CN118347965A - 一种原位式在线气体检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位式在线气体检测方法，包括原位在线检测装置和分析仪主机；将原位在线检测装置插入管道的检测口，检测时，首先对原位在线检测装置进行标定；标定完成后，再原位通过原位在线检测装置进行管道内待测气体测量；以及通过本发明公开的原位式在线气体检测方法能够实现标定和测量均原位在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体监测技术领域，具体为一种原位式在线气体检测方法。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)利用窄线宽的波长可调谐激光光源实现对气体分子“指纹区”吸收谱线的扫描和测量，具有灵敏度高、分辨率高、响应快，不受背景气体干扰和非接触测量等优势。近年来，该技术在燃煤锅炉、工业窑炉等固定污染源的碳、污气体排放监测、过程控制和环保监管行业得到了广泛应用。
目前，激光气体分析装置用于固定污染源管道内碳、污气体的监测主要采用两种方式，一种是抽取式激光气体监测方式，另一种是原位式激光气体监测方式。其中抽取式激光气体监测方式是采用专用伴热采样探头将样气从烟道或管道中抽出，通过伴热传输和必要的预处理后进入检测单元。该方式的优点是可以使用多次反射池增加有效测量光程，从而提高测量灵敏度，但缺点是要求的预处理系统非常复杂，检测单元要求严密性高，且对于如氨气、硫化物等易吸附气体，抽取到检测单元内的气体会发生损失，检测误差极大。而原位式激光气体监测方式是直接将光学收发装置安装在烟道上，使测量光穿过被测烟气直接进行检测的方法，结构简单、安装方便、无需复杂的预处理系统，响应时间快，测量结果更具真实。
然而，随着仪器仪表现场长时间的使用，由于激光器、光电检测器及硬件电路等方面的原因造成仪器测量结果出现漂移。此外，对于碳、污排放企业，环保监管部门需检查监测设备是否处于正常工作状态，防止误报、谎报现象。因此相关行业检测标准要求此类碳、污排放在线监测仪器都具备现场标定功能。
抽取式激光气体监测方式的仪器现场标定简单，使用标准气体通入多次反射池就可以方便的实现现场标定。而原位式激光气体监测方式的校准、标定及验证方法比较繁琐，现有技术无法实现原位式激光气体监测方式的在线标定，标定时需要将原位式激光气体分析仪从测量烟道上拆下来，通过安装特定的气室或通过转换光路来实现标定，标定完成后，再重新安装回烟道上。因此，现场对原位式仪器现场在线标定任务繁琐，费时费力，且在高温管道上操作存在巨大安全隐患，非专业人员不能操作，且上述标定过程属于离线标定，标定和测量过程的仪器工作状态不能保持一致。
现有技术中，专利公开号为CN102735644A的发明专利，公开一种原位式激光气体分析仪的在线标定方法，通过分光方式将激光分成两路，一路激光通过管道用于正常测量，另一路激光通过标气气室用于分析仪的标定。分光会导致两路激光功率不同，两路光束经过不同光学窗片和测量环境，产生不同的光谱形变和背景噪声，两个测量通道采用不同的光电探测器和信号处理电路，会引入不同的探测器噪声和电路噪声，这样会导致较大的标定误差，若后续气体测量浓度不达标，无法准确追踪判责。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：解决现有技术的仪器标定和气体浓度测量的光学环境不一致，两者无法均能原位在线检测的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种原位式在线气体检测方法，包括原位在线检测装置和分析仪主机；
将所述原位在线检测装置插入管道的检测口，检测时，首先对所述原位在线检测装置进行标定；标定完成后，再原位通过所述原位在线检测装置进行管道内待测气体测量；
标定时，向所述原位在线检测装置内通入标准气，所述原位在线检测装置并发出激发光，使激发光与所述标准气发生气体分子吸收作用，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收标定电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述标准气的浓度值，以进行检测装置标定；
待测气体测量时，所述原位在线检测装置发出激发光，使激发光与待测气体发生吸收作用，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收测量电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述待测气体的浓度值。
优点：摆脱离线标定的繁琐操作，具有标定速度快，标定精度高，结构简单等优点，并且在不改变监测光路的条件下实现在线标定，实现了装置标定、待测气测量均在线原位检测。
在本发明的一实施例中，所述原位在线检测装置包括第一安装件110、第二安装件120、网状连接件200、模式切换装置300和光学激发装置400；
网状连接件200的两端分别与第一安装件110和第二安装件120固接，形成开放式测量区域；
模式切换装置300位于所述开放式测量区域内，并与第一安装件110活动连接，以在所述开放式测量区域内进行标定模式和测量模式切换；
光学激发装置400包括激光收发装置410和激光反射装置420；激光收发装置410固定于第一安装件110上，激光反射装置420固定于第二安装件120上；以及，激光反射装置420反射激发光，所述激发光穿过所述开放式测量区域被激光反射装置420反射后再次穿过所述开放式测量区域被所述激光收发装置410接收。
当模式切换装置300为标定模式时，激发光从模式切换装置300内穿过，激发光不与待测气体接触；当模式切换装置300为测量模式时，激发光不被模式切换装置300覆盖，激发光在所述开放式测量区域与待测气体接触并发生气体分子吸收作用。
在本发明的一实施例中，第一安装件110上设置有第一窗口111和第二窗口112；第二安装件120上设置有第三窗口121和第四窗口122；以及第一窗口111和第三窗口121相对设置，第二窗口112和第四窗口122相对设置，且四个窗口处于同一水平高度。
在本发明的一实施例中，模式切换装置300包括传动轴310、连接管320、第一光通管330和第二光通管340；连接管320的两端分别与第一光通管330和第二光通管340连通；传动轴310的一端与连接管320连通，另一端从第一安装件110穿过，与第一安装件110活动连接。
在本发明的一实施例中，当模式切换装置300为标定模式时，第一光通管330的两端分别对准第一窗口111和第三窗口121，第二光通管340的两端分别对准第二窗口112和第四窗口122。
在本发明的一实施例中，当模式切换装置300为测量模式时，第一光通管330和第二光通管340的端部之间的依次连线构成的第一平面；与第一窗口111、第二窗口112、第三窗口121和第四窗口122之间的依次连线构成的第二平面垂直。
在本发明的一实施例中，第一安装件110和第二安装件120上均设置有导气槽；当模式切换装置300处于测量模式时，以第一光通管330和第二光通管340的端部正对第一安装件110和第二安装件120的位置作为气体喷放位置；以及多个导气槽的一端朝向气体喷放位置，另一端分别朝向对应窗口。
在本发明的一实施例中，激光收发装置410包括激发源411和探测器412；激发源411位于第一窗口111的一侧，探测器412位于第二窗口112的一侧；激光反射装置420包括第一高反射镜421和第二高反射镜422；第一高反射镜421位于第三窗口121的一侧，第二高反射镜422位于第四窗口122的一侧；激发源411发射激发光，第一高反射镜421接收反射给第二高反射镜422，第二高反射镜422接收后再次反射给探测器412。
在本发明的一实施例中，传动轴310、连接管320、第一光通管330和第二光通管340内部中空；以及第一光通管330和第二光通管340的端部敞口。
在本发明的一实施例中，当模式切换装置300为测量模式时，光学激发装置400发射激发光，形成测量光路，同时向内模式切换装置300通入洁净空气，通过第一安装件110和第二安装件120上的导气槽，将洁净空气导引到第一安装件110和第二安装件120上的窗口上形成气帘吹扫所述窗口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术会导致较大的标定误差，本发明通过模式切换装置，在管道中标定时不需要改变原监测过程的激光光源、光程路径和光电检测环节的工作状态，即在不改变原位测量环境的情况下实现了真正的原位标定。
本发明解决了标定和测量过程的仪器工作状态不能保持一致，标定和测量的光学环境不一致，后续若气体测量浓度不达标，无法准确追踪判责的难题。
附图说明
图1为本发明实施例的原位在线检测装置示意图。
图2为本发明实施例的标定模式下的剖视图。
图3为本发明实施例的网状连接件示意图。
图4为本发明实施例的测量模式示意图。
图5为本发明实施例的测量模式下的剖视图。
图6为本发明实施例的标定曲线图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图5所示，本发明提供一种原位式在线气体检测方法，包括原位在线检测装置和分析仪主机。
将所述原位在线检测装置插入管道的检测口，检测时，首先对所述原位在线检测装置进行标定，标定完成后，再原位通过所述原位在线检测装置进行管道内待测气体测量。
以及，标定时，向所述原位在线检测装置内通入标准气，所述原位在线检测装置并发出激发光，使激发光与所述标准气发生气体分子吸收作用，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收标定电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述标准气的浓度值，以进行检测装置标定。
待测气体测量时，所述原位在线检测装置发出激发光，使激发光与待测气体发生吸收作用，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收测量电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述待测气体的浓度值。
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，原位在线检测装置包括第一安装件110、第二安装件120、网状连接件200、模式切换装置300和光学激发装置400。网状连接件200的两端分别与第一安装件110和第二安装件120固接，形成开放式测量区域。
请参图1和图2所示，在本发明的一实施例中，第一安装件110上设置有第一窗口111和第二窗口112，第二安装件120上设置有第三窗口121和第四窗口122。以及，第一窗口111和第三窗口121相对设置，第二窗口112和第四窗口122相对设置，且四个窗口处于同一水平高度。其中，在本实施例中，第一安装件110和第二安装件120为安装法兰。
更具体的，在第一安装件110和第二安装件120上均设置有第一限位件图中未显示和第二限位件图中未显示，所述第一限位件和第二限位件组成限位区域，使模式切换装置300在限位区域内旋转。旋转模式切换装置300时，当模式切换装置300触碰到第一限位件时被卡，无法继续旋转，此时，模式切换装置300处于标定模式。当模式切换装置处于标定模式时，反向旋转模式切换装置300，当模式切换装置300触碰到第二限位件时被卡，无法继续旋转，此时切换装置300处于测量模式。
请参图1所示，在本发明的一实施例中，网状连接件200上开设多排椭圆形孔，构成开放式结构，以及一对网状连接件200对称安装，模式切换装置300位于一对网状连接件200之间。
请参图1和图2所示，在本发明的一实施例中，模式切换装置300位于所述开放式测量区域内，并与第一安装件110活动连接，以在所述开放式测量区域内进行模式切换。模式切换装置300包括传动轴310、连接管320、第一光通管330和第二光通管340。连接管320的两端分别与第一光通管330和第二光通管340连通，传动轴310的一端与连接管320连通，另一端从第一安装件110穿过，与第一安装件110活动连接。
在本发明的一实施例中，传动轴310、连接管320、第一光通管330和第二光通管340内部中空，第一光通管330和第二光通管340的端部敞口，以及，连接管320、第一光通管330和第二光通管340组成H形结构。
在本发明的一实施例中，第一安装件110和第二安装件120上均设置有导气槽图中未显示。当模式切换装置300处于测量模式时，以第一光通管330和第二光通管340的端部正对第一安装件110和第二安装件120的位置作为气体喷放位置，以及多个导气槽的一端朝向气体喷放位置，另一端分别朝向对应窗口。
在本发明的一实施例中，当模式切换装置300为标定模式时，第一光通管330的两端分别对准第一窗口111和第三窗口121，第二光通管340的两端分别对准第二窗口112和第四窗口122，见图1和图2所示。当模式切换装置300为测量模式时，第一光通管330和第二光通管340的端部之间的依次连线构成的第一平面；与第一窗口111、第二窗口112、第三窗口121和第四窗口122之间的依次连线构成的第二平面垂直，见图4和图5所示。
请参阅图1至图5所示，在本发明的一实施例中，光学激发装置400包括激光收发装置410和激光反射装置420。激光收发装置410固定于第一安装件110上，激光反射装置420固定于第二安装件120上，以及，激光反射装置420发射激发光，所述激发光穿过所述开放式测量区域被激光反射装置420反射后再次穿过所述开放式测量区域被所述激光收发装置410接收。当模式切换装置300为标定模式时，激发光从模式切换装置300内穿过，激发光不与待测气体接触，当模式切换装置300为测量模式时，激发光不被模式切换装置300覆盖，激发光在所述开放式测量区域激发气体。
在本发明的一实施例中，激光收发装置410包括激发源411和探测器412。激发源411位于第一窗口111的一侧，探测器412位于第二窗口112的一侧。激光反射装置420包括第一高反射镜421和第二高反射镜422，第一高反射镜421位于第三窗口121的一侧，第二高反射镜422位于第四窗口122的一侧。激发源411发射激发光，激发光依次穿过第一窗口111和第三窗口121，被第一高反射镜421接收反射给第二高反射镜422，第二高反射镜422接收后再次反射，依次穿过第四窗口122和第一窗口111后被探测器412接收。
请参阅图1至图5所示，在本发明的一实施例中，原位在线检测装置的使用方法，包括：
将测量装置插入管道的检测口，第二安装件120、网状连接件200、部分模式切换装置300和激光反射装置420位于管道内。在本实施例中，测量装置插入的管道例如为烟道。
当需要标定时，旋转模式切换装置300，使其与激光收发装置410发射的激发光和激光反射装置420反射的激发光构成的平面重合，且激发光从模式切换装置300内穿过，覆盖激发光。
当需要测量时，旋转模式切换装置300使其与激光收发装置410发射的激发光和激光反射装置420反射的激发光构成的平面垂直。
在本发明的一实施例中，当模式切换装置300为测量模式时，此时第一光通管330和第二光通管340的端部正对气体喷放位置，第一光通管330和第二光通管340的端部之间的依次连线构成的第一平面，与第一窗口111、第二窗口112、第三窗口121和第四窗口122之间的依次连线构成的第二平面垂直，又或者说第一光通管330和第二光通管340的端部之间的依次连线构成的第一平面与激光收发装置410发射的激发光和激光反射装置420反射的激发光构成的平面垂直。光学激发装置400发射和接收激发光，管道中的待测气体通过开放式测量区域可以与激发光接触，形成测量光路，实现对管道中的待测气体的原位测量。此时通过传动轴310向第一光通管330和第二光通管340内通入洁净空气，通过第一安装件110和第二安装件120上的导气槽，将洁净空气导引到第一窗口111、第二窗口112、第三窗口121和第四窗口122上形成气帘吹扫窗口，防止管道中灰尘污染窗口。
在本发明的一实施例中，当模式切换装置300为标定模式时，第一光通管330的两端分别对准第一窗口111和第三窗口121，第二光通管340的两端分别对准第二窗口112和第四窗口122，或者说，第一光通管330和第二光通管340的端部之间的依次连线构成的第一平面与激光收发装置410发射的激发光和激光反射装置420反射的激发光构成的平面，第一光通管330和第二光通管340覆盖激发光。管道中的待测气体通过开放式测量区域，不可以与激发光接触，此时向通过传动轴310向第一光通管330和第二光通管340内通入待测气体的标准物质，标准物质从第一光通管330和第二光通管340的端部出气，因此可以在第一光通管330和第二光通管340中形成了正压，实现在不改变测量装置工作状态条件下在线原位标定。
请参阅图1至图5所示，在本发明的一实施例中，TDLAS测量的基本原理是通过对激光器注入电流和温度改变波长实现对特定分子待测气体吸收线进行测量，通过对气体吸收后的光进行光谱分析，可以准确测量出待测气体的浓度值。本发明应用TDLAS原理完成对测量装置的标定以及对待测气体的浓度测量。
其中，分析仪主机包括控制激光器的驱动和温控电路，激光器信号调制电路，光电信号处理电路、数据采集和嵌入式计算系统，这部分是构成TDLAS系统的通用部件，为现有技术。
具体的，在本实施例中，在标定模式下，第一光通管330和第二光通管340覆盖住激发光，使激发光不能和管道中的待测气体接触，再往第一光通管330和第二光通管340中充入标准气，使激发光与标准气发生吸收作用，通过探测器412获取光吸收标定电信号，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收标定电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述标准气的浓度值。以标定CO为例，如充入的标准气是10ppm，如果分析仪主机显示值为10ppm±2％(读数值)，说明检测装置的测量状态正确，则无需标定。如果分析仪主机显示值大于或小于10ppm±2％(读数值)，说明检测装置测量不准确，则需要通过检测装置软件中标定功能设置此时的显示值为标准气体的数值10ppm，即实现了激光束与标准气发生吸收作用的强度标定为了标准值。
因为TDLAS的原理决定了光谱吸收在一定范围内是线性的，所以在一定浓度范围内测量时通常采用两点标定，1、标定零点，充入氮气，待检测装置数值稳定后，通过分析仪软件中标定功能设置此时的浓度显示值为0ppm。2、标定量程，充入检测装置测量范围最大值的标准气体，待检测装置数值稳定后，通过检测装置软件中标定功能设置此时的浓度显示值为标气值。如图6所示，此时得到的标定曲线是线性的。
如果测量范围很大，可以采用多点标定，即在量程范围内选择多个标准气体充入光路，得到多个吸收光谱信号，并拟合出非线性的标定曲线，存储在计算机中，在测量状态时就可以根据吸收光谱信号的强度通过查表的方式给出正确的测量值。
在本发明的一实施例中，在测量模式下，激发光没有被第一光通管330和第二光通管340覆盖，光束可以接触管道中的待测气体，待测气体分子对激发光具有吸收作用，通过探测器412获取光吸收测量电信号，所述分析仪主机对光吸收测量电信号进行信号处理、浓度反演给出给出所述待测气体的浓度值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种原位式在线气体检测方法，其特征在于，包括原位在线检测装置和分析仪主机；
将所述原位在线检测装置插入管道的检测口，检测时，首先对所述原位在线检测装置进行标定；标定完成后，再原位通过所述原位在线检测装置进行管道内待测气体测量；
标定时，向所述原位在线检测装置内通入标准气，所述原位在线检测装置并发出激发光，使激发光与所述标准气发生气体分子吸收作用，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收标定电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述标准气的浓度值，以进行检测装置标定；
待测气体测量时，所述原位在线检测装置发出激发光，使激发光与待测气体发生吸收作用，所述分析仪主机接收所述原位在线检测装置反馈的光吸收测量电信号进行信号处理，通过浓度反演给出所述待测气体的浓度值。
2.根据权利要求1所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，所述原位在线检测装置包括第一安装件(110)、第二安装件(120)、网状连接件(200)、模式切换装置(300)和光学激发装置(400)；
网状连接件(200)的两端分别与第一安装件(110)和第二安装件(120)固接，形成开放式测量区域；
模式切换装置(300)位于所述开放式测量区域内，并与第一安装件(110)活动连接，以在所述开放式测量区域内进行标定模式和测量模式切换；
光学激发装置(400)包括激光收发装置(410)和激光反射装置(420)；激光收发装置(410)固定于第一安装件(110)上，激光反射装置(420)固定于第二安装件(120)上；以及，激光反射装置(420)反射激发光，所述激发光穿过所述开放式测量区域被激光反射装置(420)反射后再次穿过所述开放式测量区域被所述激光收发装置(410)接收。
3.根据权利要求2所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，第一安装件(110)上设置有第一窗口(111)和第二窗口(112)；第二安装件(120)上设置有第三窗口(121)和第四窗口(122)；以及第一窗口(111)和第三窗口(121)相对设置，第二窗口(112)和第四窗口(122)相对设置，且四个窗口处于同一水平高度。
4.根据权利要求3所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，模式切换装置(300)包括传动轴(310)、连接管(320)、第一光通管(330)和第二光通管(340)；连接管(320)的两端分别与第一光通管(330)和第二光通管(340)连通；传动轴(310)的一端与连接管(320)连通，另一端从第一安装件(110)穿过，与第一安装件(110)活动连接。
5.根据权利要求4所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，当模式切换装置(300)为标定模式时，第一光通管(330)的两端分别对准第一窗口(111)和第三窗口(121)，第二光通管(340)的两端分别对准第二窗口(112)和第四窗口(122)。
6.根据权利要求4所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，当模式切换装置(300)为测量模式时，第一光通管(330)和第二光通管(340)的端部之间的依次连线构成的第一平面；与第一窗口(111)、第二窗口(112)、第三窗口(121)和第四窗口(122)之间的依次连线构成的第二平面垂直。
7.根据权利要求4所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，第一安装件(110)和第二安装件(120)上均设置有导气槽；当模式切换装置(300)处于测量模式时，以第一光通管(330)和第二光通管(340)的端部正对第一安装件(110)和第二安装件(120)的位置作为气体喷放位置；以及多个导气槽的一端朝向气体喷放位置，另一端分别朝向对应窗口。
8.根据权利要求3所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，激光收发装置(410)包括激发源(411)和探测器(412)；激发源(411)位于第一窗口(111)的一侧，探测器(412)位于第二窗口(112)的一侧；激光反射装置(420)包括第一高反射镜(421)和第二高反射镜(422)；第一高反射镜(421)位于第三窗口(121)的一侧，第二高反射镜(422)位于第四窗口(122)的一侧；激发源(411)发射激发光，第一高反射镜(421)接收反射给第二高反射镜(422)，第二高反射镜(422)接收后再次反射给探测器(412)。
9.根据权利要求3所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，传动轴(310)、连接管(320)、第一光通管(330)和第二光通管(340)内部中空；以及第一光通管(330)和第二光通管(340)的端部敞口。
10.根据权利要求2所述的原位式在线气体检测方法，其特征在于，当模式切换装置(300)为测量模式时，光学激发装置(400)发射激发光，形成测量光路，同时向内模式切换装置(300)通入洁净空气，通过第一安装件(110)和第二安装件(120)上的导气槽，将洁净空气导引到第一安装件(110)和第二安装件(120)上的窗口上形成气帘吹扫所述窗口。
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| CN202410378400.XA CN118347965A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种原位式在线气体检测方法 |
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