CN113092398A - 基于紫外差分吸收光谱法的烟气分析仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于紫外差分吸收光谱法的烟气分析仪，包括：气路模块，用于待测烟气输入输出烟气分析仪；光路模块，用于将所述待测烟气经过光谱仪将光信号转换接入电路模块；电路模块，用于进行浓度反演计算。本发明还提供了一种使用如上所述的烟气分析仪进行烟气浓度测量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度测量分析技术领域，尤其涉及一种基于紫外差分吸收光谱法的烟气分析仪及测量方法。
背景技术
随着国内工业的发展，国家对环境污染的情况也开始重视起来，各地方环保部门陆续出台了工业生产中各种污染气体如烟尘、二氧化硫、氮氧化物等成分排放浓度的排放标准。同时，关于烟气气体各成分的浓度检测要求也更加精确和严格，保证实时性和准确性。
差分吸收光谱法(DOAS)早由德国海德堡大学环境物理研究所的Platt提出。主要是利用吸收分子在紫外到可见光段的特征吸收来研究大气层的痕量气体成分(CH2O、O3、NO2、SO2、Hg、NH3等)。差分吸收光谱技术是利用空气中气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演气体的浓度，因此差分吸收光谱方法具有一些传统检测方法所无法比拟的优点。DOAS广泛应用于测量大气中污染气体浓度，以后逐渐在烟气监测领域也得到应用，差分吸收光谱法的主要优点是可以在不受被测对象化学行为的干扰的情况下来测量它们的浓度，可以通过分析几种气体在同一波段的重叠吸收光谱，来同时测定几种气体的浓度。增加测量气体的数量只需要更改软件，不需要增加硬件。
目前，市面上大多是直接测量式的烟气分析仪，直接测量式是将烟道作为一个开放的吸收池，对气体进行实时连续的直接测量，不需要预处理系统，虽然有安装方便，维护量小，并且在一定范围内不受烟道内烟尘和水雾的影响的一些优点，但当烟尘或水雾较高时此方法就无效了，易耗品较贵，维护需要专业人士，特别是当保护仪表失效时设备极易被烟道气体污染导致数据的失效，而且现场不容易实施对标准物质的比对实验。此外，由于超低排放现场的烟气成分复杂，二氧化硫、氮氧化物排放的浓度较低，目前大部分烟气分析仪为常规量程分析仪，已不能满足监测要求，一些采用红外技术的烟气分析仪在低浓度区域测量易受背景气体干扰的影响，还有一些紫外烟气分析仪为了提高检测灵敏度采用了多次反射测量池，多次反射测量池增加了系统的复杂程度，相较于直通池稳定性差并且增加了现场维护难度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于紫外差分吸收光谱法的烟气分析仪及测量方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于紫外差分吸收光谱法的烟气分析仪，包括：
气路模块，用于待测烟气输入输出烟气分析仪；
光路模块，用于将所述待测烟气经过光谱仪将光信号转换接入电路模块；
电路模块，用于进行浓度反演计算。
其中，所述气路模块包括气室进出气口、盘管单元、电磁阀、旋转泵和气室管道，其中，所述气室管道的材料为铝合金材料。
其中，所述光路模块包括光源、光纤、透镜、反射镜和光谱仪，其中，所述光源发射紫外光，经所述透镜准直为平行光，经所述反射镜反射后再经所述透镜汇聚进入所述光谱仪。
其中，所述电路模块包括电源开关、继电器、控制电源、PCB板、触摸屏及风扇。
作为本发明的另一方面，提供了一种使用如上所述的烟气分析仪进行烟气浓度测量的方法，包括以下步骤：
光源发射紫外光信号，进入光谱仪，光谱仪采集光信号；
对光谱信号谱线进行滤波，采用波长权重法拟合得到直接浓度D0；
对所述直接浓度D0加入温度修正系数和流速修正系数进行浓度反演算。
其中，所述光谱仪采集光谱信号包括测量不同距离处的光谱能量分布，之后将位置调整至使待测烟气吸收波长处呈最大能量分布的位置。
其中，所述直接浓度D0的计算公式如下所示：
其中，M0、M1、M2、M3、M4、M5代表不同次项的拟合系数值；n为参与计算反演浓度的像素点个数，根据要求结果精确度自行设置；Ai为第i个像素点的差分吸光度，主控电路中可直接得出；Si为不同像素点差分吸光度的权重数。
其中，对所述直接浓度D0加入温度修正系数和流速修正系数进行浓度反演算的计算公式如下：
其中，λT为温度修正算法中的温度修正系数；λV为流速修正算法中的气体流速修正系数，由实验测得；V0为标准流速，V为实时流速；T0为标准温度，T为实时温度；标准温度与标准流速为实验中所设置；D为最终的反演浓度结果。
基于上述技术方案可知，本发明的烟气分析仪及测量方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)提供一种基于紫外差分光谱技术的用于实时监测烟气(主要测量SO2、NO化合物浓度)的系统及方法，并重新改进现有市场中普通烟气分析仪的结构与设计；
(2)增加改进算法修正内容，将温度修正与流速修正加入到算法当中，使得结果更加准确；
(3)改进程序控制与操作系统控制，使得操作更为简单，处理信息速度更加快捷；
(4)该方法在没有增加占用体积的情况下，适当增加了测量气室量程，达到浓度测量要求且没有增加系统的复杂程度；
(5)测试效率高、测试过程人工干预少、测试成本低、操作系统在触摸屏面板上通过很少步骤即可完成测量；
(6)可实时监测浓度数据，算法改进使得能达到准时、准确反馈当前待测区域气体浓度；
(7)在提取气体吸收谱线时，结合紫外差分吸收光谱技术的原理，设计了DOAS技术吸收光谱的数据处理流程。对所测的各种气体采用相应干扰较少的波长，采用标准样品气进行相应检测气体吸收截面的校准，得到精确结果；
(8)加入温度修正与流速修正部分，去除温度变化与流速变化带来的影响，使结果更接近于准确值；
(9)氘灯激光器驱动板部分，使用数字芯片控制，使得激光器的工作温度、工作波长比模拟芯片更准确更稳定，可以精确调整我们所需要的激光波长，并且避免因温度等外界问题影响到激光信号的输出波长。
附图说明
图1是本发明实施例提供的机箱内整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的气室内部光路示意图；
图3是本发明实施例提供的主体主控电路与测量部分示意图；
图4是本发明实施例提供的利用本发明所公开的方法计算浓度的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的通入零气时的光谱仪图像；
图6是本发明实施例提供的通入气体NO时的光谱仪图像；
图7是本发明实施例提供的通入SO2时的光谱谱线图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1-烟气分析仪机箱；2-分析仪开关；3-触摸面板；4-气室散热风扇；
5-气室氘灯光源；6-气室进出气口(旁边附有温度检测装置)；
7-气室主管道；8-气室反射镜部分；9-泵体支架；10-氧电池；
11-铝合金加热板；12-机箱风扇；13-电磁阀；14-旋转泵；
15-PCB电路板；16-光谱仪反射镜；17-光谱仪模块；
18-光谱仪电线接口；19-光谱仪进光口；20-控制开关电源1；
21-控制开关电源2；22-继电器；23-气体流量计；
24-光谱仪与测量气室连接块；25-箱体进出气口；26-气室反射镜；
27-透镜；28-盘管部分。
具体实施方式
本发明的装置重新设计结构部分，将测量气体池与光谱仪部分进行改进，增加控温部分防止温度变化过多引起误差，增加流速控制监控并且加入温度修正项和流速修正项改进反演浓度计算的算法，即使是低浓度的数值也能得到精确的结果。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明的机箱内整体结构示意图；其中，包括：
气路模块，用于待测烟气输入输出烟气分析仪；
光路模块，用于将所述待测烟气经过光谱仪将光信号转换接入电路模块；
电路模块，用于进行浓度反演计算。
如图2所示，为气室内部光路示意图。
如图3所示，为主体主控电路与测量部分示意图；主体主控电路与测量部分包括氘灯光源5、气室进出气口6、气室管道7、光纤24、PCB电路板15、光谱仪模块17，气室管道7由铝合金构成，铝合金材料可以利于光源端的散热和稳定控制箱体整体的温度，管道内衬有聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管可防止待测的气体吸附于气室内以及防止其对测量气室的腐蚀。整体气路为气体管道从箱体进出气口25进入，经过盘管部分28后与电磁阀13相连，气体经过盘管中延长了气体流动的时间，使得管内气体的温度与机箱温度保持基本一致，之后经过气室进出气口6，气室内有待测气体，再连入旋转泵14中，最后从旋转泵14后转出两条气路从箱体进出气口25通出气体。
电路部分中，涉及的电路部件有电源开关2，继电器22，不同的控制电源20和21，PCB电路板15，光谱仪17，电磁阀13与旋转泵14，触摸屏3，风扇4和12。在测量气室管道内，光路为首先从氘灯光源5发射紫外光，经过透镜27准直为平行光，经过反射镜26反射后再经过透镜汇聚进入光谱仪进光口19，连接光谱仪，光谱仪将光信号转换接入主控电路中进行浓度反演计算。
如图4所示，本发明还提供了一种使用如上所述的烟气分析仪进行的烟气浓度测量的方法，包括：
步骤一：光源发射紫外光信号，进入光谱仪，光谱仪采集光信号；
根据本发明进一步的实施例，光源段发射紫外光信号，通过测量气体池出光口的连接装置与光谱仪进光口连接，并测量不同距离处的光谱能量分布，之后将位置调整至使待测组分吸收波长处呈最大能量分布的位置，图5为通入零气时的光谱仪图像，横坐标代表波长值，纵坐标为对应能量值，曲线为对应能量谱线；图6为通有气体NO时的光谱仪图像，会产生相应的吸收峰，同时如果不同的气体浓度会有不同的吸收峰图像，可以根据不同吸收峰能量谱线反演计算浓度大小。图7为通入SO2时的光谱谱线图，可以看出有锯齿波形状的谱线变化。
步骤二：对光谱信号谱线进行滤波，采用波长权重法拟合得到直接浓度D0；
根据本发明进一步的实施例，电信号在电路板中将谱线的变化部分提取出来，并用自带滤波算法剔除慢变化部分，保留所需的快变化部分计算。快变化谱线进行多项式拟合函数计算为直接浓度D0，算法如下：
其中，M0、M1、M2、M3、M4、M5代表不同次项的拟合系数值；n为参与计算反演浓度的像素点个数，根据要求结果精确度自行设置；Ai为第i个像素点的差分吸光度，主控电路中可直接得出；Si为不同像素点差分吸光度的权重数。
步骤三：对所述直接浓度D0加入温度修正系数和流速修正系数进行浓度反演算。
根据本发明进一步的实施例，经过实验验证，通过多项式拟合谱线得出的直接浓度为理想温度(25℃)和零流速条件下的。实际情况中的温度与流速并不会是预先设定理想状态的值，所以对于这两项加入系数与二次方项来计算最后的实际浓度值。温度的数值是通过机箱内的温度检测装置所得，经过实验验证，温度在小于100℃时修正结果是较为准确的。气体流速是由机箱上的气体流量计所得，在流速小于2000sccm时修正是较为准确的。
λT为温度修正算法中的温度修正系数；λv为流速修正算法中的气体流速修正系数，由实验测得。V0为标准流速，V为实时流速；T0为标准温度，T为实时温度；标准温度与标准流速为实验中所设置。D为最终的反演浓度结果。
由此可见，烟气浓度反演算法是通过紫外差分计算，实际应用中光谱信号由光谱仪中的线阵图像传感器采集，波长与图像传感器的像素之间存在对应关系。由主控电路利用波长权重算法得到直接浓度D0，D0不代表最终所得浓度，D0通过温度修正算法与流速修正算法进行反演计算得到最终浓度D。波长权重算法利用五次多项式增加了干扰气体吸收波长的权重，可以消除背景气体带来吸收谱线误差的干扰影响，温度修正一项可经实时监测测量池温度对测量结果进行补偿算法的更正，流速修正部分可以补偿流速造成结果的误差，提高了最终浓度结果的准确度。
综上，该烟气分析装置的光谱仪端面可调，采用高精度的恒温控制，提高系统灵敏度，可使用直通测量池在常规光程下实现超低浓度的测量，特别适用于超低排放现场的连续监测。
下面通过一具体实施例对本发明的技术方案进行阐述及验证。
选用紫外氘灯测量SO2与NO浓度，进行两次气体的测量，每次记录最小值最大值数据。满量程值SO2浓度35ppm，NO浓度75ppm，每次测量中，分别进行20％，40％，60％，80％量程测量，每个量程中测量三次，对每一次测量中的最大值最小值进行记录与对比。选取了其中两次的测量数据进行验证，其中，表1为第一次测量最小值数据，表2为第一次测量最大值数据，表3为第二次测量最小值数据，表4为第二次测量最大值数据。
表1
表2
表3
表4
综上结果可得，在不同量程中，每次测量的误差值均在±0.5％内，已满足测量要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于紫外差分吸收光谱法的烟气分析仪，其特征在于，包括：
气路模块，用于待测烟气输入输出烟气分析仪；
光路模块，用于将所述待测烟气经过光谱仪将光信号转换接入电路模块；
电路模块，用于进行浓度反演计算。
2.根据权利要求1所述的烟气分析仪，其特征在于，所述气路模块包括气室进出气口、盘管单元、电磁阀、旋转泵和气室管道，其中，所述气室管道的材料为铝合金材料。
3.根据权利要求1所述的烟气分析仪，其特征在于，所述光路模块包括光源、光纤、透镜、反射镜和光谱仪，其中，所述光源发射紫外光，经所述透镜准直为平行光，经所述反射镜反射后再经所述透镜汇聚进入所述光谱仪。
4.根据权利要求1所述的烟气分析仪，其特征在于，所述电路模块包括电源开关、继电器、控制电源、PCB板、触摸屏及风扇。
5.一种使用如权利要求1-4所述的烟气分析仪进行烟气浓度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
光源发射紫外光信号，进入光谱仪，光谱仪采集光信号；
对光谱信号谱线进行滤波，采用波长权重法拟合得到直接浓度D0；
对所述直接浓度D0加入温度修正系数和流速修正系数进行浓度反演算。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光谱仪采集光谱信号包括测量不同距离处的光谱能量分布，之后将位置调整至使待测烟气吸收波长处呈最大能量分布的位置。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述直接浓度D0的计算公式如下所示：
其中，M0、M1、M2、M3、M4、M5代表不同次项的拟合系数值；n为参与计算反演浓度的像素点个数，根据要求结果精确度自行设置；Ai为第i个像素点的差分吸光度，主控电路中可直接得出；Si为不同像素点差分吸光度的权重数。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述直接浓度D0加入温度修正系数和流速修正系数进行浓度反演算的计算公式如下：
其中，λT为温度修正算法中的温度修正系数；λV为流速修正算法中的气体流速修正系数，由实验测得；V0为标准流速，V为实时流速；T0为标准温度，T为实时温度；标准温度与标准流速为实验中所设置；D为最终的反演浓度结果。
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