CN1462874A

CN1462874A - 一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的方法及装置

Info

Publication number: CN1462874A
Application number: CN 03137754
Authority: CN
Inventors: 王东生; 王志鹏; 吴占松; 黄声野
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2003-12-24

Abstract

一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的方法及装置，属于烟气测量技术领域。本发明采用气体滤波相关检测方法，利用设置在调制盘上的CO气体腔和参考气体腔消除了干扰气体对烟道气中CO浓度测量结果的影响；并直接对烟道气进行测量而不需要将其引出，简化了测量系统的复杂性；同时本发明利用设置在调制盘上的四个同步孔获得的四个光电信号，经处理后能够自动消除或补偿电压波动、光源波动以及光电探测器的光电转换特性温度变化引起的测量误差，具有高精度、高稳定性的特点。本发明结构比较灵活，可以广泛应用于各种具有不同直径、不同形状烟道的燃烧设备中，便于在工业生产中推广。

Description

一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的方法及装置，属于烟气测量

技术领域。

背景技术

目前现有技术中比较先进的烟道气在线测量仪大都基于红外吸收光谱法进行测量，如文献中公开的“新型红外一氧化碳气体分析仪”(光电子激光，2002，13(2)，133～135。)和“利用红外光谱吸收原理的一氧化碳浓度测量装置研究”(光学技术，2001，27(1)，91～94。)。上述方法均利用一氧化碳气体对特定波长光能的吸收量与一氧化碳气体浓度之间的定量关系进行测量。

但是不同气体之间的特征吸收光谱带彼此有重叠，因而除目标气体外的其它气体也会吸收测量波长范围内的光能，造成测量误差，这些气体被称为干扰气体。烟道气中的气体成分复杂，干扰气体对测量结果的影响很大。上述文献中提到的仪器或装置从测量方法上无法消除由此造成的误差。现有的仪器或装置采用气泵将烟道气从烟道中采集出来，从其中滤除灰尘以及CO₂和H₂O等干扰气体后送入待测气体样品腔进行测量。此种方法得到的测量结果并不能实时反映烟道内的一氧化碳浓度，而且由于烟道气在传送过程中温度和压力都发生了改变，浓度也发生了改变，因此必须对测量结果进行额外的修正才能精确的得到烟道气内部的一氧化碳浓度。另外，测量装置中的光电探测器自身的光电探测特性随温度变化，这对测量结果产生严重的影响。

目前，国内外的研究和实践均证明，燃烧设备的烟气中，尤其是垃圾焚烧过程中会产生二次污染物，如二恶英、呋喃等对人体有害的高毒性物质，这些物质的生成与烟气中的CO浓度有关。因此，准确测量烟气中的一氧化碳浓度，并根据测量结果对垃圾焚烧过程进行反馈控制，从而有效地减少二恶英等有害物质的排放量，是值得研究的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的方法及装置，更确切地说是提供一种在烟道环境中，能够准确地在线测量烟道气体中的一氧化碳浓度的方法及装置。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的装置，它包括红外光学系统和以单片机为核心的对光电转换后的信号进行放大、滤波、A/D转换的信号处理系统，所述的光学系统含有抛物面反射镜、位于该反射镜焦点处的红外光源、依次设置在出射光光路中的调制盘、滤光片以及用于汇聚光能的抛物面反射镜和位于其焦点上的光电探测器，其特征在于：在光路中设有安装在烟道壁上的两组蓝宝石窗片以及固定在烟道另一侧其镜面互相垂直的两块平面反射镜；所述的调制盘上含有一个装有纯净一氧化碳气体的参考气体腔和一个装有纯净氮气的衰减气体腔。

本发明的技术特征还在于：在所述的调制盘上的两个气体腔所在圆周的外缘还设有四个均布的同步孔，在调制盘两侧分别设有发光二极管和光电三极管，其连线通过同步孔中心所处的圆周；调制盘转动时产生的同步脉冲信号经整形、移相、延时和电平转换电路后与单片机的控制端相连。

本发明还提供了一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的方法，该方法包括如下步骤：

(1)红外光源发出的光经抛物面反射镜后交替通过调制盘上的衰减气体腔和参考气体腔，经滤光片和设置在烟道壁上的一组蓝宝石窗片穿过烟道，再经过设置在烟道另一侧的互成直角的反射镜反射后经另一组蓝宝石窗片再次穿过烟道，然后经抛物面反射镜汇聚到光电探测器上，使其接收到有一定差值的两路光信号；

(2)在调制盘转动的一个周期以内，设置在调制盘一侧的光电三级管通过设置在调制盘上的四个同步孔，接收来自调制盘另一端的发光二极管发出的光，产生四个同步脉冲，经过整形、移相、延时和电平转换处理后生成同步信号送入单片机的控制端；

(3)经光电探测器转换后输出的两路电信号经过前置放大、程控放大和低通滤波处理后送入A/D输入端，当同步信号处于低电平时对其进行A/D采样；利用固化在单片机中的软件处理程序将调制盘转动一个周期内采样的四组数据分别进行累加，并计算相邻两组累加数据的差值；再利用两个差值与一氧化碳浓度的关系式计算得到一氧化碳的浓度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：

本发明采用了气体滤波相关检测方法，消除了干扰气体对烟道气中一氧化碳浓度测量结果的影响，因此可以直接对烟道气进行测量而不需要将其引出并经过各种过滤装置，简化了测量系统的复杂性；结构比较灵活，可以广泛应用于各种焚烧设备中不同直径不同形状的烟道，便于在工业生产中推广。测量过程具备真正的在线特性，测量结果能够真实反映当前烟道气中一氧化碳的浓度；同时本发明能够自动消除或补偿电压波动、光源波动以及光电探测器的光电转换特性随温度变化引起的测量误差，具有高精度、高稳定性的特点。

附图说明

图1为本发明测量装置的光学系统示意图。

图2为本发明中的调制盘的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为本发明的信号处理系统的结构框图。

图5为本发明中A/D采样控制过程的信号图。

图6为本发明中的A/D采样结果图。

图7是本发明的软件流程框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的测量原理、结构和最佳实施方式。

由于气体对特定光波长的红外光具有吸收作用，其吸收能量的强度与气体的浓度有关，本发明正是通过测量一氧化碳气体对其特征光波长吸收的光能的多少来测量一氧化碳浓度的。

图1为本发明提供的测量装置的光学系统示意图。测量光路由红外光源1、抛物面反射镜2、调制盘3、滤光片7、两组蓝宝石窗片8和10、两块互成直角的平面反射镜9、抛物面反射镜11和锑化铟光电探测器12组成。其中红外光源1位于抛物面反射镜2的焦点位置；调制盘3上对称装有两个气体腔，分别是充有纯净一氧化碳气体的参考气体腔4和充有纯净氮气的衰减气体腔5，两个气体腔的外形结构尺寸应完全一样，以保证调制盘的动平衡；滤光片7的光谱透光带的中心波长为一氧化碳的特征吸收波长4.65μm，透光带半宽为0.2μm，与一氧化碳的光谱吸收峰一致，即滤光片只允许透过一氧化碳能够吸收的那部分波长的光能量，这样就消除了杂散光的影响。蓝宝石窗片位于烟道壁上开的透光孔位置，它既能够保证测量光束进入烟道，又能够防止烟道12中的灰尘、水蒸气等进入测量装置内部造成污染。

在测量过程中，红外光源1发出的光能经过抛物面反射镜2反射后成平行光射出，经过调制盘3上面的参考气体腔4或者衰减气体腔5、滤光片7，然后通过第一组蓝宝石窗片8穿过烟道。光束经过两块经过校正的反射镜9反射后通过第二组蓝宝石窗片10再次经过烟道，由另一个抛物面反射镜11汇聚在位于其焦点位置的锑化铟光电探测器12上。调制盘转动一个周期的过程中，参考气体腔4和衰减气体腔5交替进入光路，这样锑化铟光电探测器12就会按照时间顺序接收到两个不同的光信号。设参考气体腔4通过光路时光电探测器接收到的光强为Ig，衰减气体腔5通过光路时光电探测器接收到的光强为Ig’。锑化铟光电探测器12将两个光信号转换成两个电信号后送入信号处理系统13进行信号处理。

气体滤波相关检测法的基本原理是，当调制盘3带动参考气体腔4移动到光路上时，因为其中充有纯净的一氧化碳，即浓度为100％，因此它准确地吸收了一氧化碳的吸收谱线上几乎所有的光能。而烟道中的一氧化碳吸收的光能几乎可以忽略，此时光电探测器12接收到的光信号与烟道中的一氧化碳气体浓度c无关。当调制盘3带动衰减气体腔5移动到光路中时，因为氮气对红外光无吸收，此时光电探测器12接收到的信号就与烟道气中的一氧化碳气体浓度有关。两个信号的差值I_g’-I_g也就与烟道气中的一氧化碳气体浓度有关。

而对于烟道气中的干扰气体，无论是参考气体腔4还是衰减气体腔5进入光路，都不影响干扰气体对自己特定吸收谱线光能的吸收，也就是说干扰气体对光能的吸收造成的两个信号的衰减大小是一样的，即不影响它们的差值。因此两个信号I_g’-I_g的差值只由烟道气中的一氧化碳气体浓度决定。这样经过气体滤波后，由于干扰气体与目标气体的吸收谱线交叠造成的误差就得到了有效的消除。

除了干扰气体以外，红外光源1出射光谱特性的变化以及滤光片7的滤光特性的变化也会对测量结果造成影响。因为除了通过的气体腔不同，I_g和I_g’都是通过同一个光路得到的，所以这些误差源对这两个光信号造成的误差与光信号的大小成正比。

综上所述，按照公式(1)计算得到的R可以消除上述种种误差，其值只与一氧化碳的浓度有关。

R = \frac{I_{g^{'}} - I_{g}}{I_{g^{'}} + I_{g}} - - - - - (1)

图2为本发明中调制盘3的结构示意图，图3为图2的A-A剖视图。调制盘3上除了结构对称的参考气体腔4和衰减气体腔5以外，在两个气体腔所在圆周的外缘还设有四个均布的同步孔14，在调制盘两侧分别设有发光二极管15和光电三极管16，其连线通过同步孔中心所处的圆周。这样当任意一个同步孔14上转动到两者的连线上时，发光二极管15发出的光经过同步孔被光电三极管16接收，产生一个同步脉冲信号。因为有四个均布同步孔14，所以在调制盘3转动的一个周期以内产生四个彼此相位差为90度的同步脉冲，

图4是本发明提供的测量装置中信号处理系统13的结构框图。锑化铟光电探测器12对接收到的光信号进行光电转换后可以得到与入射光信号对应的电信号，此信号经过前置放大、程控放大、低通滤波等处理过程后进入A/D转换器件的输入端。其中程控放大的倍数可调，放大倍数由单片机控制。光电三极管16按照前述机理产生的同步脉冲信号经过整形、移相、延时以及电平转换处理后生成同步信号送入单片机的控制端，单片机在同步信号的作用下控制A/D采样的进行。

A/D采样的控制过程如图5所示。调制盘3转动的一个周期内，锑化铟光电探测器12接收到两个光信号，调制盘3不停地转动，锑化铟光电探测器12上就会接收到一系列光信号，这些光信号经过上述的信号处理过程后成为送入A/D转换器件的信号21；而在调制盘3转动的同时，光电三极管16产生一系列的同步脉冲信号17。此信号经过整形、移相(信号18)、延时(信号19)以后，再进行电平转换(CMOS电平转换为TTL电平，幅值和波形不变)，再将其反相后的信号20作为单片机对A/D采样的控制信号。移相和延时过程的要求是：同步信号20与A/D的输入信号21同相位。

单片机用中断方式控制A/D采样，用信号21的下降沿作为一个A/D采样周期的起点，用上升沿作为一个A/D采样的终点，采样出来的信号如图6所示。其中信号22是衰减气体腔4经过光路时的A/D转换结果，对应I_g’；信号24是参考气体腔5经过光路时的A/D转换结果，对应I_g。信号23和25是锑化銦光电探测器12没有接收到光信号时的A/D转换结果。

A/D转换的结果应该与锑化銦光电探测器12接收到的光信号强度成正比。但是锑化铟光电探测器12的光电探测特性会随环境温度的变化而变化，导致在没有入射光信号的情况下，A/D转换结果也不为零，而是随温度的变化而变化。因此，当有入射光入射到锑化銦光电探测器12时，A/D转换的输出信号22和24并不正比于此时入射光信号的大小I_g和I_g’。因此在测量过程中，不但测量出有入射光时A/D转换的输出信号22和24，还能测量出没有入射光时A/D转换的输出信号23和25。因为温度漂移是比较缓慢的，所以我们可以认为在每个调制盘周期(约0.05秒)内温度漂移对于信号22～25的影响是一样的。

测量装置使用的单片机软件流程如图7所示。在调制盘3的每个转动周期中，单片机对信号22、23、34、25分别进行累加，设累加之和分别为V₁、V₂、V₃、V₄。通过两者的比较得到与入射光强度成正比的输出电压信号。如公式(2)所示：

V_g’＝V₁-V₂ V_g＝V₃-V₄ (2)

因为温度漂移造成的误差对于V₁～V₄的影响是一样的，这样经过上式的运算得到的V_g和V_g’就分别正比于入射光信号I_g和I_g’。根据公式(1)，按照下面的公式得到的V_c：

V_{c} = \frac{V_{g^{'}} - V_{g}}{V_{g^{'}} + V_{g}} - - - - - (3)

其值也只与一氧化碳的浓度c有关，两者之间的关系可以表示为：

c = - \frac{1}{β} \ln (1 - (\frac{V_{c}}{α})) - - - - - (4)

式中的系数α和β可以通过对已知浓度的一氧化碳定标拟合得到。并固化在单片机中。这样根据公式(4)就可以求得烟道气中的一氧化碳浓度。

在测量装置进行在线测量前需进行定标。在定标过程中，将定标气体腔6移动到光路中，放置在调制盘3和滤光片7之间，将反射镜9移动到烟道的同一侧放置在滤光片7之后，使得上述测量光束在经过调制盘3后先经过定标气体腔6，然后经过滤光片7后不是入射到烟道中而是直接由两块反射镜9反射到抛物面反射镜11上汇聚到光电探测器12。将定标气体腔6内充入已知浓度c的一氧化碳气体，利用测量装置对其浓度进行测量可以得到测量结果V_c，改变定标气体腔6内部的一氧化碳浓度c，就可以得到一系列的测量结果V_c。按照公式(4)对两组数据进行最小二乘拟合就可以得到α和β。定标结束后光学系统即可回复到测量状态。

本发明提供的烟道气一氧化碳浓度测量装置可以广泛应用于各种焚烧设备的烟道气一氧化碳浓度检测。在实现了对烟道气一氧化碳浓度的精确在线检测的基础上，可以利用其与焚烧设备燃烧效率的关系对燃烧过程进行反馈控制。将该装置应用于城市生活垃圾焚烧过程控制，可使焚烧过程提高燃烧效率，减少二恶英类物质的排放量。

Claims

1.一种测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的装置，它包括红外光学系统和以单片机为核心的对光电转换后的信号进行放大、滤波、A/D转换的信号处理系统，所述的光学系统含有抛物面反射镜、位于该反射镜焦点处的红外光源、依次设置在出射光光路中的调制盘、滤光片以及用于汇聚光能的抛物面反射镜和位于其焦点上的光电探测器，其特征在于：在光路中设有安装在烟道壁上的两组蓝宝石窗片以及固定在烟道另一侧其镜面互相垂直的两块平面反射镜；所述的调制盘上含有一个装有纯净一氧化碳气体的参考气体腔和一个装有纯净氮气的衰减气体腔。

2.按照权利要求1所述的测量燃烧设备烟道气中一氧化碳浓度的装置，其特征在于：在所述的调制盘上的两个气体腔所在圆周的外缘还设有四个均布的同步孔，在调制盘两侧分别设有发光二极管和光电三极管，其连线通过同步孔中心所处的圆周；调制盘转动时产生的同步脉冲信号经整形、移相、延时和电平转换电路后与单片机的控制端相连。

3.一种利用如权利要求1或2所述装置测量烟道气中一氧化碳浓度的方法，该方法包括如下步骤：

(1)红外光源发出的光经抛物面反射镜后交替通过调制盘上的衰减气体腔和参考气体腔，经滤光片和设置在烟道壁上的一组蓝宝石窗片穿过烟道，再经过设置在烟道另一侧的互成直角的反射镜反射后经另一组蓝宝石窗片再次穿过烟道，然后经抛物面反射镜汇聚到光电探测器上，使其接收到两路有一定差值的光信号；

(2)在调制盘转动的一个周期以内，设置在调制盘一侧的光电三级管通过设置在调制盘上的四个同步孔，接收来自调制盘另一端的发光二极管发出的光，产生四个同步脉冲，经过整形、移相、延时处理后生成同步信号送入单片机的控制端；

(3)经光电探测器转换后输出的两路电信号经过放大、低通滤波处理后送入A/D输入端，当同步信号处于低电平时对其进行A/D采样；利用固化在单片机中的软件处理程序将调制盘转动一个周期内采样的四组数据分别进行累加，并计算相邻两组累加数据的差值；再利用两个差值与一氧化碳浓度的关系计算得到一氧化碳的浓度。