[發(fā)明專利]一種高溫管式爐的激光傳感方法及激光傳感裝置

在審

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• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN107941751A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 祖利輝;趙文慶;陳昊;賴小明
• 申請（專利權）人: 南京科遠自動化集團股份有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙)32238
• 代理人: 陳揚,裴詠萍

技術領域

本發(fā)明涉及一種高溫爐的激光傳感方法及實現(xiàn)該方法的一種高溫管式爐激光傳感裝置，屬于激光氣體吸收光譜檢測設備技術領域。

背景技術

氣體光譜作為一種非接觸式的傳感技術，在現(xiàn)實中應用相當廣泛，它既能檢測所需環(huán)境下的氣體組分和濃度，還可以通過對檢測數據分析和算法處理，獲得檢測空間內的溫度場分布。這對一些特殊環(huán)境下的空間檢測提供了可能。特殊環(huán)境如高溫、高壓、有害氣體組分的光譜實驗研究是需要高溫密閉裝置，而高溫管式爐就是其中應用最多的一種。

實驗室內常見的管式爐裝置如安徽貝意克生產的三溫區(qū)管式爐BTF-1700C（1200C），其組成包括三段高溫加熱裝置及其控制系統(tǒng)、載氣用剛玉管（石英管）、密閉法蘭以及管堵。剛玉管（石英管）由三段式加熱裝置加熱，中空環(huán)境也隨著熱傳導將注入氣體加熱。由于加熱裝置長度有限，如BTF-1700C加熱長度為50cm，而整個管長1200cm，所以兩端溫度遞減。溫度遞減會影響絕對溫度下的譜線標定。為減輕遞減影響，管內在高溫區(qū)于變溫區(qū)中間用管堵隔斷。管外套接封閉法蘭實現(xiàn)氣體空間密閉，法蘭上有導氣管，氣體組分通過它進入管內。為實現(xiàn)激光傳感，則需要在法蘭中開窗口，在管堵上開孔。發(fā)射器和接收器位列兩邊從而實現(xiàn)系統(tǒng)搭建。

但是管式爐高溫的恒溫區(qū)短，如5BTF-1700C只有50cm，不能滿足一些需要長光程的實驗需要，如模擬現(xiàn)場3m環(huán)境，該高溫區(qū)明顯不夠長。雖然管堵較好的隔熱效果，但是開孔后該效果明顯下降。為能夠增長光程并減小溫度漸變影響，需要開發(fā)一種實驗裝置解決以上問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中的缺陷，提供了一種能夠增長恒溫區(qū)光程、同時降低變溫區(qū)影響的激光傳感方法及適于于該方法的管式爐激光傳感裝置。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種高溫管式爐的激光傳感方法，該激光傳感方法通過在高溫管式爐的兩端分別設置發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡，在高溫管式爐的變溫區(qū)沿軸線方向貫穿設置光學介質，激光信號依次通過發(fā)射端角錐棱鏡、變溫區(qū)的光學介質、恒溫區(qū)、變溫區(qū)的光學介質、接收端角錐棱鏡，然后由接收端角錐棱鏡反射后逆著上述路徑將激光信號反射回發(fā)射端角錐棱鏡，由此在發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡之間進行多次反射后由發(fā)射端角錐棱鏡將激光信號發(fā)射給接收端的激光接收裝置。

具體的，上述高溫管式爐的激光傳感方法包括以下步驟：

（1）發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡的對準調節(jié)：將發(fā)射信號設置為可見光，縱向調節(jié)接收端角錐棱鏡，使得發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡的光軸差滿足可見光信號在發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡之間進行三次反射，同時可見光光斑位置與發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡的中心點同線。

（2）反射調節(jié)：此時發(fā)射信號使用可見光或設置為激光信號，縱向調節(jié)接收端角錐棱鏡的位置，逐漸縮小發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡之間的光軸差，根據可見光信號或激光信號的有無變化，調整至可見光信號在發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡之間進行五次或七次反射。

其中高溫管式爐的爐管兩端通過法蘭密閉，法蘭上設有激光信號通過的光學窗口和待測量氣體通過的導氣管，兩端導氣管分別與高溫管式爐的爐管內部相連通。

進一步的，上述光學窗口采用具有0.5°楔角的光學玻璃；所述變溫區(qū)設置的光學介質呈雙面楔角柱狀體，楔角為0.5-3°；所述光學窗口安裝時傾斜1-3°；相鄰的光學窗口和光學介質之間、兩個光學介質之間的相鄰楔角相對設置。

本發(fā)明還提供了一種高溫管式爐的激光傳感裝置，包括接收端法蘭、發(fā)射端法蘭、發(fā)射端角錐棱鏡、接收端角錐棱鏡、激光發(fā)射裝置和激光接收裝置；所述發(fā)射端法蘭和接收端法蘭分別固定在所述高溫管式爐的爐管兩端，形成密閉的容器；所述高溫管式爐爐管的變溫區(qū)分別沿軸線方向貫穿設有光學介質；所述發(fā)射端法蘭和接收端法蘭上分別密封裝配光學窗口和導氣管，導氣管與爐管內部相連通；所述發(fā)射端角錐棱鏡固定設于發(fā)射端法蘭的光學窗口外側；所述接收端角錐棱鏡可移動地設于接收端法蘭的光學窗口外側；所述激光發(fā)射裝置、激光接收裝置分別設于發(fā)射端法蘭、接收端法蘭的光學窗口外側。

進一步的，發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡的中軸線與激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光光軸位于同一平面內；所述發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡的大小相同；當進行檢測時，所述發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡中軸線之間具有相對位差L，該相對位差L使得激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光信號在發(fā)射端角錐棱鏡和接收端角錐棱鏡之間的反射次數N為3次、5次或7次；所述反射次數N與相對位差L之間的關系式為：