CN111751322A - 基于波长调制光谱技术的原位co气体测量装置及方法 - Google Patents

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CN111751322A CN202010702762.1A CN202010702762A CN111751322A CN 111751322 A CN111751322 A CN 111751322A CN 202010702762 A CN202010702762 A CN 202010702762A CN 111751322 A CN111751322 A CN 111751322A
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Abstract

本发明一种基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置及方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该测量装置针对烟气中CO波动剧烈的特点，创新性地提出了原位取样式测量，将测量腔体安装在烟道内部，保证了测量时烟气温度和成分不变，所述WM‑DAS方法采用频率为ωt的高频正弦信号进行波长扫描和调制，根据傅里叶级数定义，结合朗伯比尔定律，经过吸收后的透射光强信号It进行傅里叶级数展开，通过建立激光瞬时频率和透射光强信号之间的关系结合同步拟合便可得到气体吸收率函数，进而得到气体中CO气体浓度，该方法在光强信号重构过程中，只采用调制频率倍频处的频谱，滤除了与调制频率无关的噪声信号，使得重构的光强信号具有更高的信噪比，实现高精度CO原位在线监测。

Description

基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置及方法
技术领域
本发明涉及基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量方法及装置。
背景技术
节能减排成为能源发展的主流方向。提高锅炉效率和电厂经济性成为必然。电厂一般将烟气中的氧气作为锅炉效率的调整参数，然而氧气数据只能获得锅炉过量空气系数，无法很好地反应燃烧器燃烧和风煤混合的具体情况。CO作为燃烧过程中的不完全燃烧产物，其含量直接反映出燃料的未燃尽情况，对燃烧效率具有更好地说明性。因此，高精度在线监测烟气中CO总量，将CO的监测数值与氧量数值结合在一起，为火电厂烟气排放是否达标，提供数据依据，可以更及时更合理地调整风煤比，进行燃烧优化控制。
1.TDLAS技术包括直接吸收光谱和波长调制光谱两种方法，直接吸收光谱通过对透射光强拟合得到吸收率函数进而得到气体参数，该方法物理概念清晰，但其容易受到环境振动、激光强度波动、基线拟合误差的影响，不适用于复杂工业现场测量。波长调制光谱通过对目标信号进行高频调制，而非目标信号由于没有经过调制在后续的谐波检测过程中被除去，具有信噪比高、灵敏度高的优点，但该方法由于无法有效得到吸收率函数一般采用二次谐波峰值法结合复杂标定实验使用。
2.目前现有的CO在线监测仪表一般采用非分散红外技术(NDIR)结合传统抽取方式实现测量，传统的多级过滤抽取方式系统复杂，在取样过程中由于温度改变及气体的物理化学特性影响会发生吸附或化学反应，进而改变样气的成分，造成测量结果失真，无法实现高保真在线测量，另外非分散红外技术(NDIR)由于采用宽谱光源进行测量容易受到其它气体分子影响。
3.采用抽取式取样方案测量，取样路径长，测量滞后(滞后约1-2分钟)，而CO 在烟道内波动剧烈，在取样过程中，烟道中CO浓度已经发生了巨大变化，该测量方式不能迅速响应CO变化。
4.检测装置的滤芯处于烟道内部，现有结构虽有内、外吹扫功能，但在长时间运行过程中，滤芯会出现堵塞情况，日常维护量大，本结构采用气动毛刷清扫装置对滤芯表面进行定期清扫，解决现有堵塞情况。
为了解决上述问题，特此提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量方法，通过此方法能够得到气体中CO气体浓度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量方法，包括以下步骤：
S1:采用频率为ωt的高频正弦信号同时实现波长扫描和调制，激光瞬时频率v(t)用下式描述：
Figure RE-GDA0002646336780000021
式中
Figure RE-GDA0002646336780000022
为谱线中心频率，a1和a2分别为激光频率的线性和非线性调制深度，η是频率线性调制的初始相位，
Figure RE-GDA0002646336780000023
是频率非线性调制的初始相位；
S2:根据傅里叶级数定义，结合朗伯比尔定律，经过吸收后的透射光强信号It作为周期信号可以展开为以下傅里叶级数形式：
Figure RE-GDA0002646336780000024
式中I0为原始光强信号，α(v)为吸收率函数，Xk和Yk是透射光强信号It的傅里叶系数；
S3：为了建立激光频率v(t)与光强It之间的关系，令：
x＝cos(ωt+η) x∈[-1,1] (3)
由正弦调制后的激光频率包括上升阶段和下降阶段，将公式(3)带入公式(1)可得激光频率上升阶段和下降阶段v(x)表达式为：
上升阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000025
下降阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000026
激光频率上升和下降两个阶段ωt表达式分别为：
上升阶段：
ωt＝2nπ-arccosx-η，n＝1,2,3...
下降阶段：
ωt＝2nπ+arccosx-η，n＝0,1,2... (5)
S4：光强变化趋势与激光频率变化趋势相反，将公式(5)带入公式(2)可得上升阶段和下降阶段光强I(x)表达式为：
上升阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000031
下降阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000032
由此便建立了光强与频率之间的关系，根据公式(2)结合同步拟合便可得到气体吸收率函数，进而得到气体中CO气体浓度。
本发明的另一个目的在于提供基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置，使用上述原位CO气体测量方法，包括测量腔和信号发射接收装置，所述测量腔为两端设有通孔的腔体结构，一通孔用于烟气进入测量腔中，一通孔用于信号发射接收装置产生的信号进出测量腔，所述测量腔内侧顶端设有角锥反射镜，所述角锥反射镜用于反射信号发射接收装置发射的信号。
进一步的，所述信号发射接收装置包括激光器和光电探测器，所述激光器连接有激光控制器，激光控制器连接有信号发生器，所述光电探测器连接有信号处理模块，激光控制器驱动激光器发出激光射入测量腔，激光信号经气体吸收后到达测量腔体前端的角锥反射镜，激光信号被反射后再次经气体吸收到达光电探测器接收。
进一步的，所述激光控制器的前端设置有光纤准直器，所述激光控制器驱动激光器发出2326.82nm波长的激光并在该中心频率处实现波长调制和扫描，经过光纤准直器准直后射入测量腔。
优选的，还包括测量腔安装法兰，所述测量腔安装在测量腔安装法兰上，所述测量腔安装法兰上还安装有文丘里管和吹扫管，所述测量腔外侧安装有保护罩，所述保护罩固定于测量腔安装法兰上。
优选的，所述测量腔的顶端安装有滤芯，所述滤芯通过通孔与测量腔内部相连通，所述测量腔的内部、通孔所在位置上固定有角锥反射镜，所述角锥反射镜设有侧孔，所述滤芯用于将烟气中的灰尘过滤，过滤后的烟气经角锥反射镜侧孔进入测量腔。
进一步的，所述测量腔侧壁上设置有通气管，所述通气管与测量腔相连通，供气流经过，所述通气管分别与文丘里管和吹扫管相连通，过滤后的烟气在文丘里管的抽吸下，经角锥反射镜侧孔进入测量腔；当滤芯上表面积灰时，压缩空气通过吹扫管，由滤芯内部吹向外部，带走滤芯表面灰尘。
进一步的，所述测量腔外侧固定安装有气缸，滤芯上端设有环形毛刷，所述环形毛刷通过连接杆与气缸相连接，通过气缸带动连接杆4往复运动环形毛刷对进行滤芯清扫。
优选的，测量腔外侧且气缸和环形毛刷之间设有第一轴承座和第二轴承座，所述连接杆置于第一轴承座和第二轴承座的内部，用于支撑连接杆。
优选的，安装于电厂锅炉烟道内。
本发明的有益效果：
1.本发明的测量方法能够精确检测CO气体浓度，该方法在光强信号重构过程中，由于只采用调制频率倍频处的频谱，滤除了与调制频率无关的噪声信号，使得重构的光强信号具有更高的信噪比，同时，该方法将波长调制光谱和直接吸收光谱有效结合，通过透射光强的频谱信息得到吸收率函数，实现了免标定测量。
2.本发明的测量装置将测量腔体安装于烟道内部，测量环境与烟气环境一致，在文丘里管作用下，烟气经过过滤后进入测量腔体实现高保真高精度TDLAS在线监测，可快速准确的检测气体浓度，将CO的监测数值与氧量数值结合在一起，为火电厂烟气排放是否达标，提供数据依据，可以更及时更合理地调整风煤比，使炉内煤粉充分燃烧，节约资源。
3.设计的清扫装置，对检测装置前端滤芯进行清扫，防止其堵塞，延长滤芯使用寿命，减少日常维护量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量方法流程图。
图2是基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置结构示意图。
以下是基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置结构示意图附图的标注，通过附图说明和对应的标注，可以清楚地理解本产品。
图中：1-保护罩；2-毛刷；3-滤芯；4-气动连接杆；5-角锥反射镜；6-轴承座；7- 测量腔；8-轴承座；9-气缸；10-文丘里管；11-测量腔安装法兰；12-吹扫管；13-激光器；14-光电探测器；15-激光控制器；16-信号发生器；17-信号处理模块；18-烟气通孔；19-通气管；20-信号通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
实施例1
本发明基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量方法，使用灵敏度高、抗干扰能力强的可调谐激光二极管吸收光谱技术(tunable diode laser absorptionspectroscopy,TDLAS)，采用波长调制-直接吸收光谱(wavelength modulation—directabsorption spectroscopy,WM-DAS)算法。
传统的扫描-波长调制光谱一般采用高频正弦信号和低频三角信号叠加的方式实现波长扫描和调制，WM-DAS方法包括以下步骤：
S1:采用频率为ωt的高频正弦信号同时实现波长扫描和调制，考虑到激光频率的非线性影响，激光瞬时频率v(t)用下式描述：
Figure RE-GDA0002646336780000051
式中
Figure RE-GDA0002646336780000052
为谱线中心频率，a1和a2分别为激光频率的线性和非线性调制深度，η是频率线性调制的初始相位，
Figure RE-GDA0002646336780000053
是频率非线性调制的初始相位。
S2:根据傅里叶级数定义，结合朗伯比尔定律，经过吸收后的透射光强信号It作为周期信号可以展开为以下傅里叶级数形式：
Figure RE-GDA0002646336780000054
式中I0为原始光强信号，α(v)为吸收率函数，Xk和Yk是透射光强信号It的傅里叶系数。
S3：为了建立激光频率v(t)与光强It之间的关系，令：
x＝cos(ωt+η) x∈[-1,1] (3)
由正弦调制后的激光频率包括上升阶段和下降阶段，将公式(3)带入公式(1)可得激光频率上升阶段和下降阶段v(x)表达式为：
上升阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000061
下降阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000062
激光频率上升和下降两个阶段ωt表达式分别为：
上升阶段：
ωt＝2nπ-arccosx-η，n＝1,2,3...
下降阶段：
ωt＝2nπ+arccosx-η，n＝0,1,2... (5)
S4：光强变化趋势与激光频率变化趋势相反，将公式(5)带入公式(2)可得上升阶段和下降阶段光强I(x)表达式为：
上升阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000063
下降阶段：
Figure RE-GDA0002646336780000064
由此便建立了光强与频率之间的关系，根据公式(2)结合同步拟合便可得到气体吸收率函数，进而得到气体浓度、温度、压力及光谱常数气体参数。
该方法在光强信号重构过程中，由于只采用调制频率倍频处的频谱，滤除了与调制频率无关的噪声信号，使得重构的光强信号具有更高的信噪比。同时，该方法将波长调制光谱和直接吸收光谱有效结合，通过透射光强的频谱信息得到吸收率函数，实现了免标定测量。
选取标气CO配比浓度为2720ppm，根据上述方法得到的吸收率函数得到CO浓度为2767ppm，实际二者误差小于2％，由此可证明WM-DAS方法可以实现高精度吸收率函数测量。
具体的，如图1所示，WM-DAS数据处理过程包括波长标定、透射光强重构和吸收率函数同步拟合；具体的，包括以下步骤：
S11:首先给出标准具信号，转S12；
S12:对干涉具产生的干涉峰在各正弦上升周期和下降周期内进行编号，干涉具自由光谱区为0.05cm-1，同时确定各干涉峰对应的时间，转S13；
S13:利用公式(1)对干涉信号进行激光频率拟合；得到公式(1)中的a1、a2、η和φ；
S14:对透射光强信号It进行FFT分析，得到傅里叶系数Xk和Yk，再次将公式(3) 中x分为N个点，依次带入公式(4)和公式(6)，得到v(x)和I(x)；
S15:最后根据公式(2)对v(x)和I(x)进行同步拟合，得到气体吸收率函数α(v)。
实施例2
如图2所示，电厂锅炉烟道原位CO气体检测装置包括测量腔7和信号发射接收装置，所述测量腔7为两端设有通孔的腔体结构，一通孔用于烟气进入测量腔7中，一通孔用于信号发射接收装置产生的信号进出测量腔7，所述测量腔7内侧顶端设有角锥反射镜5，所述角锥反射镜5用于反射信号发射接收装置发射的信号。
使用时，该装置安装于电厂锅炉烟道内，利用烟气加热，不会出现冷凝。
具体的，所述通孔包括烟气通孔18和信号通孔20，所述信号通孔20、烟气通孔 18的内径小于测量腔7的内径，烟气通孔18的内径小于信号通孔20的内径。
所述信号发射接收装置包括激光器13和光电探测器14，所述激光器13连接有激光控制器15，激光控制器15连接有信号发生器16，所述光电探测器14连接有信号处理模块17。
光电探测器14将激光信号转换成电信号，电信号进入信号处理模块17，信号处理模块17就是按照WM-DAS算法把电信号反演出气体浓度、温度、压力及光谱常数。
所述信号处理模块17包括数据采集卡、工控机以及信号输出单元；所述数据采集卡用于采集光电探测器14中的数据信息，所述工控机用于数据处理、计算。
所述激光控制器15的前端设置有光纤准直器。
信号发生器16产生高频调制信号耦合激光控制器15，激光控制器15驱动激光器13发出2326.82nm波长的激光并在该中心频率处实现波长调制和扫描，经过光纤准直器准直后射入测量腔7，激光信号经气体吸收后到达测量腔体前端的角锥反射镜5，激光信号被反射后再次经气体吸收到达光电探测器14接收，然后传输至信号处理模块17 使用TDLAS方法进行光强重构、同步拟合实现CO浓度反演。
为了稳固安装测量腔7，所述电厂锅炉烟道原位CO气体检测装置还包括测量腔安装法兰11，所述测量腔7安装在测量腔安装法兰11上，所述测量腔安装法兰11上还安装有文丘里管10和吹扫管12。
所述测量腔7外侧安装有保护罩1，所述保护罩1固定于测量腔安装法兰11上，其上设有通孔结构，便于气体通过。
为了过滤灰尘，所述测量腔7的顶端安装有滤芯3，所述滤芯3通过通孔18与测量腔7内部相连通，所述测量腔7的内部、通孔18所在位置上固定有角锥反射镜5，所述角锥反射镜5设有侧孔，所述滤芯3用于将烟气中的灰尘过滤，过滤后的烟气经角锥反射镜5侧孔进入测量腔7。
所述测量腔7侧壁上设置有通气管19，所述通气管19与测量腔7相连通，供气流经过，所述通气管19分别与文丘里管10和吹扫管12相连通，过滤后的烟气在文丘里管10的抽吸下，经角锥反射镜5侧孔进入测量腔7；当滤芯3上表面积灰时，压缩空气通过吹扫管12，由滤芯3内部吹向外部，带走滤芯3表面灰尘。
优选的，通过电磁继电器控制压缩空气通过吹扫管12，当滤芯3上表面积灰时打开电磁继电器，压缩空气通过吹扫管12，由滤芯3内部吹向外部，带走滤芯3表面灰尘。
更近一步的，所述测量腔7外侧固定安装有气缸9，滤芯3上端设有环形毛刷2，所述环形毛刷2通过连接杆4与气缸9相连接，通过气缸9带动连接杆4往复运动环形毛刷2对进行滤芯3清扫。
进一步的，测量腔7外侧且气缸9和环形毛刷2之间设有第一轴承座6和第二轴承座8，所述连接杆4置于第一轴承座6和第二轴承座8的内部，用于支撑连接杆4。
通过吹扫结构吹扫管12和清扫结构环形毛刷2，保证了滤芯3长期运行不堵灰。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1:采用频率为ωt的高频正弦信号同时实现波长扫描和调制，激光瞬时频率v(t)用下式描述：
Figure FDA0002593434790000011
式中
Figure FDA0002593434790000012
为谱线中心频率，a1和a2分别为激光频率的线性和非线性调制深度，η是频率线性调制的初始相位，
Figure FDA0002593434790000013
是频率非线性调制的初始相位；
S2:根据傅里叶级数定义，结合朗伯比尔定律，经过吸收后的透射光强信号It作为周期信号可以展开为以下傅里叶级数形式：
Figure FDA0002593434790000014
式中I0为原始光强信号，α(v)为吸收率函数，Xk和Yk是透射光强信号It的傅里叶系数；
S3：为了建立激光频率v(t)与光强It之间的关系，令：
x＝cos(ωt+η) x∈[-1,1] (3)
由正弦调制后的激光频率包括上升阶段和下降阶段，将公式(3)带入公式(1)可得激光频率上升阶段和下降阶段v(x)表达式为：
上升阶段：
Figure FDA0002593434790000015
下降阶段：
Figure FDA0002593434790000016
激光频率上升和下降两个阶段ωt表达式分别为：
上升阶段：
ωt＝2nπ-arccosx-η，n＝1,2,3...
下降阶段：
ωt＝2nπ+arccosx-η，n＝0,1,2...(5)
S4：光强变化趋势与激光频率变化趋势相反，将公式(5)带入公式(2)可得上升阶段和下降阶段光强I(x)表达式为：
上升阶段：
Figure FDA0002593434790000021
下降阶段：
Figure FDA0002593434790000022
由此便建立了光强与频率之间的关系，根据公式(2)结合同步拟合便可得到气体吸收率函数，进而得到气体中CO气体浓度。
2.基于波长调制光谱技术的原位CO气体测量装置，使用权利要求1所述的方法，其特征在于，包括测量腔(7)和信号发射接收装置，所述信号发射接收装置用于发射和接收激光信号，和所述测量腔(7)为两端设有通孔的腔体结构，一通孔用于烟气进入测量腔(7)中，一通孔用于信号发射接收装置产生的信号进出测量腔(7)，所述测量腔(7)内侧顶端设有角锥反射镜(5)，所述角锥反射镜(5)用于反射信号发射接收装置发射的信号。
3.根据权利要求2所述测量装置，其特征在于，所述信号发射接收装置包括激光器(13)和光电探测器(14)，所述激光器(13)连接有激光控制器(15)，激光控制器(15)连接有信号发生器(16)，所述光电探测器(14)连接有信号处理模块(17)，激光控制器(15)驱动激光器(13)发出激光射入测量腔(7)，激光信号经气体吸收后到达测量腔体前端的角锥反射镜(5)，激光信号被反射后再次经气体吸收到达光电探测器(14)接收。
4.根据权利要求3所述测量装置，其特征在于，所述激光控制器(15)的前端设置有光纤准直器，所述激光控制器(15)驱动激光器(13)发出2326.82nm波长的激光并在该中心频率处实现波长调制和扫描，经过光纤准直器准直后射入测量腔(7)。
5.根据权利要求4所述测量装置，其特征在于，还包括测量腔安装法兰(11)，所述测量腔(7)安装在测量腔安装法兰(11)上，所述测量腔安装法兰(11)上还安装有文丘里管(10)和吹扫管(12)，所述测量腔(7)外侧安装有保护罩(1)，所述保护罩(1)固定于测量腔安装法兰(11)上。
6.根据权利要求5所述测量装置，其特征在于，所述测量腔(7)的顶端安装有滤芯(3)，所述滤芯(3)通过通孔(18)与测量腔(7)内部相连通，所述测量腔(7)的内部、通孔(18)所在位置上固定有角锥反射镜(5)，所述角锥反射镜(5)设有侧孔，所述滤芯(3)用于将烟气中的灰尘过滤，过滤后的烟气经角锥反射镜(5)侧孔进入测量腔(7)。
7.根据权利要求6所述测量装置，其特征在于，所述测量腔(7)侧壁上设置有通气管(19)，所述通气管(19)与测量腔(7)相连通，供气流经过，所述通气管(19)分别与文丘里管(10)和吹扫管(12)相连通，过滤后的烟气在文丘里管(10)的抽吸下，经角锥反射镜(5)侧孔进入测量腔(7)；当滤芯(3)上表面积灰时，压缩空气通过吹扫管(12)，由滤芯(3)内部吹向外部，带走滤芯(3)表面灰尘。
8.根据权利要求4所述测量装置，其特征在于，所述测量腔(7)外侧固定安装有气缸(9)，滤芯(3)上端设有环形毛刷(2)，所述环形毛刷(2)通过连接杆(4)与气缸(9)相连接，通过气缸(9)带动连接杆(4)往复运动环形毛刷(2)对进行滤芯(3)清扫。
9.根据权利要求4所述测量装置，其特征在于，测量腔(7)外侧且气缸(9)和环形毛刷(2)之间设有第一轴承座(6)和第二轴承座(8)，所述连接杆(4)置于第一轴承座(6)和第二轴承座(8)的内部，用于支撑连接杆(4)。
10.根据权利要求2-9任一所述测量装置，其特征在于，安装于电厂锅炉烟道内。
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