CN109724948A - 一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置及方法，包括激光控制器、单纵模稳频激光器、分束镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡，激光控制器连接单纵模稳频激光器，单纵模稳频激光器的输出口位于分束镜之前，分束镜设置在柴油机排气管之前，第一光电探测器位于柴油机排气管后方，第二光电探测器分束镜后方，第一光电探测器和第二光电探测器均连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机。本发明能够实现柴油机排放尾气组分的实时在线检测，属于非接触式检测方法，系统响应特性高，可满足柴油机运行过程中的状体检测和故障预警等用途。

Description

一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种尾气排放测试装置及方法，具体地说是柴油机尾气排放测试装置及方法。

背景技术

船用柴油机发展至上世纪六十年代，已从根本上替代了船舶动力装置中的蒸汽机和蒸汽轮机，成为最主要的船舶动力装置，据英国劳氏船级社统计数据表明，截止至2013年12月全球范围内，超过98％的船舶以柴油机作为主动力系统，船舶柴油机的总功率占船舶总功率的95％以上；另外，柴油机在电力推进系统中同样扮演了重要角色。相信在未来很长一段时间内，柴油机在船舶动力装置中的地位不会动摇。

船舶行业在上世纪末、本世纪初得到了迅猛的发展，全球船队的船舶总量也随之不断上升。据德国海运经济与物流研究所(ISL)统计资料表明，截止至2014年7月，全球船队船舶总数已达50064艘(此数据只包含总吨位300GT以上的商船)，同比增长3.52％，全球船舶总量增速减缓，但保有总量较大。如此庞大的船舶总数，导致船舶污染物排放对环境的影响作用日趋增大。国际海事组织(IMO)的研究报告称全球范围内，NOx排放总量中约18％～30％来自于船用柴油机污染物排放；SOx排放总量中约9％来自于船用柴油机污染物排放。随着排放法规的日益严格，柴油机排放的实时在线测量需求越来越迫切，特别是对于船用柴油机。污染物排放的实时测量有助于船舶在不同航段根据排放要求调整航行策略；同时，利用排气污染物的实时在线测量结果也可以实现排放的反馈控制，实时优化柴油机的燃烧过程和排放控制，从而将有害污染物的排放量抑制在排放法规要求范围内。

目前常用的发动机排放气态组分的测试方法主要可分为两种：(1)化学采样方法，将被测气体经采样后利用分析设备进行组分浓度测量，如国标中测定二氧化硫的碘量法和测定氮氧化物的分光光度法；(2)预处理系统采样法，利用采样预处理系统对有害气体进行脱水、除尘等操作后,在现场利用特定的检测仪器对被测气体作持续性实时检测，例如国标中测定一氧化碳的不分光红外法。两种方法都要求测量时有合理的采样过程，然而在实时在线过程中很难保证柴油机排气采样的准确性，同时分析仪器较大，不利于在线使用。为满足柴油机污染物排放的实时在线检测与控制的需要，开发能够快速响应并安装方便的排气组分检测装置十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供适合于船舶柴油机复杂的污染物排放特性，可实现污染物排放浓度的高精度在线测量的一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置，其特征是：包括激光控制器、单纵模稳频激光器、分束镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡，激光控制器连接单纵模稳频激光器，单纵模稳频激光器的输出口位于分束镜之前，分束镜设置在柴油机排气管之前，第一光电探测器位于柴油机排气管后方，第二光电探测器分束镜后方，第一光电探测器和第二光电探测器均连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机；分束镜的输出光线包括两路，第一路经柴油机排气管后射入第一光电探测器，第二路直接射入第二光电探测器，在柴油机排气管里安装温度传感器和压力传感器。

本发明一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试方法，其特征是：采用如下一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置：包括激光控制器、单纵模稳频激光器、分束镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡，激光控制器连接单纵模稳频激光器，单纵模稳频激光器的输出口位于分束镜之前，分束镜设置在柴油机排气管之前，第一光电探测器位于柴油机排气管后方，第二光电探测器分束镜后方，第一光电探测器和第二光电探测器均连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机；分束镜的输出光线包括两路，第一路经柴油机排气管后射入第一光电探测器，第二路直接射入第二光电探测器，在柴油机排气管里安装温度传感器和压力传感器；

利用激光控制器，控制单纵模稳频激光器使其输出光波长在气体分子吸收峰内，输出光射在分束镜上，在分束镜作用下分为两路：第一路作为被测信号I_t经过特定气体分子作用后，通过柴油机排气管的光学窗口被第一光电探测器检测传送给数据采集卡，第二路作为参考信号I_o不经过柴油机排气管的气体作用，直接由第二光电探测器检测，第二光电探测器将光信号转变为电信号传送给数据采集卡；数据采集卡将采集到的参考信号I_o和被测信号I_t传给计算机，与此同时数据采集卡将温度传感器和压力传感器的数据传给计算机，计算机将采集来的数据，在数据库里查阅线强值，选择对应温度压强下的线型函数和光程；

根据Beer-Lambert吸收定律，当单色光通过含有被测气体的区域后，其光强变化率可表示为：

其中，S(T)为该气体在此波段的吸收谱线强度，P为被测区域的总压，L为单色光走过的总距离即光程，X为被测目标气体的体积浓度，φ(ν)为谱线的线型函数，α(ν)为测量中得到的光谱吸收率信号，对上式两边进行对数运算并变形可以得到：

将前述通过数据库里查阅线强值，选择的对应温度压强下的线型函数和光程，带入到上述公式中进行计算反演得到相应的组分信息。

本发明的优势在于：

1、单纵模稳频激光器输出功率比半导体激光器高，可以有效的提高测量灵敏度和精度。

2、单纵模稳频激光器的线宽可以控制在几十kHz，对于红外波长范围的气体吸收谱线宽度而言，其光谱分辨率是足够的。

3、单纵模稳频激光器的输出稳定，不随温度变化，波动比较小；对应特定气体吸收分子光谱，不需要进行扫描，线强近似常数，可以实现单点测量。

4、单纵模稳频激光器的输出频率高，是准连续波，时间及空间分辨率较高，响应速度快适合用于快速瞬变环境下的气体检测，能够满足对柴油机工作过程中生成物浓度的测试需求，可以实现对柴油机缸内及污染物排放中气体组分浓度的实时在线测试。

5、本发明方法原理及系统结构简单，准确度高，可集成光电能量模块，能满足便携式测量的要求。

6、本发明方法属于非接触式测量，与传统测试方法相比不需要对被测组分进行采集。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明是利用单纵模稳频激光器实现柴油机排放尾气组分的测量，包括：激光控制器1、单纵模稳频激光器2、分束镜3、柴油机排气管4、光电探测器5、光电探测器6、温度传感器7、压力传感器8、光学窗口9、数据采集卡10、计算机11。镀膜高透镜固定在光学窗口里位于排气管两侧，传感器安置在光学窗口附近。

本实施方式所述的一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试方法，选取单纵模稳频激光器2作为探测光源，该激光器能输出稳定的高功率窄线宽的准连续光。因柴油机排放中的气体分子具有不同的吸收谱线，因此在选取激光器时其波长输出特性必须与某种气体分子的吸收峰对应。利用激光控制器1，控制激光器使其输出波长在气体分子吸收峰内。输出光在分束镜3的作用下分为两路：一路作为参考信号I₀不经过气体作用直接由光电探测器6检测，光电探测器6将光信号转变为电信号传送给数据采集卡10；另一路作为被测信号It由光学窗口9通过柴油机排气管4，经过特定气体分子作用后被光电探测器5检测传送给数据采集卡10。数据采集卡10将采集到的参考信号I₀和被测信号I_t传给计算机11，与此同时数据采集卡10将温度传感器7和压力传感器8的数据传给计算机11，计算机11将采集来的数据，数据库上查到的线强值，选择对应温度压强下的线型函数和光程带入到公式(2)中进行计算反演得到相应的组分信息。

单纵模稳频激光器的柴油机排放测试属于非接触测试的一种，是一种建立在光谱学技术基础上的测试方法。此方法利用气体分子吸收光谱在红外波段的特异性，采用特定光源，可对气体分子的浓度信息进行准确的定量分析。同时，此方法也可对被测气体的温度、流速、压力等信息进行检测。气基本原理如下：

根据Beer-Lambert吸收定律，当单色光通过含有被测气体的区域后，其光强变化率可表示为：

其中，I₀为单色光的初始强度(参考信号)，I_t为透射光的强度(被测信号)；S(T)为该气体在此波段的吸收谱线强度，用来表征分子对单色光的吸收强度，与分子的固有特性且与温度有关；P为被测区域的总压；L为单色光走过的总距离；X为被测目标气体的体积浓度；φ(ν)为谱线的线型函数，用来它表征分子吸收谱线的形状及线宽，是环境温度、压力的耦合函数；定义α(ν)为测量中得到的光谱吸收率信号。对式(1)两边进行对数运算并变形可以得到式(2)：

在排气管上打孔布置光路和安装温度、压力传感器；光路长度即为L值；线强的值可通过查HITRAN数据库得到；谱线的线型函数由实时的温度和压力确定；这样，由于气体分子对光强的影响，根据光电探测器测得信号进行计算就能反演出被测气体浓度信息。同时可根据吸收定律中吸收系数与温度及速度的关系，实现温度及速度的测量。

Claims (2)

1.一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置，其特征是：包括激光控制器、单纵模稳频激光器、分束镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡，激光控制器连接单纵模稳频激光器，单纵模稳频激光器的输出口位于分束镜之前，分束镜设置在柴油机排气管之前，第一光电探测器位于柴油机排气管后方，第二光电探测器分束镜后方，第一光电探测器和第二光电探测器均连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机；分束镜的输出光线包括两路，第一路经柴油机排气管后射入第一光电探测器，第二路直接射入第二光电探测器，在柴油机排气管里安装温度传感器和压力传感器。

2.一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试方法，其特征是：采用如下一种基于单纵模稳频激光器的柴油机排放测试装置：包括激光控制器、单纵模稳频激光器、分束镜、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡，激光控制器连接单纵模稳频激光器，单纵模稳频激光器的输出口位于分束镜之前，分束镜设置在柴油机排气管之前，第一光电探测器位于柴油机排气管后方，第二光电探测器分束镜后方，第一光电探测器和第二光电探测器均连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机；分束镜的输出光线包括两路，第一路经柴油机排气管后射入第一光电探测器，第二路直接射入第二光电探测器，在柴油机排气管里安装温度传感器和压力传感器；

利用激光控制器，控制单纵模稳频激光器使其输出光波长在气体分子吸收峰内，输出光射在分束镜上，在分束镜作用下分为两路：第一路作为被测信号I_t经过特定气体分子作用后，通过柴油机排气管的光学窗口被第一光电探测器检测传送给数据采集卡，第二路作为参考信号I_o不经过柴油机排气管的气体作用，直接由第二光电探测器检测，第二光电探测器将光信号转变为电信号传送给数据采集卡；数据采集卡将采集到的参考信号I_o和被测信号I_t传给计算机，与此同时数据采集卡将温度传感器和压力传感器的数据传给计算机，计算机将采集来的数据，在数据库里查阅线强值，选择对应温度压强下的线型函数和光程；

根据Beer-Lambert吸收定律，当单色光通过含有被测气体的区域后，其光强变化率可表示为：

其中，S(T)为该气体在此波段的吸收谱线强度，P为被测区域的总压，L为单色光走过的总距离即光程，X为被测目标气体的体积浓度，φ(ν)为谱线的线型函数，α(ν)为测量中得到的光谱吸收率信号，对上式两边进行对数运算并变形可以得到：

将前述通过数据库里查阅线强值，选择的对应温度压强下的线型函数和光程，带入到上述公式中进行计算反演得到相应的组分信息。