CN112129743A - 一种基于libs技术在线测量烟气汞含量系统和方法 - Google Patents
一种基于libs技术在线测量烟气汞含量系统和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112129743A CN112129743A CN202011123374.4A CN202011123374A CN112129743A CN 112129743 A CN112129743 A CN 112129743A CN 202011123374 A CN202011123374 A CN 202011123374A CN 112129743 A CN112129743 A CN 112129743A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mercury
- customized
- precision optical
- processor
- cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 180
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 46
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000002536 laser-induced breakdown spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 81
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 70
- 239000000779 smoke Substances 0.000 claims abstract description 54
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 238000010813 internal standard method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000005477 standard model Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 128
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 93
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 70
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 23
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 23
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 19
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 13
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 10
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 8
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 8
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 5
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims description 3
- 101000694017 Homo sapiens Sodium channel protein type 5 subunit alpha Proteins 0.000 claims 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 6
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000001479 atomic absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001391 atomic fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LINPIYWFGCPVIE-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trichlorophenol Chemical compound OC1=C(Cl)C=C(Cl)C=C1Cl LINPIYWFGCPVIE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 239000012470 diluted sample Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
- G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
- G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明实施例提供了一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统和方法。本系统先测量标准汞蒸气中汞元素和碳元素的谱线强度值，以通过标准汞蒸气内的汞元素浓度和内标模型得到内标法定量模型；然后测量稀释后的待测烟气中汞元素和碳元素的谱线强度值；最后，将汞元素和碳元素的谱线强度值带入内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。本发明能够快速对待测烟气中的汞元素含量进行非接触快速检测，重复性高，测量过程安全可靠，元素检测限低，能够进行远程在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及激光测量诊断领域，特别是涉及一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统和方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)的原理是将脉冲激光聚焦于样品表面上，高温的等离子体在样品表面产生，等离子体在冷却的过程中发射出元素谱线，发射谱线与测量样品内元素一一对应，根据发射谱线的波长及强度得到待测样品中各元素及其浓度。近年来LIBS技术因具有实时性、快速性，样品无需前处理，适应恶劣的测量条件，能够实现多元素非接触在线测量等优点，在各工业生产领域里得到广泛的应用，如环境监测、冶金、煤质检测、生物医学、考古、艺术等领域。
燃煤电厂产生烟气排放到大气中，烟气的汞一同进入大气。汞主要以元素汞、氧化态汞以及颗粒态汞这三种形式进入大气。煤在锅炉中燃烧时，汞以蒸汽态的形式进入烟气中。当烟气冷却时，一部分元素汞会与飞灰颗粒及烟气中其他成分发生一系列反应，转化为二价的氧化态汞和颗粒汞。氧化态汞极易溶于水，可与颗粒物结合粘附在飞灰上，与飞灰中的SO2、CaO或未燃碳相结合形成颗粒汞，经由除尘器的捕捉可以脱除大部分。而元素汞难溶于水，蒸气压高，形态相对稳定，会与烟气一同排放到大气中。
目前测量烟气中汞含量的分析方法均是对汞元素进行测量，常用方法有基于冷原子吸收分光光谱或冷原子荧光光谱的湿法监测和基于塞曼冷原子吸收光谱、紫外差分吸收光谱或紫外原子荧光光谱的半自动固体吸附测量法等。以上两种方法均需要待测烟气进行化学操作的样品制备过程，因此其最快响应时间仍然至少需要90秒。说明传统的烟气汞的在线测量方法仍然需要改进。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统和方法。
第一方面，为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统，所述系统包括信号采集系统、脉冲激光器、处理器、定制密封测量腔、高精度光学透镜组合，所述高精度光学透镜组合至少包括反射聚焦组合镜以及第二高精度光学聚焦透镜；其中：
所述定制密封测量腔外设置所述第二高精度光学聚焦透镜,所述处理器分别与所述脉冲激光器及所述信号采集系统通信连接；
其中，所述脉冲激光器输出的激光光束通过所述反射聚焦组合镜到达所述定制密封测量腔内，以使所述激光光束击穿所述定制密封测量腔内的气体，得到高温等离子体；
所述第二高精度光学聚焦透镜用于聚焦所述高温等离子体冷却时产生的光信号；
所述信号采集系统用于采集所述光信号并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送给所述处理器；
所述处理器用于根据所述电信号获取所述定制密封测量腔内的气体中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值；并在所述定制密封测量腔内的气体为标准汞蒸气时，所述处理器根据所述标准汞蒸气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值以及所述标准汞蒸气内的汞元素浓度，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；
其中，所述处理器还用于在所述定制密封测量腔内的气体为稀释后的待测烟气时，将所述待测烟气所对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到所述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。
优选的，所述系统还包括：连接管路、第一电磁阀门、第二电磁阀门、汞蒸气发生器、二氧化碳气瓶；其中，所述第一电磁阀门和所述第二电磁阀门分别与所述连接管路的一个端口连接，所述第一电磁阀门与所述汞蒸气发生器的出气口相连，所述汞蒸气发生器用于通过所述连接管路向所述定制密封测量腔内输入汞蒸气；
所述二氧化碳气瓶的出气口与所述第二电磁阀门相连，所述二氧化碳气瓶用于通过所述连接管路向所述定制密封测量腔内输入二氧化碳气体；
所述第一电磁阀门和所述第二电磁阀门均与所述处理器通信连接，以在所述处理器的控制下使定量输出的二氧化碳气体和汞蒸气在所述连接管路内混合，得到预设汞元素浓度的所述标准汞蒸气。
优选的，所述系统还包括样气混合室；所述连接管路包括第一连接管路段、第二连接管路段、第三连接管路段和第四连接管路段；所述定制密封测量腔的上侧位置设置有测量腔进气接口；其中，
所述第一电磁阀门与所述第一连接管路段的一端连接；
所述第二电磁阀门与所述第二连接管路段的一端连接；
所述第二连接管路段的另一端与所述第一连接管路段的一侧管身贯通连接，所述第一连接管路段的另一端与所述第三连接管路段的一端连接，所述第三连接管路段的另一端与所述样气混合室一进气孔连接，所述样气混合室的出气孔通过所述第四连接管路段连接至所述测量腔进气接口，以将所述标准汞蒸气输入所述定制密封测量腔。
优选的，所述系统还包括烟气采集探头，所述烟气采集探头用于采集待测烟气；其中，所述烟气采集探头的出气端与所述样气混合室的另一进气孔连接，用于向所述样气混合室输入所述待测烟气，所述样气混合室用于稀释所述待测烟气。
优选的，所述系统还包括真空泵；所述连接管路还包括第五连接管路段和第六连接管路段；所述定制密封测量腔的下侧位置设置有测量腔排气接口；
其中，所述测量腔排气接口通过所述第五连接管路段与所述真空泵的抽气接口连接，以通过所述真空泵抽取所述连接管路内的气体，其中，所述真空泵的排气接口与所述第六连接管路段的一端连接，以将抽取出的气体通过所述第六连接管路段排出，以使所述连接管路接近真空状态。
优选的，所述高精度光学透镜组合还包括高精度光学收光镜；所述定制密封测量腔侧面设置有测量腔第一窗口、测量腔第二窗口和测量腔第三窗口；所述测量腔第二窗口外设置所述高精度光学收光镜；其中，所述测量腔第一窗口、所述测量腔第二窗口和所述高精度光学收光镜依次位于同一直线路径上；所述第二高精度光学聚焦透镜设置于所述测量腔第三窗口外设置；
所述测量腔第一窗口用于将所述激光光束穿过所述测量腔第一窗口到达所述定制密封测量腔内；所述高精度光学收光镜用于吸收所述激光光束多余的能量。
优选的，所述系统还包括与所述处理器通信连接的能量计；所述反射聚焦组合镜包括：高精度光学分光镜、高精度光学反射镜和第一高精度光学聚焦透镜；
其中，所述脉冲激光器、所述高精度光学分光镜和所述高精度光学反射镜依次在同一直线路径上设置，所述高精度光学分光镜的镜面与所述脉冲激光器输出的所述激光光束呈预设角度的夹角；
所述高精度光学反射镜、所述第一高精度光学聚焦透镜和所述测量腔第一窗口依次在同一直线上设置；
所述高精度光学分光镜用于将所述激光光束分成两束，一束通往所述高精度光学反射镜，另一束通往所述能量计的光纤探头。
优选的，所述信号采集系统包括光纤探头、光栅光谱仪和ICCD相机；所述光栅光谱仪和所述ICCD相机分别与所述处理器通信连接；其中:
所述光纤探头设置在所述第二高精度光学聚焦透镜的焦点位置；
所述光纤探头与所述光栅光谱仪通过光纤连接；
所述光栅光谱仪用于将所述高温等离子体冷却时产生的光信号转化为按波长排列的激光诱导击穿光谱；
所述ICCD相机根据所述光栅光谱仪获得的所述激光诱导击穿光谱光强，通过感光电元件转换为电信号，并将所述激光诱导击穿光谱转化为所述电信号发送给所述处理器。
优选的，所述系统还包括第一绝热隔板和第二绝热隔板；其中，
所述信号采集系统、所述脉冲激光器、所述处理器、所述能量计、所述定制密封测量腔、所述高精度光学透镜组合固定设置在所述第一绝热隔板上；
所述第二绝热隔板，用于将所述测量腔体隔离于所述信号采集系统、所述处理器、所述脉冲激光器、所述能量计之外。
第二方面，为了解决上述问题，本发明实施例还公开了一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量的方法，所述方法应用于上述任一项所述的系统，所述方法包括：
通过处理器控制脉冲激光器输出激光光束，以使所述激光光束通过反射聚焦组合镜到达定制密封测量腔内，使得所述激光光束击穿所述定制密封测量腔内的气体，得到高温等离子体；
通过第二高精度光学聚焦透镜聚焦所述高温等离子体冷却时产生的光信号；
通过信号采集系统采集所述光信号并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送给所述处理器；
通过所述处理器读取所述电信号，获得所述定制密封测量腔内的气体中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值；
当所述定制密封测量腔内的气体为标准汞蒸气时，所述处理器根据所述标准汞蒸气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值以及所述标准汞蒸气内的汞元素浓度，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；
当所述定制密封测量腔内的气体为稀释后的待测烟气时，所述处理器将所述稀释后的待测烟气所对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到所述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。
本发明实施例包括以下优点：
本发明通过提供包括信号采集系统、脉冲激光器、处理器、定制密封测量腔、高精度光学透镜组合而得到的系统，利用定制密封测量腔中的标准汞蒸气和待测烟气，处理器可以测量出标准汞蒸气中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值，用该汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值作为输入，将标准汞蒸气内的汞元素浓度作为输出，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；将带测烟气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到上述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。使得本系统能快速检测出待测烟气中汞元素的浓度，且检测所需时间小于30秒。
一方面，由于本系统的处理器提供了内标法定量模型，使得本系统可用内标法定量模型测量多次对待测烟气中的汞元素浓度进行测量，因此，本系统测量重复性高，元素检测限低。另一方面，因本系统中待测烟气只需要稀释后就可被输入到定制密封口测量腔内进行汞元素检测，所以本系统无需通过化学的方法进行样品(稀释后的待测烟气)的制备，进一步的缩短了汞元素浓度的检测时间。
综上，本系统检测待测烟气中汞元素的浓度值测量重复性高、元素检测限低、无需进行化学样品制备、检测分析速度快、操作简单。有效地解决了传统烟气汞测量操作人员需要专门培训，存在的人工成本负担、不能得到实时的烟气汞含量结果、短时间取样及飞灰未燃碳吸附会造成的测量误差、样品采集会出现穿透失效、样品受酸性气体和水分干扰、大规模测量时，成本昂贵等诸多问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的定制密封测量腔上各窗口的位置示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量的方法的流程图。
附图标记说明：
1、脉冲激光器；2-1、高精度光学分光镜；2-2、高精度光学反射镜；2-3、第一高精度光学聚焦透镜；2-4、高精度光学收光镜；2-5、第二高精度光学聚焦透镜；3、定制密封测量腔；3-1、测量腔体；3-2、测量腔第一窗口；3-3、测量腔第二窗口；3-4、测量腔第三窗口；3-5、测量腔进气接口；3-6、测量腔排气接口；4、能量计；5-1、光纤探头；5-2、光栅光谱仪；5-3、ICCD相机；6、处理器；7-1、第一电磁阀门；7-2、第二电磁阀门；8、汞蒸气发生器；9、二氧化碳气瓶；10-1、第一连接管路段；10-2、第二连接管路段；10-3、第三连接管路段；10-4、第四连接管路段；10-5、第五连接管路段；10-6、第六连接管路段；11、真空泵；12、烟气采集探头；13、样气混合室；14-1、第一绝热隔板；14-2、第二绝热隔板。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例的发明构思在于：通过LIBS技术测量出标准汞蒸气中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值，用该汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值作为输入，将标准汞蒸气内的汞元素浓度作为输出，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；通过LIBS技术测量出稀释后的带测烟气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值，并输入到上述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。使得本发明在线测量待测烟气中汞元素浓度的响应时间小于30秒。
以下先对本发明基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统中所涉及的各装置进行具体介绍：
在本发明中，处理器6包括但不限于：计算机。
在本发明中，脉冲激光器1是产生激光光束的装置。其工作原理是：在光泵浦初期设法将谐振腔的Q值降低，从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能量粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时突然将谐振腔的Q值调高，那么积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输出。脉冲激光器1包括但不限于Nd脉冲激光器1。其中，Nd脉冲激光器1为YAG的纳秒激光器，型号为Q-Smart 850，输出激光波长为1064nm，频率为10Hz，脉冲宽度FWHM为6ns，最大脉冲能量为850mJ，激光光束直径为6mm。
在本发明中，高精度光学分光镜2-1是半穿半反镜，用于将脉冲激光器1输出激光光束分成两束。本发明的高精度光学分光镜2-1包括但不限于1064nm半反射镜，型号可以为OBPL25-1064-R5。其中，高精度光学分光镜2-1的规格可以为：直径25mm，厚度3mm，对激光的反射率为50％，透过率为50％。高精度光学分光镜2-1的正面有多层电介质膜，反面有防反射膜，可以忽略光量的损失。
在本发明中，高精度光学反射镜2-2是一种利用反射定律工作的光学元件，包括但不限于：镀铝膜反射镜。其中，镀铝膜反射镜的型号可以为OMAL23-4。高精度光学反射镜2-2的规格可以为：直径25mm，厚度4mm，对激光光量的平均反射率能达到95％以上。
在本发明中，第一高精度光学聚焦透镜2-3和第二高精度光学聚焦透镜2-5是一种可以将分散的激光聚焦至一点的装置，包括但不限于：K9光学玻璃平凸透镜。其中，K9光学玻璃平凸透镜的型号可以为OLBQ25·4-100。第一高精度光学聚焦透镜2-3和第二高精度光学聚焦透镜2-5的规格可以为：直径为25mm，焦距100mm。
在本发明中，高精度光学收光镜2-4是用于吸收激光光束中多余能量的装置，包括但不限于：Nxb系列遮光板。其中，Nxb系列遮光板的型号可以为NBB200。高精度光学收光镜2-4的规格可以为：长200mm，宽200mm。
在本发明中，光纤探头5-1是用于收集高温等离子体的光谱信息的装置。
在本发明中，光纤是光导纤维的简称，是利用光的全反射原理进行光传导的一种工具，其由塑料或玻璃制成。可以快速传输等离子体产生的光谱信号。
在本发明中，光栅光谱仪5-2是一种利用衍射产生色散的一种光谱测量仪器。具体工作原理为：当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。光栅光谱仪5-2包括但不限于NP250-2光栅光谱仪。其中，NP 250-2光栅光谱仪为双通道成像单色仪，一束光照射进入口后分别进入两个独立的光通道，每个光通道内布置了刻线数不同的光栅，通道一中的光栅刻度为3600mm-1，通道二中的光栅刻度为600mm-1，从而得到两种不同分辨率的信号。光栅光谱仪5-2的整个系统都可以在计算机上控制。
在本发明中，ICCD(Intensified Charge-Coupled Device)相机5-3是增强电荷耦合的器件，由像增强器与可见光CCD耦合而成。其工作原理为：当像增强器获得光学信号二维分布或图像后，经中继光学元件与可见光CCD耦合，CCD把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量。驱动器用一定频率的时钟脉冲驱动CCD，在CCD的输出端获得物空间二次图像的电学信号。预处理对CCD输出信号进行放大处理后输出电信号，信号中的每一离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。ICCD几何畸变极小，且对光的响应高度线性。ICCD相机5-3包括但不限于iStar334T系列的ICCD相机5-3。其中，该iStar334T系列的ICCD相机5-3可以集成1024×1024规格的CCD。
在本发明中，能量计4是测量并反馈给计算机脉冲激光器1输出的激光能量大小的装置。其工作原理是：当光照射到热释电晶体上时，晶体受热，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，从而形成电势差。这种由热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。光能量越大，电势差越大。光照停止，电势差消失。通过热释电效应将光信号转变成电信号，从而测量激光能量。能量计4通过能量计4的光纤探测探头收集从高精度光学分光镜2-1分束的脉冲激光。
在本发明中，第一电磁阀门7-1、第二电磁阀门7-2均是直动式电磁阀，直径可以为25mm。其工作原理是：在通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。根据流量计的流量信息反馈，计算机可自动调节电磁阀的开度，实现气体的流量控制。
在本发明中，汞蒸气发生器内包含氮气和汞单质。加热汞单质至90摄氏度，产生汞蒸气。将氮气通入汞固体容器带出已知浓度的汞蒸气样品。汞蒸气样品浓度可根据要求进行调节一般为：(0-20mg/m3)。
在发明中，真空泵11为抽真空的装置。真空泵11包括但不限于2XZ-4型旋片真空泵，2XZ-4型旋片真空泵的参数为：抽空速率4升/秒，功率0.55千瓦，极限压力6*10-2帕。
在本发明中，烟气采集探头12头为采集待测烟气的装置。待测烟气包括但不限于燃煤电厂产生的烟气。烟气采集探头12包括但不限于表面涂覆石英的不锈钢管、采样杆等部件。该不锈钢管位于采样杆内部。采样杆的加热温度为250摄氏度并直接安装在法兰上。样气被不锈钢管抽入后，进入颗粒物过滤器。颗粒物过滤器内温度保持在500摄氏度以上，实现过滤大颗粒物的同时，将附着于大颗粒物上的汞元素挥重新挥发至样气中。经过过滤器后的样气进入样气混合室13，与第三连接管路段10-3中的二氧化碳气体以1:50的比例混合。混合后的稀释样气通过引射器进入第四连接管路段10-4。
在本发明中，定制密封测量腔3可以是尺寸大小为壁厚2厘米，长宽高均为26厘米的正方。其中，上下表面各设置有直径为10厘米的测量腔进气接口3-5和测量腔排气接口3-6，且测量腔进气接口3-5和测量腔排气接口3-6分别使用法兰连接第四连接管路段10-4和第五连接管路段10-5，其前后和右侧设置有直径6厘米的圆形通道，用以光路的传输。在前后和右侧的直径6厘米圆形通道外侧有固定镜片的连接窗口，包括测量腔第一窗口3-2、测量腔第二窗口3-3和测量腔第三窗口3-4。连接窗的固定镜片端的外径为10厘米，内径为8厘米，长度为1厘米，镜片直径为8厘米，镜片厚度为1厘米；连接窗口的连接测量腔壁面端的外径8厘米，内径6厘米，长度3厘米。测量腔体所使用材质可以为不锈钢SUS303。
在本发明中，连接管路的材质包括但不限于不锈钢SUS303，连接管路的直径可以为10厘米。
以下是本发明中各装置连接关系的说明。具体如下：
参照图1和图2，本系统包括：采集系统、脉冲激光器1、处理器6、定制密封测量腔3、高精度光学透镜组合，高精度光学透镜组合至少包括反射聚焦组合镜以及第二高精度光学聚焦透镜2-5。
具体的，定制密封测量腔3外设置第二高精度光学聚焦透镜2-5,处理器6分别与脉冲激光器1及信号采集系统通信连接，脉冲激光器1输出的激光光束通过反射聚焦组合镜到达定制密封测量腔3内，以使激光光束击穿定制密封测量腔3内的气体，得到高温等离子体。
在本发明实施例中，第二高精度光学聚焦透镜2-5用于聚焦所述高温等离子体冷却时产生的光信号；信号采集系统用于采集上述光信号并将上述光信号转化为电信号，以及将上述电信号发送给处理器6；处理器6用于根据上述电信号获取定制密封测量腔3内的气体中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值；并在定制密封测量腔3内的气体为标准汞蒸气时，处理器6根据标准汞蒸气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值以及标准汞蒸气内的汞元素浓度，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型，该内标法定量模型用于计算待测烟气中汞元素的浓度值；处理器6还用于在定制密封测量腔3内的气体为稀释后的待测烟气时，将待测烟气所对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。
其中，内标模型是将一定重量的纯物质作为内标物加到一定量的被分析样品混合物中，根据测试样和内标物的质量比及其相应的光谱峰面积之比及相对校正因子，来计算被测组分的含量的数学模型。在LIBS测量中，一般采用人为加入的固定量样品中不含的元素或者样品本身所含的主体元素作为内标元素。本发明中采用烟气中的主体元素C作为内标元素。
在本发明实施例中，根据已知汞元素浓度的标准汞蒸气的激光诱导击穿光谱信号得到的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值，以及标准汞蒸气中汞元素浓度，得到内标法定量模型。根据稀释后的待检测烟气的激光诱导击穿光谱信号得到的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值，以及内标法定量模型，得到待测烟气中汞元素的浓度。使得本系统无需用化学的方法制备样品，缩短了检测时间。同时本系统在内标法定量模型确定后，可以多次重复测量待测烟气的汞元素的浓度，提高了汞元素检测的准确性。另外，本系统的计算过程集中在处理器6中，且可以通过处理器6控制本系统中的其它装置，这使得本系统可以实现远程测量汞元素的浓度。
为了更加清楚的理解本发明，以下是对本发明更加详细的说明：
参照图1，图1中的系统包括：脉冲激光器1、高精度光学透镜组合、定制密封测量腔3、能量计4、采集系统、处理器6、电磁阀门、汞蒸气发生器8、二氧化碳气瓶9、连接管路、真空泵11、烟气采集探头12、样气混合室13、保温绝热隔板。
其中，高精度光学透镜组合包括：反射聚焦组合镜、第二高精度光学聚焦透镜2-5和高精度光学分光镜2-1；其中，反射聚焦组合镜包括：高精度光学分光镜2-1、高精度光学反射镜2-2和第一高精度光学聚焦透镜2-3。
定制密封测量腔3上设置有：测量腔体3-1、测量腔第一窗口3-2、测量腔第二窗口3-3、测量腔第三窗口3-4、测量腔进气接口3-5和测量腔排气接口3-6。
采集系统包括：光纤探头5-1、光栅光谱仪5-2和ICCD相机5-3。
电磁阀门包括：第一电磁阀门7-1和第二电磁阀门7-2。
连接管路包括：第一连接管路段10-1、第二连接管路段10-2、第三连接管路段10-3、第四连接管路段10-4、第五连接管路段10-5和第六连接管路段10-6。
保温绝热隔板包括：第一绝热隔板14-1、第二绝热隔板14-2。
以上装置具体连接关系如下：
第一电磁阀门7-1和第二电磁阀门7-2分别与连接管路的一个端口连接。
具体的，第一电磁阀门7-1与第一连接管路段10-1的一端连接，第二电磁阀门7-2与第二连接管路段10-2的一端连接。
第一电磁阀门7-1与汞蒸气发生器8的出气口相连，二氧化碳气瓶9的出气口与第二电磁阀门7-2相连，第一电磁阀门7-1和第二电磁阀门7-2均与处理器6通信连接，第二连接管路段10-2的另一端与所述第一连接管路段10-1的一侧管身贯通连接，第一连接管路段10-1的另一端与第三连接管路段10-3的一端连接，第三连接管路段10-3的另一端与样气混合室13一进气孔连接，样气混合室13的出气孔通过第四连接管路段10-4连接至测量腔进气接口3-5，烟气采集探头12的出气端与样气混合室13的另一进气孔连接。
在本发明实施例中，二氧化碳气瓶9用于通过连接管路向定制密封测量腔3内输入二氧化碳气体，二氧化碳气瓶9用于存储二氧化碳气体。在处理器6的控制下使定量输出的二氧化碳气体和汞蒸气在连接管路内混合，得到预设汞元素浓度的标准汞蒸气。即，通过控制处理器6进而调节第一电磁阀门7-1和第二电磁阀门7-2对汞蒸气和二氧化碳的输出量，以使这两种气体在连接管路内混合成已知汞元素浓度的标准汞蒸气，并通过上述的连接管路将标准汞蒸气输送到定制密封测量腔3内。烟气采集探头12用于采集待测烟气并向样气混合室13输入待测烟气，样气混合室13用于稀释待测烟气，通过第四连接管路段10-4将稀释后的待测烟气输送到定制密封测量腔3内。
进一步的，测量腔排气接口3-6通过第五连接管路段10-5与真空泵11的抽气接口连接，真空泵11的排气接口与第六连接管路段10-6的一端连接，以将抽取出的气体通过所述第六连接管路段10-6排出，以使所述连接管路接近真空状态。
在本发明实施例中，真空泵11通过与第五连接管路段10-5的连接关系抽取连接管路内的气体，通过与第六连接管路段10-6的连接关系，将上述抽取的气体通过第六连接管路段10-6排出，以使连接管路接近真空状态。
进一步的，脉冲激光器1、高精度光学分光镜2-1和高精度光学反射镜2-2依次在同一直线路径上设置，高精度光学反射镜2-2、第一高精度光学聚焦透镜2-3和测量腔第一窗口3-2依次在同一直线上设置，测量腔第一窗口3-2、测量腔第二窗口3-3和高精度光学收光镜2-4依次位于同一直线路径上，参见图2。第二高精度光学聚焦透镜2-5设置于测量腔第三窗口3-4外设置；其中，所述高精度光学分光镜2-1的镜面与所述脉冲激光器1输出的所述激光光束呈预设角度的夹角，如45°的夹角。
在本发明实施例中，高精度光学分光镜2-1用于将激光光束分成两束，一束通往高精度光学反射镜2-2，另一束通往能量计4的光纤探头5-1；测量腔第一窗口3-2用于将激光光束穿过测量腔第一窗口3-2到达定制密封测量腔3内；高精度光学收光镜2-4用于吸收激光光束多余的能量。
进一步的，光纤探头5-1设置在第二高精度光学聚焦透镜2-5的焦点位置，且光纤探头5-1与光栅光谱仪5-2通过光纤连接。
本发明实施例中，光栅光谱仪5-2用于将高温等离子体冷却时产生的光信号转化为按波长排列的激光诱导击穿光谱，ICCD相机5-3用于拍摄光栅光谱仪5-2获得的激光诱导击穿光谱光强，通过感光电元件转换为电信号，并将激光诱导击穿光谱转化为电信号发送给处理器6。
此外，信号采集系统、脉冲激光器1、处理器6、能量计4、定制密封测量腔3、高精度光学透镜组合固定设置在第一绝热隔板14-1上；第二绝热隔板14-2，用于将测量腔体3-1隔离于信号采集系统、处理器6、脉冲激光器1、能量计4之外。第二绝热隔板14-2上还设置了穿过光纤的小孔和穿过激光光束的小孔。
在本发明实施例中，因定制密封测量腔3、第四连接管路和第五连接管路内需要保持90摄氏度以上的高温，所以第一绝热隔板14-1和第二绝热隔板14-2用于隔绝定制密封测量腔3、第四连接管路端10-4和第五连接管路段10-5内所产生的高温，以保护系统中的仪器不被高温损伤。
参见图3，图3是本发明示出的一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量的方法的流程图。
步骤201，通过处理器6控制脉冲激光器1输出激光光束，以使所述激光光束通过反射聚焦组合镜到达定制密封测量腔3内，使得所述激光光束击穿所述定制密封测量腔3内的气体，得到高温等离子体；
步骤202，通过第二高精度光学聚焦透镜2-5聚焦所述高温等离子体冷却时产生的光信号；
步骤203，通过信号采集系统采集所述光信号并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送给所述处理器6；
步骤204，通过所述处理器6读取所述电信号，获得所述定制密封测量腔3内的气体中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值；
步骤205，当所述定制密封测量腔3内的气体为标准汞蒸气时，所述处理器6根据所述标准汞蒸气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值以及所述标准汞蒸气内的汞元素浓度，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；
步骤206，当所述定制密封测量腔3内的气体为稀释后的待测烟气时，所述处理器6将所述稀释后的待测烟气所对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到所述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。
具体的，本实施例的方法可以分为两步分组成：拟合得到内标法定量模型；通过内标法定量模型计算待测烟气中汞元素的浓度值。以下是拟合得到内标法定量模型的具体步骤：
S1，打开处理器6，控制处理器6开启脉冲激光器1、光栅光谱仪5-2及ICCD相机5-3，并根据实际情况通过处理器6设置脉冲激光器1输出激光光束的能量强度值，以及根据实际情况通过处理器6设置ICCD相机5-3拍摄激光诱导击穿光谱信息的延迟时间等其它参数。
S2，通过高精度光学分光镜2-1和能量计4，测量脉冲激光器1发出的激光光束的实际能量强度值。若实际能量强度值不同于步骤S1中设定的能量强度值，则校准脉冲激光器1。若实际能量强度值等于步骤S1中设定的能量强度值，则执行步骤S3。
S3，控制处理器6打开真空泵11，抽取连接管路内的空气，让连接管路内压力接近真空。
接着，控制处理器6开启汞蒸气发生装置，开启第一电磁阀并控制第一电磁阀的开启大小，以及使汞蒸气发生装置加热固态汞，以使汞蒸气发生装置内的氮气将汞蒸气载入连接管路内。同时，控制处理器6开启第二电磁阀并控制第二电磁阀的开启大小，将二氧化碳气体载入连接管路内，以使汞蒸气和二氧化碳气体在连接管路内混合成已知汞元素浓度的标准汞蒸气。将标准汞蒸气通入定制密封测量腔3内。
S4，脉冲激光器1发出的激光光束将标准汞蒸气击穿，产生高温等离子体，光纤探头5-1采集高温等离子体冷却时的光信号，并通过光纤将该光信号发送给光栅光谱仪5-2，以使光栅光谱仪5-2将该光信号转化为激光诱导击穿光谱，ICCD相机5-3拍摄该激光诱导击穿光谱并转化为电信号发送给处理器6。
S5，处理器6读取上述电信号，获得标准汞蒸气中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值。
S6，处理器6将标准汞蒸气中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值的比值作为输入，将标准汞蒸气中已知汞元素的浓度作为输出，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型。
以下是通过内标法定量模型计算待测烟气中汞元素的浓度值的具体步骤：
S7，关闭第一电磁阀，停止向连接管路通入汞蒸气，并保持第二电磁阀的开启状态。
S8，通过烟气采集探头12采集待测烟气和将待测烟气输送到样气混合室13中，并调节第二电磁阀的打开程度，以使二氧化碳气体在样气混合室13中按比例稀释待测烟气。
S9，脉冲激光器1发出的激光光束将稀释后的待测烟气击穿，产生高温等离子体，光纤探头5-1采集高温等离子体冷却时的光信号，并通过光纤将该光信号发送给光栅光谱仪5-2，以使光栅光谱仪5-2将该光信号转化为激光诱导击穿光谱，ICCD相机5-3拍摄该激光诱导击穿光谱并转化为电信号发送给处理器6。
S10，处理器6读取上述稀释后的待测烟气对应的电信号，获得稀释后的待测烟气中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值。
S11，处理器6将稀释后的待测烟气中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值带入到步骤S6的内标法定量模型中进行计算，输出待测烟气中的汞元素的浓度值。
S12，控制计算机关闭本系统中的所有装置。
本发明实施例的有益效果：
通过本发明实施例的方法测量待测烟气中汞元素的浓度，使得本系统无需用化学的方法制备样品，缩短了检测时间。同时本系统在内标法定量模型确定后，可以多次重复测量待测烟气的汞元素的浓度，提高了汞元素检测的准确性。另外，本系统的计算过程集中在处理器6中，且可以通过处理器6控制本系统中的其它装置，这使得本系统可以实现远程测量汞元素的浓度。有效地解决了传统烟气汞测量操作人员需要专门培训，存在人工成本负担、不能得到实时的烟气汞含量结果、短时间取样及飞灰未燃碳吸附会造成测量误差、样品采集会出现穿透失效、样品受酸性气体和水分干扰、大规模测量时，成本昂贵等诸多问题。
需要说明的是，本发明中诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，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 (10)
1.一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量系统，其特征在于，所述系统包括信号采集系统、脉冲激光器、处理器、定制密封测量腔、高精度光学透镜组合，所述高精度光学透镜组合至少包括反射聚焦组合镜以及第二高精度光学聚焦透镜；其中：
所述定制密封测量腔外设置所述第二高精度光学聚焦透镜,所述处理器分别与所述脉冲激光器及所述信号采集系统通信连接；
其中，所述脉冲激光器输出的激光光束通过所述反射聚焦组合镜到达所述定制密封测量腔内，以使所述激光光束击穿所述定制密封测量腔内的气体，得到高温等离子体；
所述第二高精度光学聚焦透镜用于聚焦所述高温等离子体冷却时产生的光信号；
所述信号采集系统用于采集所述光信号并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送给所述处理器；
所述处理器用于根据所述电信号获取所述定制密封测量腔内的气体中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值；并在所述定制密封测量腔内的气体为标准汞蒸气时，所述处理器根据所述标准汞蒸气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值以及所述标准汞蒸气内的汞元素浓度，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；
其中，所述处理器还用于在所述定制密封测量腔内的气体为稀释后的待测烟气时，将所述待测烟气所对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到所述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：连接管路、第一电磁阀门、第二电磁阀门、汞蒸气发生器、二氧化碳气瓶；其中，所述第一电磁阀门和所述第二电磁阀门分别与所述连接管路的一个端口连接，所述第一电磁阀门与所述汞蒸气发生器的出气口相连，所述汞蒸气发生器用于通过所述连接管路向所述定制密封测量腔内输入汞蒸气；
所述二氧化碳气瓶的出气口与所述第二电磁阀门相连，所述二氧化碳气瓶用于通过所述连接管路向所述定制密封测量腔内输入二氧化碳气体；
所述第一电磁阀门和所述第二电磁阀门均与所述处理器通信连接，以在所述处理器的控制下使定量输出的二氧化碳气体和汞蒸气在所述连接管路内混合，得到预设汞元素浓度的所述标准汞蒸气。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括样气混合室；所述连接管路包括第一连接管路段、第二连接管路段、第三连接管路段和第四连接管路段；所述定制密封测量腔的上侧位置设置有测量腔进气接口；其中，
所述第一电磁阀门与所述第一连接管路段的一端连接；
所述第二电磁阀门与所述第二连接管路段的一端连接；
所述第二连接管路段的另一端与所述第一连接管路段的一侧管身贯通连接，所述第一连接管路段的另一端与所述第三连接管路段的一端连接，所述第三连接管路段的另一端与所述样气混合室一进气孔连接，所述样气混合室的出气孔通过所述第四连接管路段连接至所述测量腔进气接口，以将所述标准汞蒸气输入所述定制密封测量腔。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括烟气采集探头，所述烟气采集探头用于采集待测烟气；其中，所述烟气采集探头的出气端与所述样气混合室的另一进气孔连接，用于向所述样气混合室输入所述待测烟气，所述样气混合室用于稀释所述待测烟气。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括真空泵；所述连接管路还包括第五连接管路段和第六连接管路段；所述定制密封测量腔的下侧位置设置有测量腔排气接口；
其中，所述测量腔排气接口通过所述第五连接管路段与所述真空泵的抽气接口连接，以通过所述真空泵抽取所述连接管路内的气体，其中，所述真空泵的排气接口与所述第六连接管路段的一端连接，以将抽取出的气体通过所述第六连接管路段排出，以使所述连接管路接近真空状态。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高精度光学透镜组合还包括高精度光学收光镜；所述定制密封测量腔侧面设置有测量腔第一窗口、测量腔第二窗口和测量腔第三窗口；所述测量腔第二窗口外设置所述高精度光学收光镜；其中，所述测量腔第一窗口、所述测量腔第二窗口和所述高精度光学收光镜依次位于同一直线路径上；所述第二高精度光学聚焦透镜设置于所述测量腔第三窗口外设置；
所述测量腔第一窗口用于将所述激光光束穿过所述测量腔第一窗口到达所述定制密封测量腔内；所述高精度光学收光镜用于吸收所述激光光束多余的能量。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述处理器通信连接的能量计；所述反射聚焦组合镜包括：高精度光学分光镜、高精度光学反射镜和第一高精度光学聚焦透镜；
其中，所述脉冲激光器、所述高精度光学分光镜和所述高精度光学反射镜依次在同一直线路径上设置，所述高精度光学分光镜的镜面与所述脉冲激光器输出的所述激光光束呈预设角度的夹角；
所述高精度光学反射镜、所述第一高精度光学聚焦透镜和所述测量腔第一窗口依次在同一直线上设置；
所述高精度光学分光镜用于将所述激光光束分成两束，一束通往所述高精度光学反射镜，另一束通往所述能量计的光纤探头。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集系统包括光纤探头、光栅光谱仪和ICCD相机；所述光栅光谱仪和所述ICCD相机分别与所述处理器通信连接；其中:
所述光纤探头设置在所述第二高精度光学聚焦透镜的焦点位置；
所述光纤探头与所述光栅光谱仪通过光纤连接；
所述光栅光谱仪用于将所述高温等离子体冷却时产生的光信号转化为按波长排列的激光诱导击穿光谱；
所述ICCD相机根据所述光栅光谱仪获得的所述激光诱导击穿光谱光强，通过感光电元件转换为电信号，并将所述激光诱导击穿光谱转化为所述电信号发送给所述处理器。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一绝热隔板和第二绝热隔板；其中，
所述信号采集系统、所述脉冲激光器、所述处理器、所述能量计、所述定制密封测量腔、所述高精度光学透镜组合固定设置在所述第一绝热隔板上；
所述第二绝热隔板，用于将所述测量腔体隔离于所述信号采集系统、所述处理器、所述脉冲激光器、所述能量计之外。
10.一种基于LIBS技术在线测量烟气汞含量的方法，所述方法应用于权利要求1-9任一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括：
通过处理器控制脉冲激光器输出激光光束，以使所述激光光束通过反射聚焦组合镜到达定制密封测量腔内，使得所述激光光束击穿所述定制密封测量腔内的气体，得到高温等离子体；
通过第二高精度光学聚焦透镜聚焦所述高温等离子体冷却时产生的光信号；
通过信号采集系统采集所述光信号并将所述光信号转化为电信号，以及将所述电信号发送给所述处理器；
通过所述处理器读取所述电信号，获得所述定制密封测量腔内的气体中汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值；
当所述定制密封测量腔内的气体为标准汞蒸气时，所述处理器根据所述标准汞蒸气对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值以及所述标准汞蒸气内的汞元素浓度，对内标模型进行线性拟合，得到内标法定量模型；
当所述定制密封测量腔内的气体为稀释后的待测烟气时，所述处理器将所述稀释后的待测烟气所对应的汞元素的谱线强度值和碳元素的谱线强度值输入到所述内标法定量模型中，得到待测烟气中的汞元素的浓度值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011123374.4A CN112129743A (zh) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 一种基于libs技术在线测量烟气汞含量系统和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011123374.4A CN112129743A (zh) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 一种基于libs技术在线测量烟气汞含量系统和方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112129743A true CN112129743A (zh) | 2020-12-25 |
Family
ID=73853791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011123374.4A Pending CN112129743A (zh) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 一种基于libs技术在线测量烟气汞含量系统和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112129743A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114596926A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-06-07 | 合肥金星智控科技股份有限公司 | 钢铁牌号识别方法、激光诱导击穿光谱装置和存储介质 |
| WO2023077467A1 (zh) * | 2021-11-05 | 2023-05-11 | 中广核研究院有限公司 | 铅铋冷却剂杂质在线检测装置及方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05215685A (ja) * | 1992-02-06 | 1993-08-24 | Fuji Electric Co Ltd | 赤外線ガス分析計 |
| US5751416A (en) * | 1996-08-29 | 1998-05-12 | Mississippi State University | Analytical method using laser-induced breakdown spectroscopy |
| US5847825A (en) * | 1996-09-25 | 1998-12-08 | Board Of Regents University Of Nebraska Lincoln | Apparatus and method for detection and concentration measurement of trace metals using laser induced breakdown spectroscopy |
| JP2000180356A (ja) * | 1998-12-15 | 2000-06-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 赤外線分光分析装置 |
| JP2007101433A (ja) * | 2005-10-06 | 2007-04-19 | Horiba Ltd | ガス分析装置 |
| CN101509873A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-08-19 | 清华大学 | 一种基于主动式内标法的煤质检测方法 |
| US20120099103A1 (en) * | 2009-07-10 | 2012-04-26 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method and apparatus to laser ablation-laser induced breakdown spectroscopy |
| CN105004676A (zh) * | 2015-06-05 | 2015-10-28 | 福建省计量科学研究院 | 基于超声雾化法测量烟气中汞离子浓度的方法 |
| US9506871B1 (en) * | 2014-05-25 | 2016-11-29 | Kla-Tencor Corporation | Pulsed laser induced plasma light source |
| CN108362682A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-08-03 | 西安交通大学 | 一种基于复合约束增强光谱的多模光纤libs探测器 |
| CN110220884A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-09-10 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种用于水下检测的光纤libs探测系统及方法 |
-
2020
- 2020-10-20 CN CN202011123374.4A patent/CN112129743A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05215685A (ja) * | 1992-02-06 | 1993-08-24 | Fuji Electric Co Ltd | 赤外線ガス分析計 |
| US5751416A (en) * | 1996-08-29 | 1998-05-12 | Mississippi State University | Analytical method using laser-induced breakdown spectroscopy |
| US5847825A (en) * | 1996-09-25 | 1998-12-08 | Board Of Regents University Of Nebraska Lincoln | Apparatus and method for detection and concentration measurement of trace metals using laser induced breakdown spectroscopy |
| JP2000180356A (ja) * | 1998-12-15 | 2000-06-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 赤外線分光分析装置 |
| JP2007101433A (ja) * | 2005-10-06 | 2007-04-19 | Horiba Ltd | ガス分析装置 |
| CN101509873A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-08-19 | 清华大学 | 一种基于主动式内标法的煤质检测方法 |
| US20120099103A1 (en) * | 2009-07-10 | 2012-04-26 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method and apparatus to laser ablation-laser induced breakdown spectroscopy |
| US9506871B1 (en) * | 2014-05-25 | 2016-11-29 | Kla-Tencor Corporation | Pulsed laser induced plasma light source |
| CN105004676A (zh) * | 2015-06-05 | 2015-10-28 | 福建省计量科学研究院 | 基于超声雾化法测量烟气中汞离子浓度的方法 |
| CN108362682A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-08-03 | 西安交通大学 | 一种基于复合约束增强光谱的多模光纤libs探测器 |
| CN110220884A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-09-10 | 苏州热工研究院有限公司 | 一种用于水下检测的光纤libs探测系统及方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 《空气和废气监测分析方法指南》编委会编: "《空气和废气监测分析方法指南 下》", 中国环境科学出版社, pages: 420 - 421 * |
| KAI RONG ET AL.: "Experimental study on mercury content in flue gas of coal-fired units based on laserinduced breakdown spectroscopy", 《PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY》, 21 April 2020 (2020-04-21), pages 1 - 8 * |
| 南维刚等: "减少二氧化碳对LIBS检测飞灰中未燃碳含量影响的研究", 《光谱学与光谱分析》 * |
| 南维刚等: "减少二氧化碳对LIBS检测飞灰中未燃碳含量影响的研究", 《光谱学与光谱分析》, no. 01, 15 January 2018 (2018-01-15) * |
| 王珍珍等: "激光波长对LIBS测量气体中微量元素的影响", 《动力工程学报》 * |
| 王珍珍等: "激光波长对LIBS测量气体中微量元素的影响", 《动力工程学报》, no. 02, 15 February 2018 (2018-02-15) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023077467A1 (zh) * | 2021-11-05 | 2023-05-11 | 中广核研究院有限公司 | 铅铋冷却剂杂质在线检测装置及方法 |
| CN114596926A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-06-07 | 合肥金星智控科技股份有限公司 | 钢铁牌号识别方法、激光诱导击穿光谱装置和存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100348968C (zh) | 材料烧蚀过程发射光谱检测方法及检测装置 | |
| CN104280362B (zh) | 一种高温水汽激光光谱在线检测系统 | |
| US6780378B2 (en) | Method for measuring concentrations of gases and vapors using controlled flames | |
| CN112129743A (zh) | 一种基于libs技术在线测量烟气汞含量系统和方法 | |
| CN105424635A (zh) | 紫外光谱烟气分析仪 | |
| CN111122496A (zh) | 一种免标定的气体浓度测量装置及方法 | |
| CN106290209A (zh) | 一种基于紫外多次反射池技术的超低排放烟气分析仪 | |
| CN104165868B (zh) | 固体推进剂烟雾光学透过率测量方法 | |
| CN112834484B (zh) | 一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法及装置 | |
| CN108362682A (zh) | 一种基于复合约束增强光谱的多模光纤libs探测器 | |
| CN102507512A (zh) | 一种红外紫外双脉冲激光诱导击穿光谱在线原位检测方法 | |
| CN115096840B (zh) | 一种自动校零的多气体传感器及自动校零方法 | |
| EP3571489A1 (en) | Close-coupled analyser | |
| CN110082335B (zh) | 一种红外、拉曼和激光三通道点对点实时融合的测量系统 | |
| US5953120A (en) | Optical probe | |
| CN113189125A (zh) | 一种xrf辅助libs的煤炭发热量高重复性检测方法 | |
| CN1243233C (zh) | 激光感生击穿光谱煤质分析仪 | |
| CN102680454B (zh) | 二阶微分火焰发射光谱仪 | |
| CN107860763A (zh) | 一种气体中碱金属及痕量元素浓度的在线监测方法及装置 | |
| CN101726337B (zh) | 一种碘流量测量装置及其应用 | |
| CN209182227U (zh) | 基于doas和libs技术的大气分析检测系统 | |
| JPS62188919A (ja) | レ−ザ多段励起直接発光分析方法及び装置 | |
| CN208297349U (zh) | 高检测精度的汞检测仪 | |
| CN105158191A (zh) | 含砷精金矿焙烧炉内三氧化二砷气体的浓度检测装置 | |
| JPS6285847A (ja) | レ−ザ多段励起直接発光分析方法及び装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |