CN116256030A - 一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法及光谱流量计 - Google Patents

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Abstract

一种利用光谱特征吸收原理检测烟气流量的方法及光谱流量计，其步骤是：在烟道中沿气流方向由前至后布置信号空气喷头和光谱检测探头，信号空气喷头入口经连接管路连接压缩空气源，打开信号空气喷头，开始计时，向烟道中喷射压缩空气，使烟道中烟气被稀释后流经光谱检测池；打开光源，光源发出紫外光，照射检测池并由光谱仪接收，经光谱仪分析后检测出SO2或NOX光谱能量衰减值，计时结束；检测结果输入到运算显示单元，计算出信号空气喷头向烟道中开始喷射压缩空气至光谱仪检测出SO2或NOX光谱能量衰减值的时间T，根据该时间和信号空气喷头出口端到检测池入口端之间的距离L计算出烟气在此段距离的流速V，再根据烟道的截面积S计算出烟气的流量。

Description

一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法及光谱流量计
技术领域
本发明涉及气体流量检测技术，特别涉及一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法及光谱流量计，用于测量烟气中的污染源排放流量。
背景技术
目前在工业生产和人民生活当中，流量计都有广泛的应用。常用的流量计主要有：1、速度式流量计，包括超声波流量计、涡街流量计和电磁流量计等；2、容积式流量计，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等；3、差压式流量计，这种流量计是利用安装在管道上的节流装置如孔板、喷嘴、文丘里管和皮托管等，在节流装置前后形成的压差间接测出流量值；4、质量流量计。各种流量计都有其优缺点，以适应不同种工况的要求，因此流量计的选择至关重要。由于烟道一般体积比较大，烟气中又含有大量污染物，那么插入式皮托管流量计比较适合这种工况，因此现在环保烟气监测领域，检测烟气污染物排放量主要选择用皮托管流量计，它是利用差压式流量原理，通过差压变送器检测到皮托管迎风面与背风面差压值，将差压信号转化为电信号输送到流量计中测得流量，这种流量计的缺点是：由于烟气流动的不稳定带来差压的抖动，并且差压式原理本身误差比较大，检测结果精度较低，稳定性较差。
发明内容
本发明是为了解决背景技术存在的上述问题，提供一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法及光谱流量计。
一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法，其步骤是：
步骤一、在烟道中沿气流方向由前至后布置信号空气喷头和光谱检测探头，信号空气喷头入口经连接管路连接压缩空气源，打开信号空气喷头，开始计时，向烟道中喷射压缩空气，使烟道中烟气被稀释后流经光谱检测池；
步骤二、在烟道外布设光源和光谱仪，打开光源，光源发出紫外光，照射检测池并由光谱仪接收，经光谱仪分析后检测出SO2或NOX光谱能量衰减值，计时结束；
步骤三、检测结果输入到运算显示单元，计算出信号空气喷头向烟道中开始喷射压缩空气至光谱仪检测出SO2或NOX光谱衰减值的时间T，根据该时间和信号空气喷头出口端到检测池入口端之间的距离L计算出烟气在此段距离的流速V，再根据烟道的截面积S计算出烟气的流量。
一种光谱流量计，其特殊之处是，包括：
信号空气喷头，所述信号空气喷头通过连接管路与现场压缩空气源相连，所述连接管路对应信号空气喷头一端安装电磁阀一和压力调节阀，所述信号空气喷头出口端位于烟道中；
标零空气喷头，所述标零空气喷头入口端通过连接管路与现场压缩空气源相连，所述标零空气喷头出口端安装于烟道中，所述空气压缩管对应标零空气喷头入口端设置电磁阀二；
光谱探头，所述光谱探头为抽取探头位于烟道内，并且沿气流方向位于信号空气喷头后方；
探头过滤器，安装在抽取探头顶部，用于过滤烟气中的烟尘及杂质；
检测池，置于烟道外，所述检测池为封闭结构且检测池的入口端与抽取探头的出口端连接；
抽取泵，所述抽取泵入口端通过抽取管路与检测池的出口端连接；
光源，用于照射检测池中流入的被测烟气；
光谱仪，用于接收光源的出射光并实时计算出因信号空气喷头喷射空气后烟气和污染物导致光谱能量变化的衰减值；
流量显示仪表，用于控制所述电磁阀和压力调节阀的工作状态，计算出烟气流速、流量并显示。
进一步，所述信号空气喷头和标零空气喷头出口为扁平状，对烟气起到均匀稀释作用。
进一步地，在所述连接管路上通过电磁阀三连接反吹气管，反吹气管出口端同时与抽取探头出口端和检测池进口端连接，用于同时向抽取探头、检测池及抽取管道反向吹扫空气。
进一步，所述信号空气喷头的出口端低于抽取探头的入口端。
一种光谱流量计，包括：
信号空气喷头，所述信号空气喷头入口端通过连接管路与现场压缩空气源相连，所述连接管路对应信号空气喷头入口端设置电磁阀一和手动调节阀，所述信号空气喷头出口端位于烟道中；
光谱探头，所述光谱探头为直测探头，所述直测探头为筒状且底部敞口，直测探头主体位于烟道中，直测探头的底部敞口端位于烟道外；
检测池，开设在所述直测探头上部形成烟气通道，使烟气沿气流方向通过；
棱镜，设置于在所述直测探头内顶部；
玻璃镜片，设置于检测池上、下边缘，用于防止烟气进入直测探头内；
空气保护室，设置于与玻璃镜片相邻位置，用于保持玻璃镜片清洁，使入射光和反射光透过并防止烟气进入；
光源，位于烟道外且正对直测探头底部，用于向直测探头内投射入射光，经过检测池后投射至棱镜上；
光谱仪，位于烟道外且对应直测探头底部，用于接收棱镜的反射光，实时计算出信号空气喷头喷射空气后烟气和污染物导致光谱能量变化的衰减值；
流量显示仪表，用于控制所述电磁阀的工作状态，计算烟气流速、流量并显示。
进一步地，在所述连接管路上通过电磁阀四连接反吹气管，反吹气管出口端位于所述空气保护室内且其出口端安装喷嘴，所述喷嘴向空气保护室内喷射空气，对玻璃镜片表面进行吹扫防止玻璃镜片表面沉积烟气中杂质并且使空气保护室内压力略大于流经检测池的烟气压力，防止烟气进入空气保护室污染玻璃镜片。
进一步，所述信号空气喷头出口为扁平状，对烟气起到均匀稀释作用。
进一步，所述信号空气喷头出口端不高于检测池下边缘。
进一步，所述空气保护室是通过设置在玻璃镜片外侧的双孔金属挡片与直测探头内壁形成，金属挡片上设有分别让入射光和反射光透过的透光孔。
本发明的光谱流量计是根据比尔定律，利用光谱特征吸收规律，测得烟气从信号喷头喷发被稀释开始流到被光谱流量计测得烟气污染物浓度骤变这段时间和在这段时间流过的固定已知距离，测得污染物在固定距离流动的时间，进而计算出烟气的流速，再根据烟道的截面积计算出流量，所谓的光谱特征吸收规律具体讲就是当光线穿过被测气体时，一些污染物如NOX、SO2等分子会吸收各自某一特定波长的光能量(对特定波长以外的光线则完全不吸收，这种现象称光谱的特征吸收)使该光谱的强度下降，下降的幅度与被测气体的浓度符合郎伯-比尔定律，所述朗伯-贝尔定律：
I(λ)＝Io(λ)e-(σ·n·N·L)；
因此通过检测特定光谱的吸收幅度可以快速精确测量出被测气体中的NOX或SO2浓度，本发明就是根据这个原理通过特意稀释烟气污染物浓度利用光谱仪，流量计再精准测得烟气污染物从被稀释到浓度骤变这段时间，再通过相关参数计算出流量，从而提高了烟气流量测量的精度和稳定性，本发明结构简单，安装方便，便于维护，运行稳定可靠。
附图说明
图1是发明实施例1(抽取式)的结构示意图；
图2是图1中D-D剖视图；
图3是本发明实施例2(直测式)的结构示意图；
图4是图3的E-E剖视图。
图5是图3的F部放大图。
图中：探头过滤器-1，抽取探头-2，检测池-3，光谱仪-4，抽取泵-5，流量显示仪表-6，光源-7，探头反吹气管-8，标零空气喷头-9，信号空气喷头-10，电磁阀一-11，连接管路-12，机壳-13，手动调节阀-14，法兰-15，烟道-16，电磁阀二-17，电磁阀三-18，棱镜-19，玻璃镜片-20，金属挡片-21，透光孔-211，直测探头-22，电磁阀四-23、空气喷嘴-24。
具体实施方式
一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法，其步骤是：
步骤一、在烟道16中沿气流方向由前至后布置信号空气喷头10和光谱检测探头，信号空气喷头10入口经连接管路12连接压缩空气源，打开信号空气喷头10，开始计时，向烟道中喷射压缩空气，使烟道中烟气被稀释后流经光谱检测池3；
步骤二、在烟道外布设光源7和光谱仪4，打开光源7，光源7发出紫外光，照射检测池并由光谱仪4接收，经光谱仪分析后检测出SO2或NOX光谱能量衰减值，计时结束；
步骤三、检测结果输入到运算显示单元6，计算出信号空气喷头10向烟道中开始喷射压缩空气至光谱仪检测出SO2或NOX光谱衰减值的时间T，根据该时间和信号空气喷头10出口端到检测池入口端之间的距离L计算出烟气在此段距离的流速V，再根据烟道的截面积S计算出烟气的流量。
本发明根据现场的不同情况和现场的安装的复杂程度，光谱探头分为抽取式探头和直测式探头，下面结合实施例1和实施例2详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种光谱流量计，包括：
信号空气喷头10，所述信号空气喷头10入口端设置电磁阀一11、手动调节阀14且通过连接管路12与现场压缩空气源相连，所述信号空气喷头10出口端位于烟道16中；
标零空气喷头9，所述标零空气喷头9入口端设置电磁阀二17且通过连接管路12与现场压缩空气源相连，所述标零空气喷头9出口端位于烟道16中沿气流方向位于信号空气喷头10后方；
抽取探头2，为筒状且与标零空气喷头9并列布置于烟道16中；
探头过滤器1，安装在抽取探头2顶部，用于过滤烟气中的烟尘及杂质；
检测池3，所述检测池3为封闭结构且检测池3的入口端通过连接管路与抽取探头2的出口端连接；
抽取泵5，所述抽取泵5入口端通过抽取管路与检测池3的出口端连接；
光源7，用于向抽取探头2发射入射光、照射检测池3中流入的被测烟气；
光谱仪4，用于接收光源7的出射光并实时计算出烟气和污染物导致光能量变化的衰减值；
流量显示仪表6，用于控制各电磁阀的工作状态及记录时间，并根据设置计算流速、流量并显示；
反吹气管8，反吹气管8入口端设置电磁阀三18且通过连接管路12与现场压缩空气源相连，反吹气管8出口端与抽取探头2的出口端和检测池3入口端连接，用于向抽取探头2、检测池和抽取管路反向吹扫空气；
所述信号空气喷头10、标零空气喷头9和抽取探头2沿烟气流动方向由前至后布置。
进一步，所述光源7、检测池3和光谱仪4安装在一个机壳13内。
进一步，所述信号空气喷头10和标零空气喷头9出口为扁平状，对烟气起到均匀稀释作用。
进一步，所述信号空气喷头10的出口端低于抽取探头2的入口端。
进一步，在烟气管道外壁上对应所述信号空气喷头10和抽取探头2底部设置法兰盘15，所述信号空气喷头10和抽取探头2通过法兰盘15安装在烟气管道上。
在使用前先校零，先用标零空气喷头9将压缩空气喷出，稀释该点烟气，记录烟气由探头顶点B流到入射光进口点C的时间T2，然后再用压缩空气经信号空气喷头10吹气，进而测出全程信号空气喷头10出口A到C的时间T1那么A到B的时间就等于T＝T1-T2，流速
Figure BDA0004158349160000081
进而根据流速V与截面积S的关系：Q＝V×S，测出其流量。
具体步骤：将光谱流量计通电，抽取泵5开始工作，抽取泵5开始抽5分钟后，烟气流动稳定后，打开标零空气喷头9，向烟道16内喷入压缩空气并开始计时TB，被均匀稀释的烟气由探头顶点B抽入抽取探头2内，进入检测池3，光源7照射烟气，烟气中污染物吸收了特定波长的紫外光，入射光经过透镜汇聚后传输到光谱仪4，进行分光处理和测量得到气体污染物的吸收光谱，通过对吸收光谱的分析，当烟气浓度向小突变时记时Tc，计算出被测气体中的NOX浓度，计算出烟气从探头过滤器2至检测池3入口的时间T2＝TC-TB，由于抽取泵5是定速泵，所以在抽取环境不变的情况下，抽取管这段烟气的流速是匀速运动，所以抽取管这部分烟气的流动不受烟气气流的影响，从B点到C点的流动时间是一个定值，因此T2是一个不变的常量，那么只要测得烟气从A点到C点的时间就可准确计算出A到B的时间T，打开信号空气喷头10的电磁阀一11，吹出空气时开始计时TA，当被压缩空气稀释的烟气进入气体室SO2或NOX吸收了特定波长的紫外光，携带被测样气的吸收信息的光经过透镜汇聚后藕入光仟，经光纤传输送入到光谱仪进行分光处理和测量得到气体吸收光谱，通过对吸收光谱的分析，可以计算出气体相关组分的浓度，测出A点计时开始这段时间烟气浓度向小突变点时刻T1，T1＝TC-TA，烟气从A流到B所用的时间为T＝T1-T2，烟气从A流到B的速度为V＝L/T，流量Q＝S×V，L为A至B的距离，S为烟道的截面积。由于烟气含有烟尘的污染物，抽取探头在实际工作中需定期进行探头反吹，来清理过滤气的污染物，这样才能保证抽取管的干净和畅通进而保证流量计的稳定运行和准确率。
实施例2
如图3-图5所示，一种光谱流量计，包括：
信号空气喷头10，所述信号空气喷头10入口端通过连接管路12与现场压缩空气源相连，信号空气喷头10出口为扁平状，对烟气起到均匀稀释作用。所述连接管路12对应信号空气喷头10入口端设置电磁阀一11和手动调节阀14，所述信号空气喷头10出口端位于烟道16中；
光谱探头，所述光谱探头为直测探头22，所述直测探头22为筒状且底部敞口，直测探头22主体位于烟道16中，直测探头22的底部敞口端位于烟道16外；
检测池3，开设在所述直测探头16上部形成烟气通道，使烟气沿气流方向通过；
棱镜19，设置于在所述直测探头2内顶部；
玻璃镜片20，设置于检测池3上、下边缘，用于防止烟气进入直测探头22内；
空气保护室，是通过设置在玻璃镜片20外侧的双孔金属挡片21与直测探头22内壁形成，金属挡片21上设有分别让入射光和反射光透过的透光孔211，在所述连接管路12上通过电磁阀四23连接反吹气管8，反吹气管8出口端位于所述空气保护室内且其出口端安装喷嘴24，所述喷嘴24向空气保护室内喷射空气，对玻璃镜片表面进行吹扫防止玻璃镜片表面沉积烟气中杂质并且使空气保护室内压力略大于流经检测池的烟气压力，防止烟气进入空气保护室；
光源7，位于烟道外且正对直测探头22底部敞口端，用于向直测探头22内投射入射光，经过检测池3后投射至棱镜19上；
光谱仪4，位于烟道外且对应直测探头22底部敞口端，用于接收棱镜19的反射光，实时计算出信号空气喷头喷射空气后烟气和污染物导致光谱能量变化的衰减值；
流量显示仪表6，用于控制所述电磁阀的工作状态，计算烟气流速、流量并显示。
进一步，所述信号空气喷头10出口端不高于检测池3下边缘。
连接管路12接外部空压机，信号空气喷头10内压缩空气的开启由电磁阀一11控制，光源7发出的紫外光，经棱镜19折射后返回到光谱仪4，经光谱仪分析后检测出SO2或NOX光谱值再输入到运算显示单元6，计算出从压缩空气喷出(信号空气喷头10出口端A1)到检测出SO2或NOX光谱值(检测池出口B1)的时间，根据该时间和A1点到B1点之间的距离L可以计算出烟气的流速V，再根据有烟道的截面积S计算出烟气的流量。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用光谱特征吸收检测烟气流量的方法，其特征在于，步骤是：
步骤一、在烟道中沿气流方向由前至后布置信号空气喷头和光谱检测探头，信号空气喷头入口经连接管路连接压缩空气源，打开信号空气喷头，开始计时，向烟道中喷射压缩空气，使烟道中烟气被稀释后流经光谱检测池；
步骤二、在烟道外布设光源和光谱仪，打开光源，光源发出紫外光，照射检测池并由光谱仪接收，经光谱仪分析后检测出SO2或NOX光谱能量衰减值，计时结束；
步骤三、检测结果输入到运算显示单元，计算出信号空气喷头向烟道中开始喷射压缩空气至光谱仪检测出SO2或NOX光谱衰减值的时间T，根据该时间和信号空气喷头出口端到检测池入口端之间的距离L计算出烟气在此段距离的流速V，再根据烟道的截面积S计算出烟气的流量。
2.一种光谱流量计，其特征在于，包括：
信号空气喷头，所述信号空气喷头通过连接管路与现场压缩空气源相连，所述连接管路对应信号空气喷头一端安装电磁阀一和压力调节阀，所述信号空气喷头出口端位于烟道中；
标零空气喷头，所述标零空气喷头入口端通过连接管路与现场压缩空气源相连，所述标零空气喷头出口端安装于烟道中，所述空气压缩管对应标零空气喷头入口端设置电磁阀二；
光谱探头，所述光谱探头为抽取探头位于烟道内，并且沿气流方向位于信号空气喷头后方；
探头过滤器，安装在抽取探头顶部，用于过滤烟气中的烟尘及杂质；
检测池，置于烟道外，所述检测池为封闭结构且检测池的入口端与抽取探头的出口端连接；
抽取泵，所述抽取泵入口端通过抽取管路与检测池的出口端连接；
光源，用于照射检测池中流入的被测烟气；
光谱仪，用于接收光源的出射光并实时计算出因信号空气喷头喷射空气后烟气和污染物导致光谱能量变化的衰减值；
流量显示仪表，用于控制所述电磁阀和压力调节阀的工作状态，计算出烟气流速、流量并显示。
3.根据权利要求2所述的光谱流量计，其特征在于，所述信号空气喷头和标零空气喷头出口为扁平状。
4.根据权利要求2所述的光谱流量计，其特征在于，在所述连接管路上通过电磁阀三连接反吹气管，反吹气管出口端同时与抽取探头出口端和检测池进口端连接，用于同时向抽取探头、检测池及抽取管道反向吹扫空气。
5.根据权利要求2所述的光谱流量计，其特征在于，，所述信号空气喷头的出口端低于抽取探头的入口端。
6.一种光谱流量计，其特征在于，包括：
信号空气喷头，所述信号空气喷头入口端通过连接管路与现场压缩空气源相连，所述连接管路对应信号空气喷头入口端设置电磁阀一和手动调节阀，所述信号空气喷头出口端位于烟道中；
光谱探头，所述光谱探头为直测探头，所述直测探头为筒状且底部敞口，直测探头主体位于烟道中，直测探头的底部敞口端位于烟道外；
检测池，开设在所述直测探头上部形成烟气通道，使烟气沿气流方向通过；
棱镜，设置于在所述直测探头内顶部；
玻璃镜片，设置于检测池上、下边缘，用于防止烟气进入直测探头内；
空气保护室，设置于与玻璃镜片相邻位置，用于保持玻璃镜片清洁，使入射光和反射光透过并防止烟气进入；
光源，位于烟道外且正对直测探头底部用于向直测探头内投射入射光，经过检测池后投射至棱镜上；
光谱仪，位于烟道外且对应直测探头底部，用于接收棱镜的反射光，实时计算出信号空气喷头喷射空气后烟气和污染物导致光谱能量变化的衰减值；
流量显示仪表，用于控制所述电磁阀的工作状态，计算烟气流速、流量并显示。
7.根据权利要求6所述的光谱流量计，其特征在于，在所述连接管路上通过电磁阀四连接反吹气管，反吹气管出口端位于所述空气保护室内且其出口端安装喷嘴，所述喷嘴向空气保护室内喷射空气，对玻璃镜片表面进行吹扫防止玻璃镜片表面沉积烟气中杂质并且使空气保护室内压力略大于流经检测池的烟气压力，防止烟气进入空气保护室。
8.根据权利要求6所述的光谱流量计，其特征在于，所述信号空气喷头出口为扁平状，对烟气起到均匀稀释作用。
9.根据权利要求6所述的光谱流量计，其特征在于，所述信号空气喷头出口端不高于检测池下边缘。
10.根据权利要求6所述的光谱流量计，其特征在于，所述空气保护室是通过设置在玻璃镜片外侧的双孔金属挡片与直测探头内壁形成，金属挡片上设有分别让入射光和反射光透过的透光孔。
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