CN105806806B - 一种基于tdlas技术的逃逸氨浓度检测装置和方法 - Google Patents

一种基于tdlas技术的逃逸氨浓度检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置和方法，包括微处理器、电流控制电路、温度控制电路、反馈控制电路、激光器、准直器、光学气室、光电探测器、数据处理电路和显示电路；电流控制电路和温度控制电路的输出端均与激光器的输入端连接，光电探测器的输出端与前置放大电路的输出端连接，微处理器的输出端与电流控制电路、温度控制电路和反馈控制电路的输入端均连接；本发明在不使用参考气室的情况下，能够精确的快速锁定氨气的吸收峰位置，不仅节省了逃逸氨监测装置的开发成本，还避免了光线通过光纤分束器所带来的光噪声，提高了系统的信噪比，大大提高了逃逸氨浓度检测结果的准确性。

Description

一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置和方法
技术领域
本发明涉及逃逸氨浓度检测领域，尤其涉及一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置和方法。
背景技术
煤炭等化石燃料燃烧过程中会排放大量的氮氧化物（NOx）污染物，NOx排放到空气中可形成酸雨和光化学烟雾等，给人们的生产和生活带来很大的危害，目前大多数燃煤发电机组和燃煤锅炉都安装了选择性催化还原法（SCR）或者选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝装置，用以减小NOx的排放；SCR/SNCR法的原理是使用液氨或氨水作为还原剂注入脱硝装置，在高温下生成氨气（NH3），氨气和烟气中的NOx发生还原反应，生成无害化的N2和H2O。但是在实际生产过程中，氨气和烟气中的NOx不可能恰好完全反应，很可能有少量的氨气未参与还原反应，而从烟气脱硝装置出口逃逸出去，此部分氨气叫做逃逸氨；逃逸氨不仅会造成环境污染，并增加运行成本；同时逃逸氨还会腐蚀催化剂模块，造成催化剂失活和堵塞，大大缩短催化剂寿命，使得维护费用和工作量显著增加；因此对逃逸氨的检测就显得尤为重要了。
现有技术中，通常利用TDLAS技术（可调谐二极管激光吸收光谱技术，英文名称为Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称TDLAS技术）对逃逸氨浓度进行检测；可调谐半导体激光吸收光谱通过窄线宽激光扫描获得气体分子的单根吸收谱线，从而计算被测气体的浓度，在利用TDLAS技术对工业生产和大气环境中的逃逸氨进行检测时，要求检测系统能够在无人值守的情况下长期、连续的自动检测，然而，环境温度的变化和激光器驱动电路的噪声等常常引起激光器的输出波长发生漂移，影响气体浓度测量的准确性，严重时会造成气体吸收峰值偏离激光波长扫描范围，致使系统无法工作。
如图1所示，传统的基于TDLAS技术的气体分析仪表中一般包括激光器、分束器、参考气室、光学气室、锁相放大电路、控制电路和微处理器，其中，参考气室里面装有和被测气体种类完全相同的气体；若激光器输出激光的中心波长和吸收峰所需要的中心波长相对应，则通过锁相放大电路解调出的输出信号主要包括二次谐波分量，一次谐波分量可近似认为零；若激光器输出激光的中心波长和吸收峰所需要的中心波长不对应，则会产生一次谐波分量；现有技术中解决这一问题的方法是利用微处理器通过控制电路在检测到的一次谐波分量中引入一个强度与调制信号等值反向的信号，以控制激光器的中心波长；稳定后的输出激光通过光学气室，利用锁相放大电路解调出输出信号二次谐波分量，求出气体浓度；
根据上述的方法，每一个基于TDLAS技术的气体分析仪表都需要配置分束器和参考气室；但是，一方面光线通过分束器时会产生光噪声，降低系统的信噪比，严重影响气体浓度的测量结果；另一方面，参考气室在制造过程中都需被加热且抽至真空，用来排除污染物，此外，每个参考气室都需经过氦气泄漏检验，以确保使用寿命，因此，参考气室的制造工艺存在很大的难度，市场售价昂贵，不仅增加了使用的成本，也不利于产品的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置和方法，首先通过氨气吸收谱线附近水蒸气的吸收峰确定水蒸气的中心波长位置，再根据氨气和水蒸气中心波长的相对位置来确定氨气的中心波长位置，从而实现对氨气吸收峰的准确定位，进而确定逃逸氨的浓度，不仅不使用分束器和参考气室，还大大的提高了逃逸氨浓度的测量精度。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置，包括微处理器、激光器驱动电路、激光器、准直器、光学气室、光电探测器、数据处理电路和显示电路；
其中，激光器的光出孔、准直器的光入孔和光出孔、光学气室的光入孔和光出孔以及光电探测器设置在同一直线上；
激光器驱动电路包括电流控制电路、温度控制电路和反馈控制电路；
数据处理电路包括前置放大电路、锁相放大电路和A/D转换电路；
所述的电流控制电路用于控制激光器的注入电流，所述的温度控制电路用于控制激光器的驱动温度，所述的反馈控制电路用于反馈控制激光器的温度控制电路；
所述的光电探测器用于采集由光学气室射出的激光并将之转化为电信号；
所述的前置放大电路用于将光电探测器输出的电信号进行放大；所述的锁相放大电路用于解调出放大后的电信号的二次谐波分量；所述的A/D转换电路用于模拟电信号转化为微处理器能够处理的数字电信号；
所述的显示电路用于显示逃逸氨浓度检测结果；
电流控制电路和温度控制电路的输出端均与激光器的输入端连接，光电探测器的输出端与前置放大电路的输出端连接，前置放大电路的输出端与锁相放大电路的输入端连接，锁相放大电路的输出端与A/D转换电路的输入端连接，A/D转换电路的输出端与微处理器的输入端连接，微处理器的输出端与电流控制电路、温度控制电路和反馈控制电路的输入端均连接。
所述的微处理器可采用单片机、ARM、MIPS或FPGA。
所述的温度控制电路采用LTC1923温度控制芯片。
所述的激光器采用半导体激光器。
所述的光电探测器采用铟镓砷传感器。
一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测方法，包括以下步骤：
A：利用微处理器控制电流控制电路和温度控制电路驱动激光器产生波长为参考波长的入射激光；
B：利用准直器将入射激光准直，将准直后的入射激光射入光学气室，入射激光被光学气室内的逃逸氨吸收并转化为出射激光，之后照射在光电探测器上；
C：光电探测器将采集到的出射激光信号转化为电信号并将电信号发送给数据处理电路，首先数据处理电路中的前置放大电路对电信号进行放大，并将放大后的电信号传输给锁相放大电路，锁相放大电路解调出放大后的电信号的二次谐波分量，并将二次谐波分量发送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟的二次谐波分量转化为微处理器能够处理的数字信号并将数字信号发送给微处理器；
D：微处理器通过反馈控制电路控制激光器的输出波长锁定在氨气的吸收峰的位置，并控制显示电路显示测量出的氨气的浓度。
所述的步骤D采用以下方法：微处理器利用锁相放大电路解调出的二次谐波分量判断水蒸气吸收峰的位置是否发生变化；若水蒸气的吸收峰发生了变化，则微处理器根据氨气和水蒸气吸收峰的相对关系，并通过反馈控制电路控制激光器的驱动的温度，从而使激光器的输出波长锁定在氨气的吸收峰位置；若水蒸气的吸收峰没有发生变化，则微处理器利用锁相放大电路解调处的二次谐波分量计算氨气的浓度，并控制显示电路显示氨气的浓度。
本发明的有益效果是：在不使用参考气室的情况下，能够精确的快速锁定氨气的吸收峰位置，不仅节省了逃逸氨监测装置的开发成本，还避免了光线通过光纤分束器所带来的光噪声，提高了系统的信噪比，大大提高了逃逸氨浓度检测结果的准确性。
附图说明
图1为传统的基于TDLAS技术的气体分析仪表的结构示意图；
图2为本发明所述基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置的结构示意图；
图3为本发明所述基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测方法的流程图。
具体实施方式
如图2所示，本发明所述的基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置，包括微处理器、激光器驱动电路、激光器、准直器、光学气室、光电探测器、数据处理电路和显示电路；微处理器可选用单片机、ARM、MIPS、FPGA、ASIC或CPLD，但不限于此；激光器用于出射激光，激光器采用半导体激光器，优选方案为使用DFB激光器，DFB激光器可产生750nm—3000nm之间的任意波长的激光；具有非常高的边模抑制比和很好的单色性,特别适合用作气体的光谱分析，但是本发明所述的激光器包括但不限于DFB激光器，还应包含QCL和VCSEL等激光器；光电探测器使用铟镓砷传感器，包含但不限于铟镓砷传感器，还应该包含其他可将光信号转换为电信号的光电传感器；
为了保证激光器的出射激光能够被光电探测器接收，优选方案为，激光器的光出孔、准直器的光入孔和光出孔、光学气室的光入孔和光出孔以及光电探测器设置在同一直线上；
激光器驱动电路包括电流控制电路、温度控制电路和反馈控制电路；所述的电流控制电路用于控制激光器的注入电流，所述的温度控制电路用于控制激光器的驱动温度，所述的反馈控制电路用于反馈控制激光器的温度控制电路；所述的温度控制电路采用LTC1923温度控制芯片；
数据处理电路包括前置放大电路、锁相放大电路和A/D转换电路；所述的前置放大电路用于将光电探测器输出的电信号进行放大；所述的锁相放大电路用于解调出放大后的电信号的二次谐波分量；所述的A/D转换电路用于模拟电信号转化为微处理器能够处理的数字电信号；
所述的光电探测器用于采集由光学气室射出的激光并将之转化为电信号；
所述的显示电路用于显示逃逸氨浓度检测结果；显示电路包括显示驱动电路和液晶显示屏；
电流控制电路和温度控制电路的输出端均与激光器的输入端连接，光电探测器的输出端与前置放大电路的输出端连接，前置放大电路的输出端与锁相放大电路的输入端连接，锁相放大电路的输出端与A/D转换电路的输入端连接，A/D转换电路的输出端与微处理器的输入端连接，微处理器的输出端与电流控制电路、温度控制电路和反馈控制电路的输入端均连接。
如图3所示，利用上述基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测装置所进行的基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测方法，包括以下步骤：
A：利用微处理器控制电流控制电路和温度控制电路驱动激光器产生波长为参考波长的入射激光，具体采用以下方法：
根据现有技术可知，中心波长为1512nm时激光对于氨气浓度的检测最为灵敏，因此，微处理器通过电流控制电路控制半导体激光器产生中心波长为1512nm的激光（利用微处理器通过电流控制电路控制半导体激光器产生特定中心波长的激光属于现有成熟技术，这里不再赘述），同时，将1512nm定义为参考波长；
进入下一步；
B：入射激光经过准直器准直后射入光学气室并被光学气室内的逃逸氨吸收转化为出射激光并照射在光电探测器上，具体采用以下方法：
激光器的发出的光经过准直器后进入光学气室入射孔，经过单次或者多次反射后，从光学气室出射孔出射，最终照射到光电探测器上并被光电探测器采集；
进入下一步；
C：光电探测器将采集到由光学气室射出的激光光信号并将之转化为电信号，然后将电信号发送给信号处理电路；由于电信号很微弱，所以数据处理电路中的前置放大电路首先对电信号进行放大，即将电信号的功率放大至锁相放大电路所能接受的输入功率范围内，然后再将放大后的电信号传输给锁相放大电路，锁相放大电路解调出放大后的电信号的二次谐波分量，并将二次谐波分量发送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟的二次谐波分量转化为微处理器能够处理的数字信号并将数字信号发送给微处理器（利用前置放大电路、锁相放大电路和A/D转换电路对电信号进行处理属于现有成熟技术，这里不再赘述）；
进入下一步；
D：微处理器通过数字信号判断水蒸气的吸收峰位置是否发生了变化，若发生变化，则微处理器根据水蒸气和氨气的吸收峰相对关系通过反馈控制电路控制激光器的驱动温度，从而使激光器的波长锁定氨气的吸收峰位置，具体采用以下方法：
由于激光器长时间使用时，激光器所处环境温度的变化和激光器驱动电路的噪声等因素常常引起激光器输出激光的中心波长发生漂移，进而影响气体浓度测量的准确性，所以在检测过程中，需要不断调整激光器输出激光的中心波长并使其稳定在参考波长附近；由于氨气的吸收光谱中中心波长的吸收度较弱不易进行捕捉其吸收峰，而水蒸气的吸收光谱中中心波长的吸收度较强，所以在本发明所述的基于TDLAS技术的逃逸氨浓度检测方法中首先找到水蒸气的吸收峰；由现有技术可知，1500nm波长处存在水蒸气明显的吸收峰，1512nm处存在氨气明显的吸收峰；；微处理器利用锁相放大电路解调出的二次谐波分量判断水蒸气的吸收峰位置是否发生了变化，若水蒸气的吸收峰位置发生了变化，则微处理器根据水蒸气和氨气的吸收峰的相对关系，通过反馈控制电路控制激光器的温度，从而使激光器的输出波长锁定在氨气气体的吸收峰位置；若水蒸气的吸收峰位置没有发生变化，则微处理器根据锁相放大电路解调出的二次谐波分量计算出氨气的浓度，并控制显示电路显示氨气的浓度。
本发明的有益效果是：在不使用参考气室的情况下，能够精确的快速锁定氨气的吸收峰位置，不仅节省了逃逸氨监测装置的开发成本，还避免了光线通过光纤分束器所带来的光噪声，提高了系统的信噪比，大大提高了逃逸氨浓度检测结果的准确性。

Claims (1)

1.一种基于TDLAS技术的逃逸氨浓度方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：利用微处理器控制电流控制电路和温度控制电路驱动激光器产生波长为参考波长的入射激光；
B：利用准直器将入射激光准直，将准直后的入射激光射入光学气室，入射激光被光学气室内的逃逸氨吸收并转化为出射激光，之后照射在光电探测器上；
C：光电探测器将采集到的出射激光信号转化为电信号并将电信号发送给数据处理电路，首先数据处理电路中的前置放大电路对电信号进行放大，并将放大后的电信号传输给锁相放大电路，锁相放大电路解调出放大后的电信号的二次谐波分量，并将二次谐波分量发送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟的二次谐波分量转化为微处理器能够处理的数字信号并将数字信号发送给微处理器；
D：微处理器通过反馈控制电路控制激光器的输出波长锁定在氨气的吸收峰的位置，并控制显示电路显示测量出的氨气的浓度；具体采用以下方法：微处理器利用锁相放大电路解调出的二次谐波分量判断水蒸气吸收峰的位置是否发生变化；若水蒸气的吸收峰发生了变化，则微处理器根据氨气和水蒸气吸收峰的相对关系，并通过反馈控制电路控制激光器的驱动的温度，从而使激光器的输出波长锁定在氨气的吸收峰位置；若水蒸气的吸收峰没有发生变化，则微处理器利用锁相放大电路解调处的二次谐波分量计算氨气的浓度，并控制显示电路显示氨气的浓度。
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