CN107677575A - 单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法，涉及环保技术领域。包括第一信号发生器、第二信号发生器、激光器、分束器、第一探测器、角反射镜、第二探测器、锁相放大器和信号采集处理模块；激光器经调制后输出激光射向探测器，探测器接收激光后将电信号传输至锁相放大器；锁相放大器将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块。本发明通过利用非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度，利用扫描非吸收段正弦波信号光强信息来消除颗粒物引起的光强变化对浓度测量的影响；通过单光束激光同时测量烟气颗粒物和气体浓度，减少了检测流程，降低了工业成本。

Description

单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，特别是涉及单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法。

背景技术

随着我国工业的快速发展，火力发电厂、水泥厂、工业锅炉和采暖锅炉等工业排放的颗粒物和烟气污染物对自然环境造成了严重的污染，是造成环境污染的主要因素，想要监控工业废气和颗粒物的排放总量，就必须要对其进行连续监控。

传统的工业废气和颗粒物的监控都是采用独立的监测仪器分布对工业废气和颗粒物进行测量，增加了工业成本。

并且，测量烟气浓度时，由于烟气颗粒物的存在，造成通过烟气的激光强度起伏，解调的二次谐波信号正比于光强，因此要准确测量烟气中气体的浓度，就必须要消除光强起伏的影响目前国际上消除光强影响的方法主要采用二次谐波信号与一次谐波信号残余振幅的比来消除，由于解调二次谐波信号和一次谐波信号采用不同的锁相放大器，二块锁相放大器的相位等信息并不一致，而遥感探测技术在实际应用中距离是变化的，这就造成相位也会有一定的改变，这些都会造成利用二次谐波信号与一次谐波信号残余振幅的比来消除光强起伏的影响存在很大的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法，通过利用非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度，利用扫描非吸收段正弦波信号光强信息来消除颗粒物引起的光强变化对浓度测量的影响；通过单光束激光同时测量烟气颗粒物和气体浓度，减少了检测流程，降低了工业成本。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，包括第一信号发生器、第二信号发生器、激光器、分束器、第一探测器、角反射镜、第二探测器、锁相放大器和信号采集处理模块；

所述第一信号发生器与第二信号发生器产生信号经加法器叠加运输后传输至激光控制器；所述激光控制器控制激光器产生激光；

其中，所述第二信号发生器产生的信号同时经过倍频电路倍频后传输至锁相放大器作为解调参考信号；

所述激光器经调制后输出激光经分束器分为两束，一束激光射向第一探测器直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块；另一束激光经准直器准直后射向烟气区域；

所述角反射镜安装在烟气区域另一端，所述角反射镜将射向烟气区域的激光反射至所述第二探测器；所述第二探测器接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器；

所述锁相放大器将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块。

进一步地，所述第一信号发生器产生锯齿波信号；所述第二信号发生器产生正弦波信号。

进一步地，所述激光控制器控制激光器产生激光的波长工作在待测气体的吸收峰位置。

进一步地，所述激光器采用DFB激光器。

进一步地，所述信号采集处理模块采用微处理器。

单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的方法，包括烟气颗粒物测量和气体浓度测量；

烟气颗粒物测量：通过第二探测器监测非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度；包括以下步骤：

第一步：计算光密度D值

根据Lambert-Beer定律，接收到的光强I(λ)和发射光强I₀(λ)之比的关系式为：

I(λ)＝I₀(λ)exp(-αL)

L为激光穿过烟气的光程，α是常数，α是由颗粒直径、波长和吸光度确定；

激光测尘仪的基本原理为：

I(λ)＝I₀(λ)×10^-D

其中，D为光密度；

第二步：将D值换算成浓度值；

根据颗粒物的分布模型假设烟尘颗粒相同，直径为d，密度为ρ，将上述两个公式相结合，经过推导，得出浓度和D值之间的关系：

常数K又叫吸光系数，包含有波长信息；

当颗粒直径等于或大于波长(0.2μm)时，K采用常数2，浓度与D值的关系变为下式：

其中，M为烟尘浓度，单位为g/m3；d为烟尘粒径，单位为μm；ρ为烟尘密度，单位为g/dm3；L为光程，单位为m；

气体浓度测量：

第一步：消除光强起伏的影响

所述信号采集处理模块根据第一探测器探测的信号，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号；其中，二次谐波信号的强度为峰值与基线之间的差值P_2f，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号P_sin；

P_2f＝k₁·S_dcα₀·2C

P_sin＝k₂·S_dc

S_dc是激光强度信息的直流分量，K₁、K₂是常数，α₀是气体分子的吸收系数；

第二步：计算气体浓度

将上述公式带入下式中计算气体浓度；

K为常数，C为气体浓度。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过利用非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度，并利用扫描非吸收段正弦波信号光强信息来消除颗粒物引起的光强变化对浓度测量的影响；通过单光束激光同时测量烟气颗粒物和气体浓度，减少了检测流程，降低了工业成本。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置的示意图；

图2为激光回光强度随激光频率的变化关系图

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-第一信号发生器，2-第二信号发生器，3-加法器，4-激光控制器，5-激光器，6-分束器，7-准直器，8-第一探测器，9-烟气区域，10-角反射镜，11-第二探测器，12-锁相放大器，13-倍频电路，14-信号采集处理模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1所示，本发明为单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，包括第一信号发生器1、第二信号发生器2、激光器5、分束器6、第一探测器8、角反射镜10、第二探测器11、锁相放大器12和信号采集处理模块14；

第一信号发生器1与第二信号发生器2产生信号经加法器3叠加运输后传输至激光控制器4；激光控制器4控制激光器5产生激光；

其中，第二信号发生器2产生的信号同时经过倍频电路13倍频后传输至锁相放大器12作为解调参考信号；

激光器5经调制后输出激光经分束器6分为两束，一束激光射向第一探测器8直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块14；另一束激光经准直器7准直后射向烟气区域9；

角反射镜10安装在烟气区域9另一端，角反射镜10将射向烟气区域9的激光反射至第二探测器11；第二探测器11接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器12；

锁相放大器12将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块14。

其中，第一信号发生器1产生锯齿波信号；第二信号发生器2产生正弦波信号。

其中，激光控制器4控制激光器5产生激光的波长工作在待测气体的吸收峰位置；激光器5采用760nmDFB激光器；信号采集处理模块14采用微处理器。

其中，第一探测器8探测到的信号，信号采集处理模块14利用该信号作为测量烟气浓度的参考信号；信号采集处理模块14提取其中非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号，该信号直接反映的是激光回光强度信息。

单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的方法，包括烟气颗粒物测量和气体浓度测量；

烟气颗粒物测量：通过第二探测器11监测非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度；包括以下步骤：

第一步：计算光密度D值

根据Lambert-Beer定律，接收到的光强I(λ)和发射光强I₀(λ)之比的关系式为：

I(λ)＝I₀(λ)exp(-αL)

L为激光穿过烟气的光程，α是常数，α是由颗粒直径、波长和吸光度确定；

激光测尘仪的基本原理为：

I(λ)＝I₀(λ)×10^-D

其中，D为光密度；

第二步：将D值换算成浓度值；

根据颗粒物的分布模型假设烟尘颗粒相同，直径为d，密度为ρ，将上述两个公式相结合，经过推导，得出浓度和D值之间的关系：

常数K又叫吸光系数，包含有波长信息；

当颗粒直径等于或大于波长(0.2μm)时，K采用常数2，浓度与D值的关系变为下式：

其中，M为烟尘浓度，单位为g/m3；d为烟尘粒径，单位为μm；ρ为烟尘密度，单位为g/dm3；L为光程，单位为m；

气体浓度测量：

第一步：消除光强起伏的影响，由于烟气颗粒物的存在，造成通过烟气的激光强度起伏，解调的二次谐波信号正比于光强，因此要准确测量烟气中气体的浓度，就必须要消除光强起伏的影响；

信号采集处理模块14根据第一探测器8探测的信号，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号；该信号直接反映的是激光回光强度信息；其中，二次谐波信号的强度为峰值与基线之间的差值P_2f，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号P_sin；

P_2f＝k₁·S_dcα₀·2C

P_sin＝k₂·S_dc

S_dc是激光强度信息的直流分量，K₁、K₂是常数，α₀是气体分子的吸收系数；

第二步：计算气体浓度

将上述公式带入下式中计算气体浓度；

K为常数，C为气体浓度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，包括：第一信号发生器(1)、第二信号发生器(2)、激光器(5)、分束器(6)、第一探测器(8)、角反射镜(10)、第二探测器(11)、锁相放大器(12)和信号采集处理模块(14)；

所述第一信号发生器(1)与第二信号发生器(2)产生信号经加法器(3)叠加运输后传输至激光控制器(4)；所述激光控制器(4)控制激光器(5)产生激光；

其中，所述第二信号发生器(2)产生的信号同时经过倍频电路(13)倍频后传输至锁相放大器(12)作为解调参考信号；

所述激光器(5)经调制后输出激光经分束器(6)分为两束，一束激光射向第一探测器(8)直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块(14)；另一束激光经准直器(7)准直后射向烟气区域(9)；

所述角反射镜(10)安装在烟气区域(9)另一端，所述角反射镜(10)将射向烟气区域(9)的激光反射至所述第二探测器(11)；所述第二探测器(11)接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器(12)；

所述锁相放大器(12)将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块(14)。

2.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，所述第一信号发生器(1)产生锯齿波信号；所述第二信号发生器(2)产生正弦波信号。

3.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，所述激光控制器(4)控制激光器5产生激光的波长工作在待测气体的吸收峰位置。

4.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，所述激光器(5)采用760nmDFB激光器。

5.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法，其特征在于，所述信号采集处理模块(14)采用微处理器。

6.单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的方法，其特征在于，包括烟气颗粒物测量和气体浓度测量；

烟气颗粒物测量：通过第二探测器(11)监测非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度；包括以下步骤：

第一步：计算光密度D值

根据Lambert-Beer定律，接收到的光强I(λ)和发射光强I₀(λ)之比的关系式为：

I(λ)＝I₀(λ)exp(-αL)

L为激光穿过烟气的光程，α是常数，α是由颗粒直径、波长和吸光度确定；

激光测尘仪的基本原理为：

I(λ)＝I₀(λ)×10^-D

其中，D为光密度；

第二步：将D值换算成浓度值

根据颗粒物的分布模型假设烟尘颗粒相同，直径为d，密度为ρ，将上述两个公式相结合，经过推导，得出浓度和D值之间的关系：

常数K又叫吸光系数，包含有波长信息；

当颗粒直径等于或大于波长(0.2μm)时，K采用常数2，浓度与D值的关系变为下式：

其中，M为烟尘浓度，单位为g/m3；d为烟尘粒径，单位为μm；ρ为烟尘密度，单位为g/dm3；L为光程，单位为m；

气体浓度测量：

第一步：消除光强起伏的影响

所述信号采集处理模块(14)根据第一探测器(8)探测的信号，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号；其中，二次谐波信号的强度为峰值与基线之间的差值P_2f，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号P_sin；

P_2f＝k₁·S_dcα₀·2C

P_sin＝k₂·S_dc

S_dc是激光强度信息的直流分量，K₁、K₂是常数，α₀是气体分子的吸收系数；

第二步：计算气体浓度

将上述公式带入下式中计算气体浓度；

K为常数，C为气体浓度。