CN113049527B - 一种新型的烟气水分含量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的烟气水分含量检测方法及系统，其中检测方法为通过超导约瑟夫森结超导临界电流大小对太赫兹辐照功率的强敏感性，通过测量约瑟夫森结超导临界电流的实时变化量，来对太赫兹波穿过含水烟气的功率衰减值进行检测；再将得到的太赫兹波功率衰减值导入到大气毫米波衰减模型数据库中进行快速查表，最终得到烟气中水分含量的实时数据。本发明提供的方法相比其他已有的工业烟气含水量测定法，具有实时性好且灵敏度更高的优点。

Description

一种新型的烟气水分含量检测方法及系统

技术领域

本发明涉及工业烟气如锅炉烟气、垃圾焚烧烟气中含水量测量技术领域，具体涉及一种新型的烟气水分含量检测方法及系统。

背景技术

太赫兹波或称为太赫兹射线是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。目前太赫兹多开始运用在生物检测领域。太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。

在工业烟气处理领域，烟气中水分含量是工业烟气参数中很重要的一个指标。一般可以用单位气体体积内含水分质量来标定，也可称为绝对湿度，单位为g/m3或mg/m3。传统的烟气中水分含量测定方法主要有重量法、冷凝法和干湿球温度计法。这三种方法各有优缺点，但都无法做到实时快速检测出数据，需要一段时间才能反映结果，时效性差。近年来，随着现代微电子、微机械加工、计算机技术发展，出现了阻容法、电容法以及激光法这些新型的烟气水分含量检测方法。这些方法可以在现场实时检测数据，但是却也存在如下一些问题。阻容法和电容法是基于水汽对湿敏电阻和湿敏电容的某些特性的影响来做检测，且这些湿敏特性是连续变化的。对于烟气中阶跃性、大幅度的水汽突然阶跃变化，阻容法和电容法的反应速度明显具有滞后性，灵敏度不高。激光法是基于通过烟气激光的强度与烟气中水汽含量成一定函数关系的原理来进行检测。然而，对于有许多微小颗粒微尘的复杂烟气环境，例如垃圾焚烧烟气环境，大规模的颗粒微尘会显著影响激光穿透性，带来较大强度衰减，影响激光法检测效果和灵敏度。

综上，传统的烟气水分含量检测方法不能实时检测出数据，时效性差；现代阻容法、电容法以及激光法，在某些复杂烟气情况下(如水汽含量突变或存在大量微尘等)其检测灵敏度会受很大影响，影响检测效果。鉴于上述烟气水分含量检测方法存在的缺点，本发明提出了一种基于太赫兹波对烟气中水汽是强吸收，远超其他气体成分，而约瑟夫森结超导临界电流又对太赫兹波辐照功率强敏感原理，其灵敏度在理论上会超过包括超导热电子测热辐射计在内的其他太赫兹波功率计的新型烟气含水量检测方法，相比于其他已有方法，具有实时性好且灵敏度更高的优点。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种新型的烟气水分含量检测方法及系统，本方法中利用了太赫兹波对烟气中水汽的强吸收特性、对烟气中其他微粒浮尘又有强穿透性的特征。对需要测量的烟气或者空气实时进行一定频率太赫兹连续波辐照，对照射过后的太赫兹波的约瑟夫森结超导临界电流Ic值的实时变化量进行采集，计算机快速计算得到太赫兹波穿过含水烟气的功率实时衰减值，导入到大气毫米波衰减模型数据库中进行快速查表，最终得到烟气中含水量(绝对湿度)的实时数据。

2.技术方案：

一种新型的烟气水分含量检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：起始阶段，测量在没有太赫兹波辐照时的约瑟夫森结的原始超导临界电流Ic值，以作为标定；所述的约瑟夫森结位于低温真空装置内。

步骤二：预设频率的太赫兹连续波源向接收透镜发射连续的太赫兹波，接收透镜将透射过的太赫兹波汇聚至约瑟夫森结的结区；所述接收透镜出射面位于低温真空装置内，接收透镜入射面位于低温真空装置外表面；约瑟夫森结与透镜间为真空，太赫兹信号传输无功率衰减；所述接收透镜为凸透镜。

步骤三：调节太赫兹波源至透镜之间的距离d，以及太赫兹波源的发射功率P₁，使得在没有通入需要检测的气体前约瑟夫森结的超导临界电流为一个预设值；并且满足当距离d固定之后，源功率从0增加到P₁的过程中，结的超导临界电流值始终未经过零点。

步骤四：将需要检测的气体通入太赫兹连续波源与接收透镜之间；测量约瑟夫森结的实时的超导临界电流值Ic*，得到超导临界电流实时压缩量ΔI＝Ic-Ic*；根据公式(1)则计算出此时约瑟夫森结处的太赫兹波实时功率P₂。

P₂＝2△I×Ic×(f/fc)²×R (1)

(1)式中，f为太赫兹波源的频率；fc为约瑟夫森结的特征频率；R为约瑟夫森结的正常态电阻。

因为约瑟夫森结的特征频率fc＝2e/h×Ic×R (2)

(2)式中，e为基本电荷电量，h为普朗克常量，Ic为瑟夫森结的超导临界电流，R为约瑟夫森结的特征电阻。

将公式(2)带入公式(1)得：

P₂＝(h²f²△I)/(2e²IcR) (3)

可得到太赫兹波经过烟气环境传输到约瑟夫森结的传输功率衰减即传输功率吸收△P＝10log(P₂/P₁)；其中太赫兹波传输功率衰减的单位为dB。

步骤五：根据步骤三计算出的传输功率衰减△P，除以太赫兹源至接收透镜之间的距离d，得到太赫兹波传输的单位距离功率衰减△P/d，代入大气毫米波衰减模型数据库；通过查表法读出经过的烟气环境的绝对湿度；所述大气毫米波衰减模型数据库为详细包含各种频率的毫米波亚毫米波在各种绝对湿度的气体中单位距离上传输的功率衰减或吸收值数据；所述毫米波亚毫米波包括太赫兹波。

进一步地，步骤一至步骤五的数据处理过程均为通过约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统传输至计算机进行计算。

进一步地，所述约瑟夫森结的类别为符合电阻旁路RSJ模型的约瑟夫森结。

进一步地，所述符合电阻旁路RSJ模型的约瑟夫森结包括高温超导材料的双晶结、台阶结以及本征结。

进一步地，所述约瑟夫森结为铊钡铜氧双晶结或台阶结。

进一步地，所述低温真空装置的中腔为真空；所述低温真空装置为低温真空杜瓦。

进一步地，所述太赫兹连续波源为基于肖特基二极管的固态太赫兹连续波源，或者为基于高温超导约瑟夫森结的频率可调太赫兹连续波源。

进一步地，约瑟夫森结信号接收器与约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统相连实现电流电压数据采集；所述约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统具体为：微处理器与高速脉冲信号电路相连，能够触发高速脉冲直流电源为低温真空装置中约瑟夫森结提供高速脉冲电流；电流传感器将约瑟夫森结的电流数据传输给微处理器；约瑟夫森结的通过电流后产生的电压信号经过电压放大器传输给微处理器；所述微处理器将接收的电压电流数据发送至计算机；所述计算机基于步骤四与步骤五进行计算。

一种新型的烟气水分含量检测方法的检测系统：包括太赫兹连续波源、接收透镜、低温杜瓦装置、约瑟夫森结信号接收器以及计算机；所述太赫兹连续波源发射太赫兹连续波至接收透镜表面；通过接收透镜的太赫兹连续波进入低温杜瓦装置并汇聚至约瑟夫森结表面；所述约瑟夫森结通过约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统将采集的数据传输至计算机；所述约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统包括微处理器、高速脉冲信号电路、脉冲直流电源、电流传感器、电压放大器以及无线传输模块；所述微处理器接收来自计算机的控制命令，控制高速触发脉冲信号电路使脉冲直流电源产生相应的脉冲电流至约瑟夫森结；电流传感器检测约瑟夫森结的电流，并将电流信号发送至微处理器；电压放大器接收约瑟夫森结的电压信号并放大后传输至微处理器；微处理器将接收到的电压电流信息传输至计算机；计算机接收到信号后根据预设的方法进行计算。

3.有益效果：

(1)本发明中先利用的太赫兹波照射烟气，其原理是太赫兹波对烟气中水汽的强吸收特性，远超其他气体成分，而对烟气中其他微粒浮尘又有强穿透性。

(2)本发明中在对太赫兹波照射烟气后，将照射过烟气的太赫兹波照射超导约瑟夫森结从而测出该烟气的绝对湿度其原理是：超导约瑟夫森结的超导临界电流Ic大小对太赫兹辐照功率非常灵敏。

(3)基于上述两个主要原理，本发明采用实时采集测量一定频率太赫兹连续波辐照下的、处在低温真空设备中的约瑟夫森结超导临界电流Ic值的实时变化量，将该变化量传输给计算机快速计算得到太赫兹波穿过含水烟气的功率实时衰减值，再将该衰减值除以结接收端和太赫兹源之间距离，导入到大气毫米波衰减模型数据库中进行快速查表，最终得到烟气中含水量(绝对湿度)的实时数据。

采用本发明进行烟气等物质的湿度测量具有实时性好且灵敏度高的优点。

附图说明

图1为具体实施例中的烟气水分含量检测系统的结构示意图；

图2为不同含水量(绝对湿度)下气体毫米波衰减模型MPM曲线；

图3为通过约瑟夫森结电流电压特性变化来检测太赫兹波传输衰减基本原理；

图4为本发明中约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

具体实施例：

如附1所示，为采用本发明的一种新型的烟气水分含量检测的一种具体实施例的示意图，图中1为太赫兹连续波源、2为低温杜瓦装置、3为接收透镜、4为约瑟夫森结、5为约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统、6为计算机，其中待检测气体位于1与3之间。

测量时，标定该太赫兹连续波源往接收透镜3的方向发射的太赫兹连续波的功率为P₁。本发明中的太赫兹波源发射采用的是连续波源，而不是脉冲源；其原因是本发明中的信号接收器件为约瑟夫森结，其临界电流对太赫兹波感应十分灵敏，若是采用脉冲波会带来较大噪声影响。关于太赫兹波的频率选择，通常选择如附图2所示的气体毫米波衰减模型MPM曲线中不同含水量下电磁波功率衰减差距较大的频率点，且不处在吸收峰，原因是防止信号衰减过大带来的不良影响。如优先选择图2中标注的0.22THz、0.29THz、0.67THz。综合考虑已有的各类太赫兹连续波源，可以选用基于肖特基二极管的固态太赫兹连续波源，或者是基于高温超导约瑟夫森结的频率可调太赫兹连续波源。

通过接收透镜3的太赫兹连续波进入低温制冷设备，并在低温制冷设备中汇聚在约瑟夫森结的表面。本发明中低温制冷设备通常选择低温杜瓦如液氮杜瓦2。选择液氮杜瓦的优势是液氮十分便宜，并且杜瓦设备相比其他制冷设备相比没有机械噪声，给测量带来的噪声影响极小。且低温制冷设备内部一般为真空环境，所以太赫兹信号从透镜处聚焦到结上可认为没有功率损耗。

图1中的附图标记4为约瑟夫森结，选用为高温超导双晶结或本征结。优先选择基于铊钡钙铜氧材料的结，原因是铊钡钙铜氧的超导临界温度为125K，已明显超过液氮温度77K，且目前商场上液氮又相对廉价；其次铊钡钙铜氧的性能会十分稳定，不容易退化，使用寿命长。

本发明是利用太赫兹波辐照下约瑟夫森结的超导临界电流Ic值的变化，对太赫兹波穿过含水烟气的功率衰减值进行测定。

首先，起始阶段我们通过太赫兹源的功率P₁，以及源和透镜之间的距离d的调解，使得约瑟夫森结接收到的太赫兹功率不是很大，约瑟夫森结的超导临界电流Ic在源功率从小到P1调节时也始终没有经过零值点。这样，约瑟夫森结的Ic值会随着接收的太赫兹功率增大而单调减小。相关原理简介如图3，图3中虚线是没有太赫兹辐照时的约瑟夫森结，此时超导临界电流Ic值最大。我们在检测起始阶段需要对固定约瑟夫森结做Ic值测量标定。当辐照到一定功率太赫兹波时，约瑟夫森结的Ic会被压缩，定义其压缩量为△I。压缩量△I数值与辐照太赫兹波功率值呈正比关系，辐照功率越大，△I越大。因此，可以根据△I数值来计算出太赫兹波到结处的辐射功率。理论上，对于高温超导双晶结或台阶结，可以用约瑟夫森结电阻旁路模型(RSJ模型)来模拟，我们可以推导得到结处的太赫兹波功率为P₂＝2△I×Ic×(f/fc)²×R，这里的f为太赫兹的频率，由太赫兹波源决定；R为约瑟夫森结的正常态电阻，当约瑟夫森结确定了其正常态电阻也就确定了，大小可以用图3中IV曲线在远端的斜率来得到；fc为结的特征频率，其值可由下列公式得到fc＝2e/h×Ic×R，其中e为基本电荷电量，h为普朗克常量，Ic为结的超导临界电流，R为结的特征电阻。综上，经过整理可得P₂＝(h²f²△I)/(2e²IcR)。所以太赫兹波的功率衰减值△P＝10log(P₂/P₁),单位为dB。单位距离太赫兹波功率衰减值为△P/d。

图1中的附图标记5为约瑟夫森结的电流电压数据采集与传输系统，包含约瑟夫森结电流电压数据采集模块与无线传输模块。可以优先采用脉冲测量法采集结的电流电压数据，其结构示意框图如图4，为保证数据的良好实时性，脉冲频率可在10KHz以上。如附图4，本发明利用四端子引线法以消除引线电阻，即在约瑟夫森结的外侧两端加电流，内侧两段测电压，实现采集测量约瑟夫森结的电流电压特性的数据。高速脉冲法测量约瑟夫森结电流电压数据的基本原理为：由高速微处理器(如ARM单片机、DSP等)配合外部设备产生高速脉冲信号，触发脉冲直流电源来给低温杜瓦中约瑟夫森结提供高速脉冲电流。同时电流传感器将结的电流数据传输给微处理器，结在通过电流后产生的电压信号经过放大器也传输给微处理器。由微处理器将结的实时电流电压特性数据通过无线传输设备模块(如nblot、lora等)传输给计算机6。在计算机中运用专用软件(基于Delphi、VB等)对约瑟夫森结电流电压数据进行快速运算处理，迅速得到约瑟夫森结的△I值以及单位距离太赫兹波传输功率衰减值△P/d，并在大气毫米波衰减模型数据库中进行直接快速查表，得到烟气中含水量(绝对湿度)的实时数据。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为。

Claims (9)

1.一种新型的烟气水分含量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：起始阶段，测量在没有太赫兹波辐照时的约瑟夫森结的原始超导临界电流Ic值，以作为标定；所述的约瑟夫森结位于低温真空装置内；

步骤二：预设频率的太赫兹连续波源向接收透镜发射连续的太赫兹波，接收透镜将透射过的太赫兹波汇聚至约瑟夫森结的结区；所述接收透镜出射面位于低温真空装置内，接收透镜入射面位于低温真空装置外表面；约瑟夫森结与透镜间为真空，太赫兹信号传输无功率衰减；所述接收透镜为凸透镜；

步骤三：调节太赫兹波源至透镜之间的距离d，以及太赫兹波源的发射功率P₁ ，使得在没有通入需要检测的气体前约瑟夫森结的超导临界电流为一个预设值；并且满足当距离d固定之后，源功率从0增加到P₁ 的过程中，结的超导临界电流值始终未经过零点；

步骤四：将需要检测的气体通入太赫兹连续波源与接收透镜之间；测量约瑟夫森结的实时的超导临界电流值Ic*，得到超导临界电流实时压缩量ΔI＝Ic-Ic*；根据公式(1)则计算出此时约瑟夫森结处的太赫兹波实时功率P₂ ；

P₂ ＝2△I×Ic×(f/fc)² ×R (1)

(1)式中，f为太赫兹波源的频率；fc为约瑟夫森结的特征频率；R为约瑟夫森结的正常态电阻；

因为约瑟夫森结的特征频率fc＝2e/h×Ic×R (2)

(2)式中，e为基本电荷电量，h为普朗克常量，Ic为瑟夫森结的超导临界电流，R为约瑟夫森结的特征电阻；

将公式(2)带入公式(1)得：

P₂ ＝(h²f² △ I)/(2e²IcR) (3)

可得到太赫兹波经过烟气环境传输到约瑟夫森结的传输功率衰减即传输功率吸收△P＝10log(P₂ /P₁ )；其中太赫兹波传输功率衰减的单位为dB；

步骤五：根据步骤三计算出的传输功率衰减△P，除以太赫兹源至接收透镜之间的距离d，得到太赫兹波传输的单位距离功率衰减△P/d，代入大气毫米波衰减模型数据库；通过查表法读出经过的烟气环境的绝对湿度；所述大气毫米波衰减模型数据库为详细包含各种频率的毫米波亚毫米波在各种绝对湿度的气体中单位距离上传输的功率衰减或吸收值数据；所述毫米波亚毫米波包括太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的一种新型的烟气水分含量检测方法，其特征在于：步骤一至步骤四的数据处理过程均为通过约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统传输至计算机进行计算。

3.根据权利要求1所述的一种新型的烟气水分含量检测 方法，其特征在于：所述约瑟夫森结的类别为符合电阻旁路RSJ模型的约瑟夫森结。

4.根据权利要求3所述的一种新型的烟气水分含量检测 方法，其特征在于：所述符合电阻旁路RSJ模型的约瑟夫森结包括高温超导材料的双晶结、台阶结以及本征结。

5.根据权利要求1所述的一种新型的烟气水分含量检测方法，其特征在于：所述约瑟夫森结为铊钡铜氧双晶结或台阶结。

6.根据权利要求1所述的一种新型的烟气水分含量检测方法，其特征在于：所述低温真空装置的中腔为真空；所述低温真空装置为低温真空杜瓦。

7.根据权利要求1所述的一种新型的烟气水分含量检测方法，其特征在于：所述太赫兹连续波源为基于肖特基二极管的固态太赫兹连续波源，或者为基于高温超导约瑟夫森结的频率可调太赫兹连续波源。

8.根据权利要求1所述的一种新型的烟气水分含量检测方法，其特征在于：约瑟夫森结信号接收器与约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统相连实现电流电压数据采集；所述约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统具体为：微处理器与高速脉冲信号电路相连，能够触发高速脉冲直流电源为低温真空装置中约瑟夫森结提供高速脉冲电流；电流传感器将约瑟夫森结的电流数据传输给微处理器；约瑟夫森结的通过电流后产生的电压信号经过电压放大器传输给微处理器；所述微处理器将接收的电压电流数据发送至计算机；所述计算机基于步骤四与步骤五进行计算。

9.一种新型的烟气水分含量检测方法的检测系统，应用如权利要求1至8任一权利要求所述的一种新型的烟气水分含量检测方法的检测方法，其特征在于：包括太赫兹连续波源、接收透镜、低温杜瓦装置、约瑟夫森结信号接收器以及计算机；所述太赫兹连续波源发射太赫兹连续波至接收透镜表面；通过接收透镜的太赫兹连续波进入低温杜瓦装置并汇聚至约瑟夫森结表面；所述约瑟夫森结通过约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统将采集的数据传输至计算机；所述约瑟夫森结电流电压数据采集与传输系统包括微处理器、高速脉冲信号电路、脉冲直流电源、电流传感器、电压放大器以及无线传输模块；所述微处理器接收来自计算机的控制命令，控制高速触发脉冲信号电路使脉冲直流电源产生相应的脉冲电流至约瑟夫森结；电流传感器检测约瑟夫森结的电流，并将电流信号发送至微处理器；电压放大器接收约瑟夫森结的电压信号并放大后传输至微处理器；微处理器将接收到的电压电流信息传输至计算机；计算机接收到信号后根据预设的方法进行计算。

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