CN110031426A - 一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氨逃逸分析仪技术领域，且公开了一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪，包括激光发生模块、光学分光模块、双光路吸收模块和光电信号处理模块，所述激光发生模块包括二极管激光发生器和光频隔离器，所述光频隔离器安装在二极管激光发生器的出光口。该基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪，可深入更具代表性的核心区域取样，且仪器不受现场震动等环境因素影响，减少了由于NH3吸附导致的监测失准和粉尘堵塞导致的维护频繁，同时提供了更好的激光分析环境，且采用双光路吸收模块，一条光路为待检测气体，另一条光路作为参比，相较于传统单激光源离轴积分腔输出光谱技术具有更高的精度。

Description

一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪 及分析方法

技术领域

本发明涉及氨逃逸分析仪技术领域，具体为一种基于多束光源离轴积分腔 输出光谱技术的氨逃逸分析仪及分析方法。

背景技术

伴随着国内脱硝系统陆续投运，对于氨逃逸率的准确、高效测量日益成为 各电厂迫在眉睫的关键技术性难题。脱硝氨在线监测系统在近年来不断发展， 目前已有三代氨逃逸分析技术：

(1)第一代为稀释采样法，该方法通过转化炉将烟气中的NH3转化为NO， 样品中的NO与O3混合时生成激发态的NO2与O2。激发态NO2在返回基态时发 出红外光。这种发光的强度与NO的浓度成线性比例关系，因此可用化学发光 法判断NH3浓度。该方法存在的问题主要包括：转化炉中NH3的吸附损失难以 判断、工序过于复杂、整个工序无参考物进行准确性对比，检测数据不可考证 等。

(2)第二代为原位式/探杆式激光分析法，用激光的单色性以及对特定气 体的吸收特性进行分析。一般设计成探头型的结构，直接安装在烟道上。原位 式方法一般发射接收(R/S)单元安装在烟道一侧或两侧，激光通过发射端窗 口进入烟道，被接收端反射或接收后，进入分析仪。探杆式将探头型结构伸入 烟道中，发射光通过烟气时对NH3的吸收信息保留在光信号中，即形成吸收光 谱，通过对吸收光谱的分析终得到NH3的浓度信号。该方法存在的主要问题包 括:原位安装，仪表无法进行标定和验证，测量准确率无法保证、现场粉尘造 成发射端与接收端镜片堵塞，维护量非常大、烟道震动导致发射端与接收端不 能对准，无读数或数据跳变等。

(3)第三代为抽取式激光分析法。利用激光的单色性以及对特定气体的 吸收特性进行分析。通过采样预处理装置，过滤掉大量粉尘颗粒，经过保温传 输装置将样气传送到烟气分析单元，其中烟气分析单元前设置二次过滤与标气 验证阀，便于验证数据准确性。样气室内高温环境，并对气体进行压力补偿， 利用激光法测量氨气含量。该方法存在的问题为采样管线中ABS结晶导致NH3 损失，且清理结晶的维护量大。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多束光源离轴积分腔输出光 谱技术的氨逃逸分析仪，具备可深入更具代表性的核心区域取样，且仪器不受 现场震动等环境因素影响，减少了由于NH3吸附导致的监测失准和粉尘堵塞导 致的维护频繁，同时提供了更好的激光分析环境，且采用双光路吸收模块，一 条光路为待检测气体，另一条光路作为参比，相较于传统单激光源离轴积分腔 输出光谱技术具有更高的精度等优点，解决了现有技术中目前电厂氨逃逸分析 困难的问题。

(二)技术方案

为实现可深入更具代表性的核心区域取样，且仪器不受现场震动等环境因 素影响，减少了由于NH3吸附导致的监测失准和粉尘堵塞导致的维护频繁，同 时提供了更好的激光分析环境，且采用双光路吸收模块，一条光路为待检测气 体，另一条光路作为参比，相较于传统单激光源离轴积分腔输出光谱技术具有 更高的精度的目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多束光源离轴积分腔 输出光谱技术的氨逃逸分析仪，包括激光发生模块、光学分光模块、双光路吸 收模块和光电信号处理模块，所述激光发生模块包括二极管激光发生器和光频 隔离器，所述光频隔离器安装在二极管激光发生器的出光口，所述光学分光模 块包括一个分光镜、两个光纤分束器、两个波长计和两个光准直器，所述分光 镜包括一个射入端和两个射出端，所述分光镜的射入端与光频隔离器的射出端 相对应，所述分光镜的两个射出端分别与两个光纤分束器相对应，每个所述光 纤分束器均包括两个射出端，所述光纤分束器的其中一个射出端与一个所述波 长计相对应，另一个射出端与一个所述光准直器相对应，所述双光路吸收模块 包括与光准直器的射出端相对应的第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述第 一光学谐振腔的进气口与测试气体取样器相连通，所述第二光学谐振腔的进气 口与普通气体取样器相连通，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的出气口 均固定连通有抽气泵，所述光电信号处理模块包括聚焦透镜、光电探测器和控制器，所述聚焦透镜和光电探测器的数量均为两个，两个所述聚焦透镜分别设 置在第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的射出端，所述光电探测器设置在聚焦 透镜远离双光路吸收模块的一侧，所述光电探测器的输出端与控制器的输入端 信号连接。

进一步的，所述第一光学谐振腔和测试气体取样器之间依次设置有第一流 量计和第一压强控制器，所述第二光学谐振腔和普通气体取样器之间依次设置 有第二流量计和第二压强控制器。

进一步的，所述二极管激光发生器的输入端固定连接有激光控制仪。

进一步的，所述第一光学谐振腔和抽气泵之间固定连通有第三流量计，所 述第二光学谐振腔和抽气泵之间固定连通有第四流量计。

进一步的，所述第一流量计的量程是20000sccm，所述第二流量计的量 程为1000sccm。

进一步的，所述聚焦透镜的焦距为50.8mm。

本发明还提供一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析 仪的分析方法，包括以下步骤：

S1：测试气体取样器在采样区域的核心区进行取样，并通过第一压强控制 器和第一流量计输入至第一光学谐振腔中；普通气体取样器采集普通空气，并 通过第二压强控制器和第二流量计输入至第二光学谐振腔中；

S2：通过激光控制仪控制二极管激光发生器所发射的激光的波形，并通过 光频隔离器对激光进行处理后射入分光镜，光束由分光镜均分为两束并分别射 入两个光线分束器，通过光纤分束器将光束的20％射至波长计，另外80％经过 光准直器后射入第一光学谐振腔和第二光学谐振腔；

S3：第一光学谐振腔和第二光学谐振腔中的光束经过测试气体和普通气体 的吸收后，经过聚光透镜射至光电探测器上，并由光电探测器将光信号转化为 电信号，并将电信号输入至控制器；

S4：通过控制器对输入的电信号进行分析，比对两种电信号，并判断是否 重新调制波形，如果需要，则返回步骤S1，如果不需要，则执行步骤S5；

S5：根据朗伯-比尔定律计算NH3浓度。

进一步的，所述光电探测器的测量信号为S(ν)，数学形式为：

其中η表示光电转换系数，I_D(ν)表示打在光电探测器上的光功率，表示吸收因子，所述S(ν)是用来测量吸收物质的浓度，所述 测量信号S(ν)包括背景信号S_BG(ν)和样品吸收信号S_AS(ν)，S(ν)＝S_BG(ν)+S_AS(ν)。

进一步的，所述I_D(ν)的计算公式为：

其中I₀表示中心功率，i₀和i₂分别是标准化后线性和非线性调制的幅度，和分别是强度调制和频率调制的线 性和非线性调制的相移。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技 术的氨逃逸分析仪，具备以下有益效果：

1、该基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪，通过测试 气体取样器，可深入更具代表性的核心区域取样，且仪器不受现场震动等环境 因素影响，减少了由于NH3吸附导致的监测失准和粉尘堵塞导致的维护频繁， 同时提供了更好的激光分析环境，分析装置由包括激光发生模块、光学分光模 块、双光路吸收模块和光电信号处理模块组成，采用双光路吸收模块，一条光 路为测试取样气体，另一条光路为普通空气作为参比，相较于传统单激光源离 轴积分腔输出光谱技术具有更高的精度

附图说明

图1为本发明提出的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸 分析仪结构示意图；

图2为本发明提出的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸 分析仪的分析方法的流程图。

图中：1二极管激光发生器、2光频隔离器、3分光镜、4光纤分束器、5 波长计、6光准直器、7第一光学谐振腔、8第二光学谐振腔、9测试气体取 样器、10普通气体取样器、11抽气泵、12聚焦透镜、13光电探测器、14控 制器、15第一流量计、16第一压强控制器、17第二流量计、18第二压强控 制器、19激光控制仪、20第三流量计、21第四流量计，且图中“——”代表气路，代表光路，“.....”代表电路。

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做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析 仪，包括激光发生模块、光学分光模块、双光路吸收模块和光电信号处理模块， 所述激光发生模块包括二极管激光发生器1和光频隔离器2，光隔离器2用于 保证激光信号形成单向的激光振荡输出，防止反射回去的激光损坏二极管激光 发生器1，所述光频隔离器2安装在二极管激光发生器1的出光口，所述光学 分光模块包括一个分光镜3、两个光纤分束器4、两个波长计5和两个光准直 器6，所述分光镜3包括一个射入端和两个射出端，所述分光镜3的射入端与 光频隔离器2的射出端相对应，所述分光镜3的两个射出端分别与两个光纤分 束器4相对应，每个所述光纤分束器4均包括两个射出端，所述光纤分束器4 的其中一个射出端与一个所述波长计5相对应，另一个射出端与一个所述光准 直器6相对应，光准直器6可以保证较好的光斑尺寸和光束质量，降低干涉条 纹噪声，所述双光路吸收模块包括与光准直器6的射出端相对应的第一光学谐 振腔7和第二光学谐振腔8，所述第一光学谐振腔7的进气口与测试气体取样 器9相连通，所述第二光学谐振腔8的进气口与普通气体取样器10相连通，所述第一光学谐振腔7和第二光学谐振腔8的出气口均固定连通有抽气泵11， 所述光电信号处理模块包括聚焦透镜12、光电探测器13和控制器14，所述聚 焦透镜12和光电探测器13的数量均为两个，两个所述聚焦透镜12分别设置 在第一光学谐振腔7和第二光学谐振腔8的射出端，所述光电探测器13设置 在聚焦透镜12远离双光路吸收模块的一侧，所述光电探测器13的输出端与控 制器14的输入端信号连接。

所述第一光学谐振腔7和测试气体取样器9之间依次设置有第一流量计15 和第一压强控制器16，所述第二光学谐振腔8和普通气体取样器10之间依次 设置有第二流量计17和第二压强控制器18。

所述二极管激光发生器1的输入端固定连接有激光控制仪19，型号为 LDC-3724C，通过函数信号发生器产生的锯齿波作用在二极管激光发生器1上 的电流，从而改变激光的波长。

所述第一光学谐振腔7和抽气泵11之间固定连通有第三流量计20，所述 第二光学谐振腔8和抽气泵11之间固定连通有第四流量计21。

所述第一流量计15的量程是20000sccm，所述第二流量计17的量程为 1000sccm。

所述聚焦透镜12的焦距为50.8mm

一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的分析方法， 包括以下步骤：

S1：测试气体取样器9在采样区域的核心区进行取样，并通过第一压强控 制器16和第一流量计15输入至第一光学谐振腔7中；普通气体取样器10采 集普通空气，并通过第二压强控制器18和第二流量计17输入至第二光学谐振 腔8中；

S2：通过激光控制仪19控制二极管激光发生器1所发射的激光的波形， 并通过光频隔离器2对激光进行处理后射入分光镜3，光束由分光镜3均分为 两束并分别射入两个光线分束器4，通过光纤分束器4将光束的20％射至波长 计5，另外80％经过光准直器6后射入第一光学谐振腔7和第二光学谐振腔8；

S3：第一光学谐振腔7和第二光学谐振腔8中的光束经过测试气体和普通 气体的吸收后，经过聚光透镜12射至光电探测器13上，并由光电探测器13 将光信号转化为电信号，并将电信号输入至控制器14；

S4：通过控制器14对输入的电信号进行分析，比对两种电信号，并判断 是否重新调制波形，如果需要，则返回步骤S1，如果不需要，则执行步骤S5；

S5：根据朗伯-比尔定律计算NH3浓度。

所述光电探测器13的测量信号为S(ν)，数学形式为：其中η表示光电转换系数，I_D(ν)表示打在光电探测器13上的光功率，表 示吸收因子，所述S(ν)是用来测量吸收物质的浓度，所述测量信号S(ν)包括背景 信号S_BG(ν)和样品吸收信号S_AS(ν)，S(ν)＝S_BG(ν)+S_AS(ν)，所述I_D(ν)的计算公式为：其中I₀表示中心功率，i₀和i₂分别是标 准化后线性和非线性调制的幅度，和分别是强度调制和频率调制的线性和 非线性调制的相移。

综上所述，本分析仪具备可深入更具代表性的核心区域取样，且仪器不受 现场震动等环境因素影响，减少了由于NH3吸附导致的监测失准和粉尘堵塞导 致的维护频繁，同时提供了更好的激光分析环境，且采用双光路吸收模块，一 条光路为待检测气体，另一条光路作为参比，相较于传统单激光源离轴积分腔 输出光谱技术具有更高的精度等优点，解决了现有技术中目前电厂氨逃逸分析 困难的问题。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括 那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、 方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括 一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设 备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多 种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪，包括激光发生模块、光学分光模块、双光路吸收模块和光电信号处理模块，其特征在于：所述激光发生模块包括二极管激光发生器(1)和光频隔离器(2)，所述光频隔离器(2)安装在二极管激光发生器(1)的出光口，所述光学分光模块包括一个分光镜(3)、两个光纤分束器(4)、两个波长计(5)和两个光准直器(6)，所述分光镜(3)包括一个射入端和两个射出端，所述分光镜(3)的射入端与光频隔离器(2)的射出端相对应，所述分光镜(3)的两个射出端分别与两个光纤分束器(4)相对应，每个所述光纤分束器(4)均包括两个射出端，所述光纤分束器(4)的其中一个射出端与一个所述波长计(5)相对应，另一个射出端与一个所述光准直器(6)相对应，所述双光路吸收模块包括与光准直器(6)的射出端相对应的第一光学谐振腔(7)和第二光学谐振腔(8)，所述第一光学谐振腔(7)的进气口与测试气体取样器(9)相连通，所述第二光学谐振腔(8)的进气口与普通气体取样器(10)相连通，所述第一光学谐振腔(7)和第二光学谐振腔(8)的出气口均固定连通有抽气泵(11)，所述光电信号处理模块包括聚焦透镜(12)、光电探测器(13)和控制器(14)，所述聚焦透镜(12)和光电探测器(13)的数量均为两个，两个所述聚焦透镜(12)分别设置在第一光学谐振腔(7)和第二光学谐振腔(8)的射出端，所述光电探测器(13)设置在聚焦透镜(12)远离双光路吸收模块的一侧，所述光电探测器(13)的输出端与控制器(14)的输入端信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪，其特征在于：所述第一光学谐振腔(7)和测试气体取样器(9)之间依次设置有第一流量计(15)和第一压强控制器(16)，所述第二光学谐振腔(8)和普通气体取样器(10)之间依次设置有第二流量计(17)和第二压强控制器(18)。

3.根据权利要求1所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪，其特征在于：所述二极管激光发生器(1)的输入端固定连接有激光控制仪(19)。

4.根据权利要求2所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的，其特征在于：所述第一光学谐振腔(7)和抽气泵(11)之间固定连通有第三流量计(20)，所述第二光学谐振腔(8)和抽气泵(11)之间固定连通有第四流量计(21)。

5.根据权利要求2所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的，其特征在于：所述第一流量计(15)的量程是20000sccm，所述第二流量计(17)的量程为1000sccm。

6.根据权利要求1所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的，其特征在于：所述聚焦透镜(12)的焦距为50.8mm。

7.一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：测试气体取样器(9)在采样区域的核心区进行取样，并通过第一压强控制器(16)和第一流量计(15)输入至第一光学谐振腔(7)中；普通气体取样器(10)采集普通空气，并通过第二压强控制器(18)和第二流量计(17)输入至第二光学谐振腔(8)中；

S2：通过激光控制仪(19)控制二极管激光发生器(1)所发射的激光的波形，并通过光频隔离器(2)对激光进行处理后射入分光镜(3)，光束由分光镜(3)均分为两束并分别射入两个光线分束器(4)，通过光纤分束器(4)将光束的20％射至波长计(5)，另外80％经过光准直器(6)后射入第一光学谐振腔(7)和第二光学谐振腔(8)；

S3：第一光学谐振腔(7)和第二光学谐振腔(8)中的光束经过测试气体和普通气体的吸收后，经过聚光透镜(12)射至光电探测器(13)上，并由光电探测器(13)将光信号转化为电信号，并将电信号输入至控制器(14)；

S4：通过控制器(14)对输入的电信号进行分析，比对两种电信号，并判断是否重新调制波形，如果需要，则返回步骤S1，如果不需要，则执行步骤S5；

S5：根据朗伯-比尔定律计算NH3浓度。

8.根据权利要求5所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的分析方法，其特征在于：所述光电探测器(13)的测量信号为S(ν)，数学形式为：其中η表示光电转换系数，I_D(ν)表示打在光电探测器(13)上的光功率，表示吸收因子，所述S(ν)是用来测量吸收物质的浓度，所述测量信号S(ν)包括背景信号S_BG(ν)和样品吸收信号S_AS(ν)，S(ν)＝S_BG(ν)+S_AS(ν)。

9.根据权利要求6所述的一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪的分析方法，其特征在于：所述I_D(ν)的计算公式为：

其中I₀表示中心功率，i₀和i₂分别是标准化后线性和非线性调制的幅度，和分别是强度调制和频率调制的线性和非线性调制的相移。