气体，得到的信号变化量ΔX_bd∝标定管的长度L_bd，就有：

$\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{bd}}}{L_{\mathrm{bd}}}=\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{cl}}}{L_{\mathrm{cl}}}---\left(1\right)$

则可以得到烟气管道中通入两种不同浓度被测气体时所对应的输出电信号之差ΔX_cl：

${\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{cl}}=\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{bd}}}{L_{\mathrm{bd}}}{L}_{\mathrm{cl}}---\left(2\right)$

在上式中，烟气管道的直径L_cl、标定管的长度L_bd已知，ΔX_bd＝|Xbd2-Xbd1|，是标定管中通入两种不同浓度被测气体时所对应的输出电信号之差；通过式(2)就可得到ΔX_cl；

然后根据浓度的计算公式B＝ΔN-kΔX_cl可知，不同浓度下的标定公式为：

N₁＝kX_cl1+B

N₂＝kX_cl2+B

将两式相减，得到：

N₁-N₂＝(kX_cl1+B)-(kX_cl2+B)

即：

ΔN＝kΔX_cl

因ΔX_cl已经算出，此时只有标定管中浓度发生变化，可得到标定系数k：

$k=\frac{\mathrm{\ΔN}}{{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{cl}}}$

其中：ΔN＝|Nbd2-Nbd1|；

再由N₁＝kX_cl1+B可知标定常值B的计算公式为：

B＝ΔN-kΔX_cl

最后，根据标定系数k和标定常值B，得到标定公式，完成标定：

N＝kX+B

这样做的好处是避免了不同光路条件下标定引入的测量误差，同时，减少了装置拆装过程，使得操作大大简化。不利之处就在于烟道粉尘的影响引入了测量误差，但是这一误差可以通过延长标定采样时间，增大采样样本数来加以消减。

本发明原理：

本发明通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收或辐射谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。这种光波通过介质产生吸收的现象在1729～1760年间由Bouguer和Lambert总结为吸光度与介质厚度的关系，Beer于1852年又提出了吸光度与介质浓度的关系，即

I＝I₀exp(-a₁CL)，                      (3)

式中I₀是波长为l的单色光在进入吸收气体前的光强，C为吸收介质的浓度，a₁为单位长度单位浓度的吸收系数，L为光通过介质的长度。

式(1)称为比尔-朗伯定律，它表明了吸收度与吸收路径和介质浓度之间的关系。

本发明采用差分吸收的单波长双光路法、波长调制光谱技术与锁相放大技术。

影响到光谱吸收式气体传感器的重要因素包括有：光源的稳定性、光路耦合处藕合状态的变化、环境因素(温度等)的变化、光路传输特性的变化、驱动及检测电路中元件的漂移等。对于这些影响光谱吸收式气体传感器主要是通过差分吸收法和调制解调技术来减少和消除。

差分吸收技术的原理是将原来只采用一路光束的传感结构改为两路，其中一路是会被气体吸收而带上气体的光谱吸收信息，另外一路则不被气体吸收，用作提供参考光路。当这两路采用相同参数的器件时，光源的不稳定及光电器件的漂移对两路信号的影响相同，则检测信号与参考信号的比值将只与气体的浓度有关。

由于光谱吸收的信号强度非常微弱，通常被噪声湮没。为了能够检测到微弱的吸收信号强度变化，系统必须有非常高的信噪比。波长调制光谱技术与锁相放大技术就是能够极大提高信噪比，将有用信号从噪声中检测出来的技术。

Claims (6)

1.一种烟气气体含量激光在线检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】产生两种不同频率的驱动信号并合成，用合成后的驱动信号对半导体激光器进行双频调制，并使调制激光波长固定在被测气体特征光谱特定的波长谱线上；

2】使调制光通过背景气体，所述背景气体包含有与烟气中被测气体相同的成分；

3】将通过背景气体后的调制光通过分光镜，被分光镜反射的一路激光直接被光探测器接收，透过分光镜的一路激光穿过烟气后被另一个光探测器接收；

4】对两个光探测器输出的电信号进行处理，获得无干扰的检测信号，具体步骤如下：

4.1】对两个光探测器输出的电信号分别进行滤波和放大处理；

4.2】处理后的两个电信号经电子开关后整合成分时顺序传送的信号；

4.3】整合后的信号经过解调处理；

4.4】解调后的信号进行AD转换；

4.5】采集AD转换后的信号并送入工控机。

2.根据权利要求1所述的烟气气体含量激光在线检测方法，其特征在于：所述背景气体为纯浓度的被测气体或浓度大于20%的被测气体。

3.一种烟气气体含量激光在线检测系统，包括光驱动单元、光发射单元、光信号探测单元、电信号传输单元、中央控制柜、工控机；所述光驱动单元用于生成调制激光，所述光发射单元将激光整成准直平行光束，所述光信号探测单元能够将激光信号转换成电信号，所述电信号传输单元用于将电信号传输至中央控制柜，所述中央控制柜将电信号处理后送入工控机进行计算、存储和显示；

其特征在于：

所述光驱动单元包括函数发生器及双频调制信号合成电路、半导体激光器、半导体激光器驱动电路、半导体激光器温度控制电路；所述函数发生器产生两个不同频率的信号并将两个不同频率信号进行合成；所述半导体激光器驱动电路用合成后的频率信号对半导体激光器进行双频调制；所述半导体激光器温度控制电路将激光波长固定在气体特征光谱特定的波长谱线上；

所述光信号探测单元包括分光镜、参考端光探测单元以及测量端光探测单元；所述参考端光探测单元包括背景气体密封管、第一光轴调节机构、参考端光探测器；所述测量端光探测单元包括第二光轴调节机构、标定管和测量端光探测器；所述背景气体密封管、第一光轴调节机构、分光镜、烟气管道、第二光轴调节机构、标定管和测量端光探测器依次设置在光发射单元的光轴上；所述参考端光探测器设置在分光镜的反射光路上；

所述第一光轴调节机构和第二光轴调节机构分别通过闸阀法兰与烟气管道相通，

所述中央控制柜包括电信号处理单元，所述电信号处理单元包括信号预处理电路、锁相放大器、信号采集及通信电路；

所述信号预处理电路用于参考端信号和测量端信号的滤波、放大和整合处理，包括滤波电路、放大电路和整合电路；所述锁相放大器用于解调整合后的参考端信号和测量端信号，所述信号采集及通信电路用于采集解调信号并送入工控机。

4.根据权利要求3所述的烟气气体含量激光在线检测系统，其特征在于：

所述整合电路包括分别接参考端信号和测量端信号的参考端信号射随器（U2A）、测量端信号射随器（U2B），分别与参考端信号射随器（U2A）和测量端信号射随器（U2B）输出端相接的模拟电子开关（U3），所述模拟电子开关（U3）的控制端接在计数器（U5A）的输出端，所述计数器（U5A）的输入端输入函数发生器及双频调制信号合成电路的其中一个低频率信号，所述模拟电子开关（U3）的输出端输出整合后的分时顺序信号。

5.根据权利要求3或4所述的烟气气体含量激光在线检测系统，其特征在于：所述闸阀法兰的内径为100mm。

6.根据权利要求3或4所述的烟气气体含量激光在线检测系统，其特征在于：

所述第一光轴调节机构包括第一转换器（6）、设置在第一转换器两端面的两块石英玻璃（25）、设置在第一转换器两侧面的两个观察窗（26）、设置在背景气体密封管和第一转换器之间的球面调节法兰，所述球面调节法兰与背景气体密封管同轴固连，并通过四个调整螺钉与第一转换器的侧面连接；

所述第二光轴调节机构包括第二转换器（29）、设置在第二转换器两端面的两块石英玻璃（25）、设置在第二转换器两侧面的两个观察窗（26）、设置在第二转换器和标定管之间的球面调节法兰，所述球面调节法兰与标定管同轴固连，并通过四个调整螺钉与第二转换器的侧面连接。

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