CN107328727A - 基于紫外差分技术的烟气分析装置及方法 - Google Patents
基于紫外差分技术的烟气分析装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于紫外差分技术的烟气分析装置及方法，该烟气分析装置依次包括紫外光源、测量池、光纤和光谱仪，其中所述测量池靠近光纤的一端设有聚焦透镜和光纤连接调整机构，所述光纤连接调整机构用于调整光纤纵向端面相对于测量池的前后平移，以利用所述聚焦透镜的轴向色差使得所述紫外光源发出的紫外光在所述光纤中耦合不同的光谱能量分布，从而在检测时能够通过多次调整以获得各烟气组分吸收波长处呈最大光谱能量分布时的光纤纵向端面位置，提高信噪比，增强各烟气组分浓度的检测灵敏度。本发明的装置和方法能适应不同待测样气的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱分析装置，尤其涉及一种基于紫外差分技术的烟气分析装置及方法。
背景技术
2015年12月，国务院常务会议决定，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造。最新的《大气污染防治法》已于2016年1月1日施行。各地方环保部门陆续出台了史上最严格的排放标准，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不超过10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。
由于超低排放现场的烟气成分复杂，二氧化硫、氮氧化物排放的浓度较低，目前现场安装的大部分烟气分析仪为常规量程分析仪，已不能满足监测要求，现有的烟气分析仪主要存在以下问题：1.一些采用红外技术的烟气分析仪在低浓度区域测量易受背景气体干扰的影响；2.一些紫外烟气分析仪为了提高检测灵敏度采用了多次反射测量池，多次反射测量池增加了系统的复杂程度，相较于直通池稳定性差并且增加了现场维护难度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种烟气分析装置及方法，以解决上述技术问题中的至少之一。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
作为本发明的一方面，提供了一种基于紫外差分技术的烟气分析装置，依次包括紫外光源、测量池、光纤和光谱仪，所述测量池靠近光纤的一端设有聚焦透镜和光纤连接调整机构，所述光纤连接调整机构用于调整光纤纵向端面相对于测量池的前后平移，以利用所述聚焦透镜的轴向色差使得所述紫外光源发出的紫外光在所述光纤中耦合不同的光谱能量分布，从而在检测时能够通过多次调整以获得各烟气组分吸收波长处呈最大光谱能量分布时的光纤纵向端面位置，提高各烟气组分浓度的检测灵敏度。
优选地，所述光纤连接调整机构包括光纤调整座、固定件和锁紧件，所述光纤固定于所述光纤调整座，所述固定件固定于测量池所述端，所述光纤调整座与所述固定件滑动连接以相对测量池作前后平移，并通过所述锁紧件定位于固定件上。
优选地，所述固定件为光纤固定座，所述锁紧件为所述光纤固定座内设的顶丝，所述光纤调整座套设于所述光纤固定座内并通过所述顶丝进行锁紧定位。
优选地，所述固定件为调整螺栓，所述锁紧件为弹性件，所述调整螺栓穿过所述光纤调整座将所述光纤调整座与测量池所述端相连，所述弹性件设于所述调整座与测量池所述端之间并将所述光纤连接调整机构锁紧定位于所述调整螺栓上，所述弹性件优选弹簧、碟簧或拉簧。
优选地，所述光纤调整座在所述光纤的固定处开设锥形通孔，以使所述紫外光通过并进入光纤。
优选地，所述烟气分析装置还包括主控电路，所述光谱仪将从光纤接收的光谱信号经光电转换后传递至主控电路进行计算得出烟气组分浓度。，所述主控电路利用波长权重算法和温度补偿算法进行浓度反演计算，计算公式如下：
式(1)中，C0为反演浓度；n为参与反演的像素点数；Ui为第i个像素点对应的差分吸光度；Wi为第i个像素点权重；A0、A1、A2、A3分别为三次多项式的常数项、一次项、二次项、三次项的拟合系数；式(2)中，C为补偿后浓度；k为修正系数，由实验确定；T为实测气体温度；T0为标态温度。
优选地，所述测量池靠近紫外光源的一端设有准直透镜，以将所述紫外光源发出的光准直入测量池内；在紫外光源与准直透镜之间还设有孔径光阑，以抑制杂散光进入测量池，提高光路稳定性。
优选地，所述测量池为直通测量池，由铝合金材质制成，内衬聚四氟乙烯管管，铝合金材质的热传导率较高，便于光源散热和测量池的温度控制，聚四氟乙烯管可防止测量池对样气的吸附以及样气对测量池的腐蚀，采用直通测量池提高系统稳定性和可维护性。
优选地，所述光谱仪包括入射狭缝、平场凹面光栅和线阵图像传感器，光纤传递的光进入入射狭缝后传递至平场凹面光栅以分散成多条光束，而后传递至线阵图像传感器以检测光强度。
优选地，所述烟气分析仪还包括光源驱动电路，进样模块、显示与按键模块、温度控制模块、输入输出模块和电源模块；其中，所述光源驱动电路驱动紫外光源发光；所述进样模块用以将样气通向测量池内；所述显示与按键模块连接主控电路以向主控电路获取检测数据以及发送编辑指令；所述温度控制模块用于控制所述烟气分析装置内部的温度，且连接主控电路以向主控电路获取温度控制指令并反馈温度检测数据；所述输入输出模块连接主控电路以将数据传输给外部设备；所述电源模块连接光源驱动电路、主控电路以及各模块以提供持续稳定的电流电压。
优选地，所述温度控制模块包括继电器、加热模块和温度传感器，加热模块包括加热器和循环风扇。循环风扇用于产生空气对流，增加分析仪内部温度分布的均匀和稳定性；温度传感器散布在烟气分析仪的机箱内部采集温度，基于软件程序(如基于PID温控算法的程序)根据实际温度与设定温度的差值控制加热器和循环风扇，优选将所述光谱分析仪内部温度控制在45±0.1℃，这样即使在环境温度较高时(如36-37度)也能对仪器温度进行较好的控制。
作为本发明的另一方面提供了一种使用上述烟气分析装置进行烟气分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用光纤连接调整机构多次调整光纤纵向端面的位置，并测量不同光纤纵向端面位置的光谱能量分布；以及
(2)将光纤纵向端面位置调整至使待测组分吸收波长处呈最大能量分布的位置；以及
(3)在当前端面位置利用浓度反演法进行待测组分浓度的测量。
基于上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：
1.通过光纤连接调整机构调节光纤纵向端面的前后位置，利用聚焦透镜的轴向色差改变了光谱能量分布，提高待测样气吸收波长处的光谱信号强度，提高信噪比，增强检测灵敏度1.5～2倍，能适应不同待测样气的检测；
2.采用整体恒温技术，通过温度控制模块对烟气分析仪内部的温度进行精确控制，降低温度的干扰，提高测量准确度；
3.浓度反演算法采用波长权重法，由于干扰气体吸收谱与待测气体吸收谱具有不同的特征频率，通过波长权重算法可有效减小背景气体对待测气体测量的干扰。算法增加温度补偿功能，通过实时监测测量池温度对测量结果进行温度修正，增加测量结果的准确度；
4.可检测低浓度排放烟气、抗背景气体干扰强、结构简单、易于维护且具有高灵敏度。
附图说明
图1为本发明一实施例的烟气分析装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例的烟气分析装置的结构原理图；
图3为本发明一优选实施例的光纤连接调整机构的结构示意图；
图4位本发明另一优选实施例的光纤连接调整机构的结构示意图；
图5为本发明一实施例的光路结构图；
图6为本发明一实施例的光谱能量分布调整原理示意图；
图7为本发明一实施例的光纤端面调整至201位置时的光谱能量分布情况曲线图；
图8为本发明一实施例的光纤端面调整至202位置时的光谱能量分布情况曲线图；
图9为本发明一实施例的光纤端面调整至203位置时的光谱能量分布情况曲线图；
图10为本发明一实施例的二氧化硫的差分吸光度曲线图。
其中，1-分析仪机箱；2-触摸屏；3-转子流量计；4-样气入口；5-样气出口；6-开关电源；7-两位三通阀及隔膜泵；8-温度控制模块；9-紫外光源；10-测量池；11-氧量传感器；12-光纤；13-光谱仪；14-光源驱动电路；15-输出模块；16-孔径光阑；17-准直透镜；18-聚四氟乙烯管；19-聚焦透镜；20-光纤连接调整机构；21-入射狭缝；22-平场凹面光栅22；23-线阵图像传感器；24-输入、输出端子；201、202、203-光纤纵向端面所在不同位置；204、207-光纤调整座；205-光纤固定座；206-顶丝；208-螺栓；209-弹性件，25-测量及主控模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施。
利用紫外差分吸收光谱法进行检测时，样气对光的吸收可以分成两部分：一部分随波长快速变化，构成光谱的窄带精细结构，这一部分只和待测气体的特征吸收有关；另一部分随波长缓慢变化，构成光谱的宽带结构，这一部分除了和部分气体的特性有关外还和样气中的杂质散射等因素有关。紫外差分吸收光谱技术将吸收光谱的窄带吸收部分分离出来，利用待测物质分子的窄带吸收特性来区分和反演待测气体的浓度，从而避免了粉尘和其它气体的慢吸收带来的影响。本发明基于紫外差分光谱法不受H2O、CO2、H2S、HCl等背景气体干扰影响，进一步提供了一种烟气分析装置，主要对其中测量及主控模块进行改进，提高整体系统的检测灵敏度和可靠性。
如图2为本发明提供的一种基于紫外差分技术的烟气分析装置结构原理图，所述烟气分析装置包括进样模块、显示与按键模块、温度控制模块、输入输出模块、测量及主控模块和电源模块。
其中，测量及主控模块25包括测量单元和主控电路，所述测量单元包括紫外光源9、测量池10、氧量传感器11、光纤12、光谱仪13及光源驱动电路14。在一实施例中，测量池10为直通测量池，由铝合金材质制成，内衬聚四氟乙烯管，防止测量池对样气的吸附通知防止样气对测量池的腐蚀，直通测量池较多次反射测量池具有更高的系统稳定性和可维护性；光谱仪13包括入射狭缝21、平场凹面光栅22和线阵图像传感器23(可见图5)。所述主控电路可采用低噪声设计，采用高精度低噪声芯片，严格控制噪声水平，提高检测灵敏度。
如图5所示为本实施例气态污染物测量及主控模块25的光路结构图。包括紫外光源9、孔径光阑16、准直透镜17、聚四氟乙烯管18、聚焦透镜19、光纤连接调整机构20、光纤12、入射狭缝21、平场凹面光栅22、线阵图像传感器23。紫外光源9在光源驱动电路14驱动下发出的发散紫外光经孔径光阑16限制发散角度后被准直透镜17准直，通过测量池10后被聚焦透镜19聚焦到光纤12的端面处，经光纤12传输至光谱仪狭缝21，最后经平场凹面光栅分光并聚焦到线阵图像传感器23处。通过光纤连接调整机构20控制光纤12的纵向端面相对于测量池的前后位置平移。
在一较优实施例中，如图3所示为光纤连接调整机构的结构示意图，所述光纤12通过螺纹与光纤调整座204固定，所述光纤调整座204套设于光纤固定座205内，所述光纤固定座205通过卡口和螺栓与测量池相应端连接。所述光纤调整座204相对于测量池10的轴向位置可以在所述光纤固定座205内手动调整，调整至合适位置后通过顶丝206将光纤调整座204与光纤固定座205锁紧。
在另一较优实施例中，如图4所示为光纤连接调整机构的结构示意图，所述光纤12通过螺纹与光纤调整座207固定，所述光纤调整座207通过卡口和螺栓208与测量池10连接。所述光纤调整座207相对于测量池10的轴向位置可以通过调整螺栓208进行，在光纤调整座207和测量池相应端之间还设有弹性件209，如弹簧、碟簧或拉簧等，通过弹性件209与螺栓的配合将光纤调整座锁紧于螺栓208上，优选将弹性件209套设于螺栓208上。
上述的光纤调整座204、207在光纤12固定处开设锥形通孔，以使紫外光在经所述聚焦透镜19聚焦后较好地通过并进入光纤12内。
当然，光纤连接调整机构的结构形式包括但不限于上述两个较优实施例，只要能实现光纤12的纵向端面相对于测量池的前后位置平移即可。
如图6-9所示为通过调整光纤接收端面的纵向位置来实现光谱能量分布的示意图。利用聚焦透镜的轴向色差，当光纤端面处于201位置时NO的特征吸收波长处光谱能量达到最大值，当光纤端面处于202位置时光谱的长波长区间能量达到最大值，当光纤端面处于203位置时光谱的短波长区间能量达到最大值。可知，如果待测气体为NO时，将光纤端面调整至201位置时，能提高待测样气所述波长处的光谱信号强度，提高有用信号波长区的信噪比，进而增强检测灵敏度。而对于不同的检测样气，可对光纤端面作不同的位置调整。同时由于光纤端面位置前后可调，降低了对聚焦透镜的要求，即使透镜聚焦有较大的公差也可以通过调整光纤端面的位置进行补偿。
所述进样模块与测量及主控模块25连接，以将样气通向测量池内。其具体结构设计可参见图1的实体结构图所示。所述进样模块包括分析仪机箱1后面板上设有的样气入口4、样气出口5、分析仪机箱内部设有的两位三通阀及隔膜泵7、分析仪机箱1的前面板上设有的转子流量计3；样气通过样气入口4直接连接到两位三通阀及隔膜泵7的一个入口，两位三通阀及隔膜泵7的出口与转子流量计3相连，转子流量计3出气口与测量及主控模块25的进气口相连，测量及主控模块25出气口与分析仪后面板样气出口5相连。
所述显示与按键模块连接测量及主控模块，以向测量及主控模块的主控电路获取检测数据以及发送编辑指令，其具体结构设计可参见图1所示。所述显示与按键模块包括在机箱前面板上设置的触摸屏2，用于以显示当前设定值、测量值等以及提供编辑功能；
所述温度控制模块8连接测量及主控模块，以向主控电路获取温度控制指令并反馈温度检测数据，主要包括继电器、加热模块和温度传感器，加热模块包括加热器和循环风扇。所述主控电路根据温度传感器测定的温度与设定温度的差异采用PID温控算法进行温度控制，并将控制信号传递至温度控制模块，由继电器控制加热器和循环风扇的开关，在一较优实施例中，将机箱内部温度控制在45±0.1℃，即使在环境温度较高时(如36-37℃)也能对仪器温度进行较好的控制。
所述输入输出模块15设置于机箱内部，通过输入、输出端子24实现与外部设备的数据交互。
所述电源模块包括开关电源6，与上述各模块相连以提供持续稳定的电流电压。
烟气的浓度由主控电路利用波长权重算法和温度补偿算法进行浓度反演计算得到，通过增加干扰气体吸收波长的权重，消除背景气体的干扰影响，通过温度补偿可经实时监测测量池温度对测量结果进行修正，增加测量结果的准确度。实际应用中由于光谱信号由线阵图像传感器采集，因此波长与图像传感器的像素之间存在对应关系。如图10所示为二氧化硫的差分吸光度，可以看出差分吸光度随着像素点有急剧的变化。如像素1对应的差分吸光度有较大的值，像素2对应的差分吸光度接近0。像素2相较于像素1有较差的信噪比，因此可以通过提高像素1的权重降低像素2的权重来提高整体信噪比，其余像素以此类推。计算公式如下：
式(1)中，C0为反演浓度；n为参与反演的像素点数；Ui为第i个像素点对应的差分吸光度；Wi为第i个像素点权重；A0、A1、A2、A3分别为三次多项式的常数项、一次项、二次项、三次项的拟合系数；
式(2)中，C为补偿后浓度；k为修正系数，由实验确定；T为实测气体温度；T0为标态温度。
使用时，利用光纤连接调整机构多次调整光纤纵向端面的位置，并测量不同光纤纵向端面位置的光谱能量分布，之后将光纤纵向端面位置调整至使待测组分吸收波长处呈最大能量分布的位置；最后在相应端面位置利用浓度反演法进行待测组分浓度的测量。
综上，该烟气分析装置的光纤端面可调，采用高精度的恒温控制，提高系统灵敏度，可使用直通测量池在常规光程下实现超低浓度的测量，特别适用于超低排放现场的连续监测。通过波长权重法和温度补偿算法进行浓度反演算增加测量结果的准确性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于紫外差分技术的烟气分析装置，依次包括紫外光源、测量池、光纤和光谱仪，其特征在于，所述测量池靠近光纤的一端设有聚焦透镜和光纤连接调整机构，所述光纤连接调整机构用于调整光纤纵向端面相对于测量池的前后平移，以利用所述聚焦透镜的轴向色差使得所述紫外光源发出的紫外光在所述光纤中耦合不同的光谱能量分布，从而在检测时能够通过多次调整以获得各烟气组分吸收波长处呈最大光谱能量分布时的光纤纵向端面位置，提高各烟气组分浓度的检测灵敏度。
2.根据权利要求1所述的烟气分析装置，其特征在于，所述光纤连接调整机构包括光纤调整座、固定件和锁紧件，所述光纤固定于所述光纤调整座，所述固定件固定于测量池所述端，所述光纤调整座与所述固定件滑动连接以相对测量池作前后平移，并通过所述锁紧件定位于固定件上；
优选地，所述光纤调整座在所述光纤的固定处开设锥形通孔，以使所述紫外光通过并进入光纤。
3.根据权利要求2所述的烟气分析装置，其特征在于，所述固定件为光纤固定座，所述锁紧件为所述光纤固定座内设的顶丝，所述光纤调整座套设于所述光纤固定座内并通过所述顶丝进行锁紧定位。
4.根据权利要求2所述的烟气分析装置，其特征在于，所述固定件为螺栓，所述锁紧件为弹性件，所述螺栓穿过所述光纤调整座并将所述光纤调整座与测量池所述端相连，所述弹性件设于所述光纤调整座与测量池所述端之间并将所述光纤连接调整机构锁紧定位于所述调整螺栓上，所述弹性件优选弹簧、碟簧或拉簧。
5.根据权利要求1所述的烟气分析装置，其特征在于，还包括主控电路，所述光谱仪将从光纤接收的光谱信号经光电转换后传输至主控电路进行计算得出烟气组分浓度；
优选地，所述主控电路利用波长权重算法和温度补偿算法进行浓度反演计算，计算公式如下：
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式(1)中，C0为反演浓度；n为参与反演的像素点数；Ui为第i个像素点对应的差分吸光度；Wi为第i个像素点权重；A0、A1、A2、A3分别为三次多项式的常数项、一次项、二次项、三次项的拟合系数；
式(2)中，C为补偿后浓度；k为修正系数，由实验确定；T为实测气体温度；T0为标态温度。
6.根据权利要求1所述的烟气分析装置，其特征在于，所述测量池靠近紫外光源的一端设有准直透镜，以将紫外光源发出的光准直入测量池内；在所述紫外光源与准直透镜之间还设有孔径光阑，以抑制杂散光进入测量池。
7.根据权利要求1所述的烟气分析装置，其特征在于，所述测量池为直通测量池，由铝合金材质制成，内衬聚四氟乙烯管。
8.根据权利要求1所述的烟气分析装置，其特征在于，所述光谱仪包括入射狭缝、平场凹面光栅和线阵图像传感器，光纤输入的光进入所述入射狭缝后通过所述平场凹面光栅以分散成多条光束，而后传输至线阵图像传感器以检测光强度。
9.根据权利要求5所述的烟气分析装置，其特征在于，所述烟气分析装置还包括光源驱动电路、进样模块、显示与按键模块、温度控制模块、输入输出模块和电源模块；
其中，所述光源驱动电路驱动所述紫外光源发光；
所述进样模块用以将样气通向测量池内；
所述显示与按键模块连接所述主控电路以向主控电路获取检测数据以及发送编辑指令；
所述温度控制模块用于控制所述烟气分析装置内部的温度，且连接所述主控电路以向主控电路获取温度控制指令并反馈温度检测数据；优选地，所述温度控制模块包括继电器、加热模块和温度传感器，所述加热模块包括加热器和循环风扇，所述温度传感器测得的温度信号传递至主控电路，由所述主控电路向继电器输出控制信号以控制加热器和循环风扇的工作；更加优选地，所述温度控制模块将所述烟气分析装置内部的温度控制在45±0.1℃。
所述输入输出模块连接所述主控电路以将数据传输给外部设备；
所述电源模块连接光源驱动电路、主控电路以及各模块以提供持续稳定的电流电压。
10.使用如权利要求1-9任一项所述的烟气分析装置进行烟气分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用光纤连接调整机构多次调整光纤纵向端面的位置，并测量不同光纤纵向端面位置的光谱能量分布；
(2)将光纤纵向端面位置调整至使待测组分吸收波长处呈最大能量分布的位置；
(3)在当前端面位置利用浓度反演法进行待测组分浓度的测量。
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