CN107688009A - 基于自动扫描系统的tdlas锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法及装置 - Google Patents
基于自动扫描系统的tdlas锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法：在锅炉炉膛截面检测平台四角分别安装发射单元；在检测平台四边各安装多个接收单元；通过控制模块使发射、接收单元分别按预设方式旋转，在激光束旋转对炉膛内部截面扫描时，激光束与其旋转扫描到的各接收单元依次实现正对，使各接收单元依次完成对激光透射信号的接收并转换为电信号；通过数据采集卡将采集到的模拟信号转换为数字信号输出至计算机，通过图像重建算法反演计算出扫描区域待测气体二维浓度分布；检测装置包括：激光输出单元、发射、接收单元及数据采集处理单元。本发明可实时精确检测锅炉炉膛内截面气体产物浓度分布，有效提高气体浓度二维分布重建质量，降低检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于自动扫描系统的TDLAS用于锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法及装置。
背景技术
电站锅炉等可控燃烧空间内燃烧气体的产物浓度及其分布的在线测量对于实现燃烧优化、提高燃烧效率和火焰品质、减少污染物的排放具有十分重要的意义。可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种新兴的气体成分光谱学测量技术，凭借高光谱分辨率、高准确度、响应速度快、高灵敏度以及不易受其它气体干扰等特点，成为大气痕量气体、工业漏气、高温高速尾焰尾气等的有效监测手段。
理论和实践证明将TDLAS技术结合层析成像技术应用到电站锅炉内气体成分浓度场的二维分布检测是可行的，而且大量仿真结果和实验数据验证了穿过待测区域的光路数越多，浓度分布图像重建质量会越好，但是现有的TDLAS气体检测系统中激光器和探测器多采用固定的布置方式，限制了光路数量，导致有效投影数据不足，严重影响浓度分布图像重建质量，难以普及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法及装置，其可以实时准确地检测出锅炉炉膛内部截面的气体产物浓度分布情况，有效提高气体二维浓度分布图像重建精度，而且这种布置方式极大程度地减少了激光器的使用数量，降低了气体浓度检测系统的综合成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法，其包括如下步骤：
(1)在锅炉炉膛截面的检测平台四角各安装一个激光信号发射单元，并与激光输出单元连接；
(2)在锅炉炉膛截面的检测平台四边各安装多个激光信号接收单元；
(3)通过控制模块使所述发射单元和接收单元分别按照各自预设的方式旋转，在所述发射单元通过发射的激光束旋转对炉膛内部截面扫描的过程中，所述发射单元发射的激光束与其旋转扫描到的各接收单元依次实现正对，使各接收单元依次完成对激光透射信号的接收并转换为电信号；
(4)通过数据采集卡采集所有接收单元接收到的模拟信号并转换为数字信号输出至计算机，由计算机根据采集的数据计算得出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
优选地，所述步骤(2)中发射单元的旋转角度范围为其相邻两边的夹角范围。
优选地，所述步骤(3)中计算机根据采集的数据利用迭代重建算法反演计算出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置，其中包括：
激光输出单元：用于向安装于锅炉炉膛截面的检测平台四角的发射单元分别输出一束激光；
发射单元：用于发射所述激光输出单元输出的各束激光旋转扫描待测区域的激光入射信号，设置有四个，分别通过第一动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台四角；
接收单元：用于接收发射单元扫描的激光透射信号并转换为电信号，设置有多个，分别通过第二动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台四边，按照预设角度，各所述接收单元和发射单元旋转至正对时完成信号接收；
数据采集处理单元：用于通过数据采集卡采集接收单元接收的所有模拟信号转换为数字信号，并由计算机根据采集的数字信号计算得出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
优选地，所述激光输出单元包括函数信号发生器、激光控制器及激光器，所述函数信号发生器产生谐波输出到激光控制器，所述激光控制器控制激光器输出确定波长的激光。
优选地，还包括光纤分束器，所述光纤分束器通过信号线与激光器电连接，所述光纤分束器将激光均分为多束。
优选地，所述第一动力机构包括由所述计算机通过PLC控制的第一步进电机，所述第一步进电机通过第一电机固定结构安装于锅炉炉膛截面的检测平台四角，所述第一步进电机的输出轴与准直器连接。
优选地，所述第二动力机构包括由所述计算机通过PLC控制的第二步进电机，所述第二步进电机通过第二电机固定结构安装于所述锅炉炉膛截面的检测平台的四边，所述第二步进电机的输出轴与焦距调节装置连接，所述焦距调节装置前、后端分别安装平凸透镜和光电探测器。
优选地，所述数据采集处理单元包括数据采集卡，所述数据采集卡通过数据线与计算机、前置放大电路电连接，所述前置放大电路与所述光电探测器电连接。
采用上述方案后，本发明基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法及装置具有以下优益效果：
1、本发明采用激光信号自动扫描接收检测方法，其采用激光信号自动扫描接收的方式，可以通过运动控制系统按照测量环境的需要设置激光束的扫描角度，实现满足要求的光路数量设置，有效地提高了气体二维浓度分布图像重建精度。而且这种布置方式极大程度地减少了激光器的使用数量，降低了气体浓度检测系统的综合成本，提高了系统的使用效率；
2、本发明通过将发射单元与第一步进电机连接，接收单元与第二步进电机连接，由计算机通过PLC对第一步进电机、第二步进电机进行控制实现接收单元对激光透射信号的自动扫描接收，实现对气体二维浓度分布状态的实时监测，该检测装置中激光器数量减少，降低了TDLAS气体检测系统的综合成本，提高了系统的使用效率。
附图说明
图1为本发明基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置实施例一和二的结构示意图；
图2为本发明基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置实施例一和二的激光输出单元结构示意图；
图3为本发明基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置实施例一和二的数据采集处理单元结构示意图；
图4为本发明基于自动扫描系统的TDLAS气体锅炉炉内二维浓度分布检测装置实施例一和二的发射单元与接收单元布置结构示意图；
图5为本发明基于自动扫描系统的TDLAS气体锅炉炉内二维浓度分布检测装置实施例二的发射单元的第一动力结构示意图；
图6为本发明基于自动扫描系统的TDLAS气体锅炉炉内二维浓度分布检测装置实施例二的接收单元的第二动力结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
下面结合具体实施例阐述本发明的结构。
如图1所示为本发明基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置实施例一的结构示意图，包括：
激光输出单元1：用于向各发射单元2分别输出一束激光，结合图2所示，激光输出单元1包括函数信号发生器3、激光控制器4、激光器5及光纤分束器6，函数信号发生器3、激光控制器4、激光器5及光纤分束器6之间通过信号线电连接在一起。函数信号发生器3产生锯齿波输出到激光控制器4实现外部调谐，激光控制器4通过内部温度和电流控制模块控制激光器5使其扫描输出确定波长的激光，光纤分束器6将激光均分为四束；
发射单元2：用于发射激光输出单元1输出的多束激光扫描待测气体区域的激光入射信号，发射单元2设置为四个，分别通过第一动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台7四角；
接收单元8：用于接收发射单元2扫描的激光透射信号并转换为电信号，接收单元8设置有多个，分别通过第二动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四边，按照预设角度，各接收单元8与发射单元2旋转至正对即同一中心线上时完成信号接收，这个预设角度是发射单元2和对应接收单元8旋转至正对即同一中心线时的角度，参考图4所示，本实施例在锅炉炉膛截面的检测平台7的四边各设置十个接收单元8；
数据采集处理单元9：用于通过数据采集卡采集各接收单元8接收到的所有模拟信号并转换为数字信号输出至计算机，并由计算机10根据采集的数字信号算出扫描区域的待测气体二维浓度分布，结合图3所示，数据采集处理单元9包括数据采集卡11、计算机10及前置放大电路12，数据采集卡11通过数据线与计算机10电连接，前置放大电路12分别与接收单元8、数据采集卡11电连接。
本实施例基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(1)将四个激光发射单元2分别安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四角，与激光输出单元1相连接；
(2)将多个激光接收单元2安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四边；
(3)通过计算机10控制PLC使第一动力机构工作，使第一动力机构带动发射单元2旋转对待测区域进行扫描，发射单元2的旋转角度范围为其相邻两边的夹角范围，本实施例旋转角度范围为90度，同时通过计算机10控制PLC使第二动力机构工作，使第二动力机构带动位于锅炉炉膛截面的检测平台7的各边的接收单元8按照预设角度旋转依次接收发射单元2扫描的激光透射信号并转换为电信号，该预设角度是发射单元2和对应接收单元8旋转至正对即同一中心线时的角度，此过程详细为：当发射单元2在相邻两边90度范围内旋转时，其旋转扫描到的各接收单元8，即相邻两边上的接收单元8也各自按预设角度旋转，在90度旋转过程中，发射单元2发射的激光束依次照射到各接收单元8时，各接收单元8旋转在此刻时的中心线与发射单元2的中心线重合，也即发射单元2与照射到的接收单元8呈正对，如此使发射单元2在一个旋转范围内旋转时，其扫描范围内的各接收单元8依次完成对激光透射信号的接收并转换为电信号；
(4)通过数据采集卡11采集所有接收单元8接收的模拟信号并转换为数字信号输出至计算机10，由计算机10根据采集的数据利用图像重建算法反演计算出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
参考图1所示，本发明基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置实施例二的结构包括：
激光输出单元1：用于向各发射单元2分别输出一束激光，参考图2所示，激光输出单元1包括函数信号发生器3、激光控制器4、激光器5及光纤分束器6，函数信号发生器3、激光控制器4、激光器5及光纤分束器6之间通过信号线电连接在一起。函数信号发生器3产生锯齿波输出到激光控制器4实现外部调谐，激光控制器4通过内部温度和电流控制模块控制激光器5使其扫描输出确定波长的激光，光纤分束器6将激光均分为四束；
发射单元2：用于发射激光输出单元1输出的多束激光扫描待测气体区域的激光入射信号，发射单元2设置有四个，分别通过第一动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四角，参考图5所示，第一动力机构包括第一步进电机14，第一步进电机14通过第一电机固定结构安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四角，第一电机固定结构包括第一电机支架15，第一步进电机14安装于第一电机支架15上，第一电机支架15的下端与圆柱形固定台16连接，固定台16通过螺丝可调节安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四角。第一步进电机14的输出轴与准直器支架17连接，准直器支架17上通过螺丝与准直器18连接固定；
接收单元8：用于接收发射单元2扫描的激光透射信号转换为电信号，接收单元8设置有多个，分别通过第二动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四边，按照预设角度，各接收单元8与发射单元2旋转至正对时即同一中心线上时完成信号接收，这个预定角度是发射单元2与对应接收单元旋转至同一中心线时的角度，本实施例在锅炉炉膛截面的检测平台7的四边各设置十个接收单元8，结合图6所示，第二动力机构包括第二步进电机19，第二步进电机19通过第二电机固定结构安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四边，第二电机固定结构包括通过固定件24安装于锅炉炉膛截面的检测平台7四边的第二电机支架20，第二电机支架20上安装第二步进电机19。第二步进电机19的输出轴通过螺丝与焦距调节装置21连接固定，焦距调节装置21的前、后端分别安装平凸透镜22和光电探测器23；
数据采集处理单元9：用于通过数据采集卡采集各接收单元8接收到的所有模拟信号并转换为数字信号，并由计算机10根据采集的数字信号通过图像重建算法计算出扫描区域的待测气体二维浓度分布，结合图3所示，数据采集处理单元9包括数据采集卡11、计算机10及前置放大电路12，数据采集卡11通过数据线与计算机10电连接，前置放大电路12分别与光电探测器23、数据采集卡11电连接。
本实施例基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(1)将四个激光发射单元2分别安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四角，与激光输出单元1相连接，开启激光输出单元1，在函数信号发生器3中调制出所需矩齿波形输出给激光控制器4，根据所选波长基准值调整激光控制器4的内部参数，依次打开其温度和电流控制模块驱动激光器5生成初始激光束，初始激光束通过光纤分束器6分束向锅炉炉膛截面的检测平台7的四角设置的可旋转发射单元2输出四束激光；
(2)将多个激光接收单元2安装于锅炉炉膛截面的检测平台7的四边；
(3)通过计算机10控制PLC使第一动力机构工作，第一动力机构的第一步进电机14工作，第一步进电机14的输出轴旋转带动准直器支架17及准直器18一起旋转，从而实现发射单元2对待测区域的旋转扫描，发射单元2的旋转角度范围为其相邻两边的夹角范围，本实施例旋转角度范围为90度，同时通过计算机10控制PLC使第二动力机构工作，第二动力机构的第二步进电机19按照预设角度旋转，其带动调节装置21、平凸透镜22和光电探测器23同步旋转与对应的发射单元2正对处于同一中心线上，在此过程中接收单元8检测到被CO2气体吸收之后的透射激光，并将该激光透射信号转换为电信号；
(4)通过数据采集卡11采集所有接收单元8接收的模拟信号并转换为数字信号采集输出至计算机10，由计算机10根据吸收曲线的自身拟合和Beer-Lambert定律计算出单条光路的平均浓度，再根据所得到的单条光路的浓度利用迭代重建算法反演计算，成像出扫描区域的CO2气体二维浓度分布。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的实施例方法、结构，及在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在锅炉炉膛截面的检测平台四角各安装一个激光信号发射单元，并与激光输出单元连接；
(2)在锅炉炉膛截面的检测平台四边各安装多个激光信号接收单元；
(3)通过控制模块使所述发射单元和接收单元分别按照各自预设的方式旋转，在所述发射单元通过发射的激光束旋转对炉膛内部截面扫描的过程中，所述发射单元发射的激光束与其旋转扫描到的各接收单元依次实现正对，使各接收单元依次完成对激光透射信号的接收并转换为电信号；
(4)通过数据采集卡采集所有接收单元接收到的模拟信号并转换为数字信号输出至计算机，由计算机根据采集的数据计算得出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中发射单元的旋转角度范围为其相邻两边的夹角范围。
3.根据权利要求1所述的一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算机根据采集的数据利用迭代重建算法反演计算出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
4.一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置，其特征在于，包括：
激光输出单元：用于向安装于锅炉炉膛截面的检测平台四角的发射单元分别输出一束激光；
发射单元：用于发射所述激光输出单元输出的各束激光旋转扫描待测区域的激光入射信号，设置有四个，分别通过第一动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台四角；
接收单元：用于接收发射单元扫描的激光透射信号并转换为电信号，设置有多个，分别通过第二动力机构安装于锅炉炉膛截面的检测平台四边，按照预设角度，各所述接收单元和发射单元旋转至正对时完成信号接收；
数据采集处理单元：用于通过数据采集卡采集接收单元接收的所有模拟信号转换为数字信号，并由计算机根据采集的数字信号计算得出扫描区域的待测气体二维浓度分布。
5.根据权利要求4所述的一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置，其特征在于，所述激光输出单元包括函数信号发生器、激光控制器及激光器，所述函数信号发生器产生谐波输出到激光控制器，所述激光控制器控制激光器输出确定波长的激光。
6.根据权利要求5所述的基于自动扫描系统的TDLAS气体二维浓度检测装置，其特征在于，还包括光纤分束器，所述光纤分束器通过信号线与激光器电连接，所述光纤分束器将激光均分为多束。
7.根据权利要求4所述的一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置，其特征在于，所述第一动力机构包括由所述计算机通过PLC控制的第一步进电机，所述第一步进电机通过第一电机固定结构安装于锅炉炉膛截面的检测平台四角，所述第一步进电机的输出轴与准直器连接。
8.根据权利要求4所述的一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置，其特征在于，所述第二动力机构包括由所述计算机通过PLC控制的第二步进电机，所述第二步进电机通过第二电机固定结构安装于所述锅炉炉膛截面的检测平台的四边，所述第二步进电机的输出轴与焦距调节装置连接，所述焦距调节装置前、后端分别安装平凸透镜和光电探测器。
9.根据权利要求8所述的一种基于自动扫描系统的TDLAS锅炉炉内气体二维浓度分布检测装置，其特征在于，所述数据采集处理单元包括数据采集卡，所述数据采集卡通过数据线与计算机、前置放大电路电连接，所述前置放大电路与所述光电探测器电连接。
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