CN102661921B - 直接测量法烟气分析仪全系统在线标定装置 - Google Patents
直接测量法烟气分析仪全系统在线标定装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种直接测量法烟气分析仪全系统在线标定装置，由于在标定状态和测量状态所用光路一致，无论是用零气进行的零点标定，还是用标气进行的线性校准或检查，均能保证标定状态和测量状态结果的一致性，同时消除了非全系统标定模式下零点校准和线性校准偏差引起的系统测量偏差，大大提高了系统测量精度。该装置包括标定单元和测量单元，测量单元设有测量光路和测量区域，所述标定单元对应测量单元的测量区域设有相通的开口，该标定单元包括：标气室、标气室两端的窗镜、窗镜保护部件及转向传动装置，标气室连接有标气管，标气室安装在转向传动装置上，并对应位于所述开口位置；所述转向传动装置包括直线电机和转向部件，转向部件连接标气室。
Description
技术领域
本发明利用光学和光谱学技术对气体浓度进行直接测量，是气体浓度直接测量系统全系统在线标定装置。全系统在线标定是气体浓度直接测量系统真正意义上的系统标定，既提高了系统的测量精度；同时在线标定功能实现了直接测量系统标定的智能化。全系统在线标定装置是迄今为止除扩散式在线标定方法以外的，满足“全系统在线标定”的系统标定方法。
背景技术
直接测量法烟气分析仪是应用光学和光谱学技术对燃煤电站、化工、冶金、水泥等固定污染源烟气排放进行连续在线监测的仪器。相比于传统的抽取式测量系统而言，直接测量法无需对烟气进行取样，并进行诸如粉尘过滤、水蒸汽冷凝等预处理，系统结构简单，且避免了烟气浓度较低、烟气中含有焦油等情况下由于冷凝水析出或水蒸汽干扰等引起的测量结果偏差。
直接测量法在具有上述优点的同时也具有明显的缺点。对于市场上绝大多数直接测量法烟气浓度测量系统而言，都存在同样的问题，即无法进行全系统在线标定。由于电子元器件老化以及环境温度、压力、湿度、震动等因素的影响，几乎所有的测量仪器或系统都必须定期进行零点校准，否则的测量结果往往存在测量偏差，直接测量法烟气浓度测量系统同样如此。根据固定污染源烟气排放连续监测技术规范和要求，直接测量法烟气连续监测系统每30天至少用校准装置通入零气和接近烟气中污染物浓度的标准气体校准一次仪器的零点和工作点。对于直接测量法，现在标定的普遍做法是向单独的气体流动池通入校准用零气或标气，根据测量结果来校准仪器或系统的零点和线性。这样做的问题在于校准所用光路与正常测量光路并非同一光路，从理论上来讲很难起到全系统校准的目的，而且操作相当繁琐。
迄今为止，陶瓷滤芯法是直接测量法系统唯一能进行全系统在线标定的方法。该方法的基本思想是，在正常测量状态下，烟气接触测量探头时，气体分子可以通过探头上的滤芯材料进入光路而粉尘无法进入；在标定状态下，标准气体进入测量探头的光路中，在正压状态下标气通过滤芯材料向烟气中扩散，从而实现了全系统在线标定。对于烟气湿度比较大的工况，由于粉尘和其它一些焦油物质容易粘附在滤芯材料的表面，从而导致测量系统无法正常运行。目前，使用该方法的直接测量系统已经很少应用。
发明内容
本发明的目的在于为直接测量法烟气浓度测量系统提供一种全系统在线标定装置，利用此装置可以实现全系统的在线标定，避免了非全系统标定方式给测量结果带来的误差，同时提高了系统测量结果的准确性，大大减小了标定工作量提高了标定工作的效率。该装置完全符合我国固定污染源烟气排放连续监测技术规范和要求。
本发明专利采用的技术方案是：
直接测量法烟气分析仪全系统在线标定装置，其特征是：包括标定单元和测量单元，所述测量单元设有测量光路和测量区域，所述标定单元对应测量单元的测量区域设有相通的开口，该标定单元包括：标气室、标气室两端的窗镜、窗镜保护部件及转向传动装置；所述转向传动装置包括直线电机和转向部件，标气室连接在转向部件上，并对应位于所述开口位置。
本发明的进一步设计在于，
所述测量单元设有一光通管，测量光路的三面直角棱镜通过镜座安装在光通管端部，光源和光电探测装置位于光通管的另一端部，测量区域为光通管上开的一矩形开口，该矩形开口位于镜座一侧。
所述标定单元内置于一标定管中，标定管上开有所述与测量区域相通的开口。
所述光通管和标定管均为方管形成的腔室，两者长度相当，固定连接为一体。
所述转向部件包括滑座、滑块和滑杆，滑座上设有限位滑槽，滑块上设有定位凸台，所述滑座与滑块相装配，且滑块的定位凸台上还间隔开有多组平行的斜向滑槽，斜向滑槽与滑杆轴的夹角α为15-85度；所述滑座的限位滑槽的两侧槽壁上设有T形缺口，所述滑杆套穿滑座两侧T形缺口，并垂直于限位滑槽方向装配，滑杆前部间隔设有多组圆柱凸台，所述圆柱凸台与斜向滑槽相适配，所述各圆柱凸台的间距L1与各斜向滑槽的间距L2满足：L2=L1sinα，当滑杆直线运动时，滑杆上的各组圆柱凸台与滑块上的各组斜向滑槽依次配合；所述滑杆后端经推杆与直线电机的输出轴相连；所述滑块与标气室固定连接。
所述窗镜保护部件包括：对称设于标气室两侧的窗镜保护盖、拉杆和支架，所述窗镜保护盖后端铰接在标气室两端，窗镜保护盖中部或前端连接拉杆，拉杆与支架相接，支架固定在标定管内壁上。
所述标定管内还设有吹扫气管。
标气室还连接有输送标准气的标气管；标气室两端沿窗镜外围圆周方向各设有几个标气排放孔。
所述标气室设有标气管接口，标气管接口设置在转向部件的滑座上，标气管接口后部与标气室连通，前端连接所述标气管。
本发明的技术效果如下：
1、本发明实现了测量系统的全系统标定，使标定状态和测量状态所用光路完全一致，这就保证了标定状态和测量状态下测量结果的一致性，大大提高了系统的测量精度，避免了非全系统标定因零点和线性误差带来的系统误差；
2、本装置可通过电脑或单片机进行控制，以定期用零气和标气对系统进行自动标定，大大减小了标定工作量，提高了工作效率；
3、本装置可实现标定和测量模式的方便切换，提高了系统的自动化程度；
4、本发明实现了在线标定，在减小工作量的同时降低了高空作业存在的危险性。
附图说明
图1是测量探头主视图。
图2是测量探头立体参考图。
图3是标定装置关键部分局部放大图。
图4是转向部件的放大图。
图5为转向部件中滑块的示意图。
图6为转向部件中滑座的示意图。
图7为转向部件的剖视图。
附图标号说明：1.标气室，2.标气室密封窗镜，3.窗镜保护盖，4.拉杆,5.支架 6.标气排放孔, 7.转向传动装置，8.标气管接头, 10.滑杆，11.推杆接头，12.推杆，13.推杆固定支架，14.光通管，15.标定管，16.安装工艺孔，17.安装面板，18.标气管进口，19.吹扫气管进口，20.吹扫气管，21.直线电机，22.镜座，23.测量区域；
7-1滑块，7-2滑座，7-3圆柱凸台；7-4T形缺口，7-5斜向滑槽，7-6定位凸台；7-7弧形连接块；7-8限位滑槽，7-9第一圆柱凸台；70-止动槽。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的直接测量法烟气分析仪全系统在线标定装置包括标定单元和测量单元。
测量单元设有测量光路和测量区域23，测量单元采用一方形的光通管14。测量光路包括设于光通管14一端的光源和光电探测装置，以及设于光通管14另一端的三面直角棱镜。三面直角棱镜通过镜座22安装在光通管端部。测量区域23为光通管14上开的一矩形开口，该矩形开口位于靠近镜座一侧，该测量区域23为被测烟气进出区域，同时也是标定时，标气室1设置的区域。正常使用时，测量区域23置于待测烟道中。
如图3所示，标定单元设有一标定管15，标定管15为一方管，标定光15和光通管14两者长度相当但宽度不等，两者对焊为一体，即左侧为光通管14和右侧标定管15。
标定单元包括：标气室1、标气室两端的标气室密封窗镜2、窗镜保护部件及转向传动装置，它们内置于标定管15中，标定管15上开有与上述测量区域23相通的长方形开口。标气室1安装在转向传动装置上，并对应位于长方形开口位置。
转向传动装置包括直线电机21和转向部件，转向部件连接标气室1，转向传动装置控制标气室1，正常测量使用时退回标定管15，需标定时进入光通管14的测量区域。
如图4-图7所示，转向部件主要是将直线电机的直线驱动，转换成垂直运动，从而实现对标气室1位置的控制。转向部分包括滑座7-2、滑块7-1和滑杆10，滑座7-2上设有限位滑槽7-8。滑块7-1上设有定位凸台7-6，所述滑座7-2与滑块7-1相装配，且滑块7-1的定位凸台7-6上还间隔开有多组平行的斜向滑槽7-5，斜向滑槽7-5与滑杆轴的夹角α为35度（15-85度均可）。滑座的限位滑槽7-8的两侧槽壁上设有T形缺口7-4。滑杆10套穿滑座两侧T形缺口7-4并垂直于限位滑槽7-8方向装配，滑杆10前部间隔设有多组圆柱凸台7-3，圆柱凸台7-3与滑块的斜向滑槽7-8相适配，各圆柱凸台7-3的间距L1与各斜向滑槽7-8的间距L2满足：L2=L1sinα，当滑杆10由直线电机21驱动直线运动时，滑杆10上的各组圆柱凸台7-3与滑块7-1上的各组斜向滑槽7-5依次配合；滑杆10后端依次经推杆接头11、推杆12与直线电机21的输出轴相连，实现直线电机驱动，推杆12还由推杆固定支架13支撑；所述滑块7-1设有一弧形连接块7-7，以便于与标气室1固定连接，滑块的垂直运动带动标气室1的垂直进出测量区域23。滑块上还设有止动槽70，当滑杆10退出时，第一圆柱凸台7-9与止动槽70配合，可避免反向时脱扣，起到限位作用。
标定管15内还设有吹扫气管，标气管15采用波纹管；标气室1两端沿标气室密封窗镜2外围圆周方向各设有几个标气排放孔。标定管15还设有安装工艺孔16和安装面板17。
窗镜保护部件包括：对称设于标气室两侧的窗镜保护盖3、拉杆4和支架5，所述窗镜保护盖3后端铰接在标气室两端，窗镜保护盖3中部或前端连接拉杆4，拉杆4与支架5相接，支架5固定在标定管内壁上。标定时，随着标气室的垂直推进，拉杆4拉动窗镜保护盖打开；标定后，拉杆4又推动窗镜保护盖3盖紧在平面窗镜上。
标气管接口18设置在转向部件的滑块7-1上，标气管接口18后部与标气室1连通，前端连接输送标准气的标气管。
光通管14的一端开有通光孔，紫外光源发出的光束可由通光孔进入，在光通管14内直线传播，穿过测量区域23。测量区23即被测气体的流通区域，为一矩形槽口，烟气可持续不断的垂直穿过此区域，紫外光束也是在此区域穿过被测气体之后，射入位于测量探头另一端（即插入端）的三面直角棱镜，光束经反射后反转180°沿光通管直线返回，经通光孔射出进入光电探测器，由此完成了对被测气体的测量，矩形方管的长度和插入烟道的进深根据烟道工况可实际调整。
标定管15是用于容纳标气室、标气室窗镜、标气室传动装置、推杆、标气接头以及用于通入标气的标气管（波纹管）等标定组件组成的一个相对独立的空间。
烟气分析仪处于正常测量状态时，标气室被置于标定管内，并不发挥作用；当标定程序启动时，标气室被推入测量区域，气室内通入标气，紫外光束穿过标气室，则可完成标定。标气室的主动力由位于安装面板端面的直线电机提供，直线电机带动推杆做轴向往复运动，通过推杆与传动装置的联合作用，可实现运动方向切换。
应用实例：
当需要进行测量系统标定操作时，由直线电机21传出的轴向推力施加在滑杆10和12上，滑杆10与推杆12之间有推杆接头11，此轴向推力则被标气室转向传动装置7转换为垂直于轴向的推力，标气室1焊接在标气室传动装置7上，可随着标气室传动装置7运动。直线电机21提供往复的轴向动力，经过滑杆10、推杆12、传动装置7的相互传递与配合，往复的轴向动力则被转化为往复的径向动力。
经过计算，当滑杆10的轴向正向行程为73mm时，标气室1刚好能够从标定管15完全进入测量区域23，标气室1运动速度约为10mm/s。由此，当开启标定操作时，标气室1以10mm/s的速度被缓慢推入测量区域23，在标气室1进入测量区域23的过程中，一方面标气室1两端密封窗镜2外侧的保护盖板3在拉杆4的作用下慢慢打开，同时吹扫气体通过吹扫气管20分别对标气室1两端进行吹扫保护，防止烟气进入光路影响测量结果；另一方面，标气瓶内的标准气体通过波纹管9从标气室1的中部进入，然后慢慢扩散充满整个标气室1，并由标气室1两端靠近密封窗镜2的标气室出口6缓慢排出。
光源发出的紫外可见测量光束穿过标气室1后沿三面直角棱镜中心对称轴方向从三面直角棱镜大面进入，然后180度反方向再次穿过标气室1进入光电探测器。若此时进入标气室1的是零气则进行零点标定，若进入标气室1的是量程气则进行量程校准或线性检查，从而实现了全系统在线标定。
当标定操作完成后，直线电机21提供的反向动力则将标气室1拉回标定管15内，被测烟气又重新流过测量区域。在标气室1进入标定管15过程中，盖板拉杆4在拉杆的作用下将盖板慢慢合上，等标气室1完全进入标定管15，密封窗镜2被盖板3完全盖住，从而避免了烟气对窗镜的污染。此时，光源发出的光穿过被测烟气后沿三面直角棱镜中心对称轴方向从三面直角棱镜大面进入，然后180度反方向再次穿过被测烟气后进入光电探测器，此时光信号中的气体信息则为烟气浓度信号。根据程序设定标定周期，可实现全系统在线标定。
Claims (9)
1.直接测量法烟气分析仪全系统在线标定装置，其特征是：包括标定单元和测量单元，所述测量单元设有测量光路和测量区域，所述标定单元对应测量单元的测量区域设有相通的开口，该标定单元包括：标气室、标气室两端的窗镜、窗镜保护部件及转向传动装置；所述转向传动装置包括直线电机和转向部件，标气室连接在转向部件上，并对应位于所述开口位置，转向传动装置控制标气室，需标定时使所述标气室进入所述测量区域；所述转向部件将直线电机的直线驱动转换成垂直运动。
2.根据权利要求1所述的在线标定装置，其特征是：所述测量单元设有一光通管，测量光路的三面直角棱镜通过镜座安装在光通管端部，光源和光电探测装置位于光通管的另一端部，测量区域为光通管上开的一矩形开口，该矩形开口位于镜座一侧。
3.根据权利要求2所述的在线标定装置，其特征是：所述标定单元内置于一标定管中，标定管上开有所述与测量区域相通的开口。
4.根据权利要求3所述的在线标定装置，其特征是：所述光通管和标定管均为方管形成的腔室，两者长度相当，固定连接为一体。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的在线标定装置，其特征是：所述转向部件包括滑座、滑块和滑杆，滑座上设有限位滑槽，滑块上设有定位凸台，所述滑座与滑块相装配，且滑块的定位凸台上还间隔开有多组平行的斜向滑槽，斜向滑槽与滑杆轴的夹角α为15-85度；所述滑座的限位滑槽的两侧槽壁上设有T形缺口，所述滑杆套穿滑座两侧T形缺口，并垂直于限位滑槽方向装配，滑杆前部间隔设有多组圆柱凸台，所述圆柱凸台与斜向滑槽相适配，所述各圆柱凸台的间距L1与各斜向滑槽的间距L2满足：L2=L1sinα，当滑杆直线运动时，滑杆上的各组圆柱凸台与滑块上的各组斜向滑槽依次配合；所述滑杆后端经推杆与直线电机的输出轴相连；所述滑块与标气室固定连接。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的在线标定装置，其特征是：所述窗镜保护部件包括：对称设于标气室两侧的窗镜保护盖、拉杆和支架，所述窗镜保护盖后端铰接在标气室两端，窗镜保护盖中部或前端连接拉杆，拉杆与支架相接，支架固定在标定管内壁上。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的在线标定装置，其特征是：所述标定管内还设有吹扫气管。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的在线标定装置，其特征是：标气室还连接有输送标准气的标气管；标气室两端沿窗镜外围圆周方向各设有几个标气排放孔。
9.根据权利要求8所述的在线标定装置，其特征是：所述标气室设有标气管接口，标气管接口设置在转向部件的滑座上，标气管接口后部与标气室连通，前端连接所述标气管。
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