CN112924409B - 基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置和方法，装置包括发生装置、测量装置以及测试通道；所述测试通道至少设有两层，包括气相测试通道和颗粒相测试通道；所述发生装置和测量装置均分别连接各层测试通道。本发明实现了对气固两相流中各气体组分浓度及固体颗粒浓度的同时测量；由于太赫兹波光谱信噪比高，同时太赫兹脉冲在皮秒量级，本装置的测量精度高且测试速度快；待检测气体通道与探测器物理隔离，因此待检测气体对装置的污染较小，大大提高了本装置的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置和方法，尤其涉及一种基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置和方法。
背景技术
太赫兹(1THz＝1012Hz)辐射频率范围在0.1～10THz，位于微波和红外光波之间。因其特殊的电磁波谱位置，太赫兹波与传统电磁波相比具有很多独特的性质：(1)太赫兹辐射的光子能量很低，频率在1THz的光子能量大约为4mV，是X射线的1/106，对人体没有辐射危害，同时不容易破坏被检测物质；(2)太赫兹波光谱信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化做出分析和鉴别；(3)太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。
气固两相流是工程装置中常见的一种流动形式，如一般工业中电站煤粉锅炉煤粉燃烧烟气，其煤粉颗粒及其灰尘的浓度及烟气中气体成分浓度对锅炉燃烧效率具有较大影响。现有对燃煤烟气成分浓度的测量主要采取在对气相和颗粒相分别测量的方式。对烟气气体成分的测量主要有基于电化学传感器或红外传感器的烟气分析仪，其中电化学烟气分析仪是讲待测气体经过除尘、去湿后进行测量，红外烟气分析仪是根据不同气体对红外波长电磁波能量具有特殊吸收特性的原理进行气体成分和含量分析。对烟气颗粒物浓度的监测主要有滤膜称重法、光散射法、电荷法、β射线吸收法等接触和非接触测量方法。然而，现有技术中，利用太赫兹波进行气固浓度场测量的测量方法具有适用于低浓度且浓度测量范围较窄、固体颗粒物尺寸受限等特点，测量时假设较多，例如假设颗粒的粒径均匀、分布均匀、密度统一等，这样导致得到的结果精准度低，不能反映真实的气固两相浓度。而能源动力领域，需要实时测量的气固两相流环境多为复杂恶劣的环境，如固体颗粒物达到气溶胶尺度、颗粒物成分复杂、颗粒浓度较高等，一直是气固两相流测试领域的难点和挑战。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置和方法，以解决上述问题。
技术方案：本发明的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，包括发生装置、测量装置以及测试通道；所述测试通道至少设有两层，包括气相测试通道和颗粒相测试通道；所述发生装置和测量装置均分别连接各层测试通道。
所述发生装置和测试通道之间设有第一真空通道；测量装置和测试通道之间设有第二真空通道。
所述测量装置包括依次连接的太赫兹波探测器、传感器系统以及浓度解析器；所述传感器系统设于连接气相测试通道的探测器后端。
所述发生装置包括依次连接的同位器、太赫兹波发射器、一维偏振晶片
所述太赫兹波发射器、太赫兹波探测器的数量、位置与各层测试通道分别对应。
所述测试通道包含待测气体入口和待测气体出口，气相测试通道入口一端设有气溶胶过滤装置。
所述传感器系统包括多个不同气体的传感器，每个气体组分对太赫兹波光谱具有特定的吸收度。
所述发生装置还包括太赫兹波发生装置控制器。
本发明的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的方法，基于上述的装置，包括以下步骤：
(1)将待测气固两相流均匀稳定地通入测试通道；
(2)设定所发射的太赫兹波波长λ1和初始强度I10；
(3)根据所检测气体的类型选择传感器系统的组成，即选择所需的不同气体所需的太赫兹波传感器；
(4)传感系统通过不同气体对太赫兹波波普吸收特性得到气固两相流中气体浓度；
(5)通过确定的各气体浓度计算获得待检测气固两相流中气体对太赫兹波的整体吸收系数σ；
(6)通过太赫兹波探测器所接收的衰减后太赫兹波强度及待检测气固两相流中的气体对太赫兹波的整体吸收系数计算气固两相流中的颗粒浓度。
所述步骤(6)具体包括：
太赫兹波分别经过衰减路径后强度衰减关系为
其中，I10为波长为λ1的太赫兹波初始强度；Ip1为波长为λ1的太赫兹波经过颗粒相测试通道7后的衰减强度；Ig1为波长为λ1的太赫兹波经过气相测试通道后的衰减强度；σ1为测试通道中气体对波长为λ1的太赫兹波强度的整体的吸收系数；L为太赫兹波衰减宽度；
通过波长衰减公式可测得通道内烟气碳粒浓度cp为
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)实现了对气固两相流中各气体组分浓度及固体颗粒浓度的同时测量；(2)通过颗粒过滤装置，可以实现对宽范围颗粒浓度、宽范围颗粒尺寸等条件下的气固两相流的测量；(3)由于太赫兹波光谱信噪比高，同时太赫兹脉冲在皮秒量级，本装置的测量精度高且测试速度快；(4)待检测气体通道与探测器物理隔离，因此待检测气体对装置的污染较小，大大提高了本装置的使用寿命；(5)由于太赫兹波的穿透性强，本装置所检测的气固两相流的颗粒浓度范围较广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示为一种基于太赫兹波同时测量气固两相浓度场的装置，包括发生装置和测量装置，所述发生装置包括依次连接的同位器1、太赫兹波发射器2、一维偏振晶片3；所述一维偏振晶片3和测量装置分别通过两个真空通道4与测试通道连接；所述太赫兹波发射器2至少设有两个，测量装置数量、位置与太赫兹波发射器2分别对应，分别测量气相和固相的浓度。具体结构如下：
在本实施例中，同位器1有一个，太赫兹波发射器2并联设置两个，一维偏振晶片3在发射器后方各设置一个，并连接第一真空通道4。发生装置还包括太赫兹波发生装置控制器，设于同位器1的前端，用于设置太赫兹波发射器2发生的太赫兹波的波长、强度等数据。第一真空通道4的末端连接到矩形的测试通道，测试通道分为两层，气相测试通道8和颗粒相测试通道7，太赫兹波发射器2分别连接到气相测试通道8和颗粒相测试通道7，在测试通道的另一侧，对应连接两个第二真空通道5，第二真空通道5后方连接各测试装置。真空通道可以避免太赫兹波被大气中的成分影响，提高测量结果的准确度。
气相测试通道8的待测气体入口一端设有气溶胶过滤装置9，用于过滤待测气固两相流中的颗粒物，使得气体测试通道中只包含气体，而颗粒相测试通道中为气固两相的混合物。气溶胶过滤装置9可以包括依次设置的低、中、高等多级过滤器，提高过滤后的气相混合物的纯净程度，提高结果的准确度。
测试装置包括对应设置的两个太赫兹波探测器10、传感器系统11以及浓度解析器12，太赫兹波探测器10分别连接两个第二真空通道。传感器系统可以根据不同气体对太赫兹波光谱吸收度来配置相应的传感器。其中连接气相测试通道8的探测器后端设有传感器系统11，连接颗粒相测试通道7的探测器线路与上述传感器系统11线路并联至浓度解析器12。
测试过程中，同位器1连接太赫兹波发生装置控制器5和太赫兹波发射器2，打开太赫兹波发生装置控制器5，在太赫兹波发生装置控制器5上设定一次同步的太赫兹波的波长和发射强度。
一股太赫兹波经过一维偏振晶片3形成一维太赫兹波，先后经过第一真空通道4、气相测量通道8、第二真空通道5，到达太赫兹波探测器10和不同气体对太赫兹波光谱吸收的传感器11，太赫兹波探测器10记录所接收到的太赫兹波衰减后强度，不同气体对太赫兹波光谱吸收的传感器11记录所接受的太赫兹波在不同气体组分中的衰减强度，在浓度解析器12中显示待测气体各组分的浓度。
一股太赫兹波经过一维偏振晶片3形成一维太赫兹波，先后经过第一真空通道4、颗粒相测量通道7及其中的衰减路径5、第二真空通道5，到达太赫兹波探测器10；太赫兹波探测器10记录所接收到的太赫兹波衰减后强度，在浓度解析器12中显示待测颗粒相的浓度。
基于上述的一种基于太赫兹波同时测量气固两相浓度场的装置，进行确定所气固两相流浓度同时测量的方法，具体方法如下：
首先开启同位器1、太赫兹波发射器2、太赫兹波发生装置控制器5、太赫兹波探测器10、不同气体对太赫兹波光谱吸收的传感器11、浓度解析器12。
本例中的测试气固两相流为燃煤烟气，在气相测试通道8和颗粒相测试通道7中均匀稳定地通入待测气体。在太赫兹波发生装置控制器5上设置发射的太赫兹波的波长为λ1，发射初始强度为I10。
一股太赫兹波经过一维偏振晶片3形成一维太赫兹波，先后经过第一真空通道4、宽度为L的气相测量通道8、第二真空通道5，到达太赫兹波探测器10；太赫兹波探测器10记录所接收到的波长为λ1的太赫兹波衰减后强度Ig1。
一股太赫兹波经过一维偏振晶片3形成一维太赫兹波，先后经过左真空室4、宽度为L的颗粒相测量通道7、右真空室4，到达太赫兹波探测器10；太赫兹波探测器10记录所接收到的波长为λ1的太赫兹波衰减后强度Ip1。
本例中，认为待测燃煤烟气中的气体成分有CO2、CO、O2、H2O、NO、NO3、SO2、SO3，太赫兹波的能量衰减关系式为
其中In为衰减后太赫兹波的强度；I0为入射前太赫兹波强度；σn为该波段下的8种待测气体组分吸收系数；cn为8种待测气体组分浓度；L为衰减距离；
本例中，在不同气体对太赫兹波光谱吸收的传感器11中添加上述8种太赫兹波传感器，通过8种太赫兹波传感器，可获得上述8种气体的气体浓度，分别为
cCO、
cNO、
此时N2的浓度为
本例中，气体对太赫兹波强度的整体吸收系数可表示为σ＝∑cnσn(n＝CO2、CO、O2、H2O、NO、NO3、SO2、SO3、N2)，因此对应波长为λ1的太赫兹波下的气体整体吸收系数为σ1；
本例中，认为烟气中的固体颗粒成分仅为碳粒且分布均匀，则波长为λ1的太赫兹波分别经过衰减路径5后强度衰减关系为
其中，I10为波长为λ1的太赫兹波初始强度；Ip1为波长为λ1的太赫兹波经过颗粒相测试通道7后的衰减强度；Ig1为波长为λ1的太赫兹波经过气相测试通道8后的衰减强度；σ1为测试通道中气体对波长为λ1的太赫兹波强度的整体的吸收系数；L为太赫兹波衰减宽度；
通过波长衰减公式可测得通道内烟气碳粒浓度为
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，其特征在于，包括发生装置、测量装置以及测试通道；所述测试通道至少设有两层，包括气相测试通道(8)和颗粒相测试通道(7)；所述发生装置和测量装置均分别连接各层测试通道；所述测量装置包括依次连接的太赫兹波探测器(10)、传感器系统(11)以及浓度解析器(12)；所述传感器系统(11)设于连接气相测试通道(8)的探测器后端，所述传感器系统(11)包括多个不同气体的传感器，每个气体组分对太赫兹波光谱具有特定的吸收度。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，其特征在于，所述发生装置和测试通道之间设有第一真空通道(4)；测量装置和测试通道之间设有第二真空通道(5)。
3.根据权利要求1所述的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，其特征在于，所述发生装置包括依次连接的同位器(1)、太赫兹波发射器(2)、一维偏振晶片(3)。
4.根据权利要求3所述的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，其特征在于，所述太赫兹波发射器(2)、太赫兹波探测器(10)的数量、位置与各层测试通道分别对应。
5.根据权利要求1所述的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，其特征在于，所述测试通道包含待测气体入口和待测气体出口，气相测试通道(8)入口一端设有气溶胶过滤装置。
6.根据权利要求1所述的基于太赫兹波测量气固两相浓度场的装置，其特征在于，所述发生装置还包括太赫兹波发生装置控制器(6)。
7.一种基于太赫兹波测量气固两相浓度场的方法，其特征在于，基于权利要求1～6任一项所述的装置，包括以下步骤：
(1)将待测气固两相流均匀稳定地通入测试通道；
(2)设定所发射的太赫兹波波长λ1和初始强度I10；
(3)根据所检测气体的类型选择传感器系统的组成，即选择所需的不同气体所需的太赫兹波传感器；
(4)传感器系统通过不同气体对太赫兹波波普吸收特性得到气固两相流中气体各组分浓度；
(5)通过确定的气体各组分浓度计算获得待检测气固两相流中气体对太赫兹波的整体吸收系数σ1；
(6)太赫兹波通过气相测试通道，太赫兹波探测器接收到的衰减后太赫兹波强度为Ig1；
(7)太赫兹波通过颗粒相测试通道，太赫兹波探测器接收到的衰减后太赫兹波强度为Ip1；
(8)测试通道宽度设为L，根据太赫兹波强度衰减公式，可得
由此，计算出颗粒浓度cp为
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