[發(fā)明專利]一種煙氣中CO濃度混合取樣式在線監(jiān)測裝置及方法

有效

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• 申請日: 2019-10-25
• 公開（公告）號: CN110823833B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭志敏;周佩麗;杜艷君;丁艷軍
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N1/38;G01N1/24;G01N1/26
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種煙氣中CO濃度混合取樣式在線監(jiān)測裝置，該裝置包括信號發(fā)生模塊(1)、激光器驅(qū)動模塊(2)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)、準(zhǔn)直器(4)、赫里奧特池氣室(8)、光電探測器(6)、稀釋取樣探頭(11)、數(shù)據(jù)采集處理模塊(9)、干涉儀(5)和示波器(7)；信號發(fā)生模塊(1)與激光器驅(qū)動模塊(2)通過導(dǎo)線連接，激光器驅(qū)動模塊(2)與可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)通過導(dǎo)線連接；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)與準(zhǔn)直器(4)通過光纖連接；稀釋取樣探頭(11)與赫里奧特池氣室(8)通過抽氣裝置(12)和管路連接；所述稀釋取樣探頭(11)分別安裝于煙道(10)的不同區(qū)域內(nèi)；光電探測器(6)與數(shù)據(jù)采集處理模塊(9)通過同軸電纜連接；光電探測器(6)與示波器(7)通過同軸電纜連接。

2.采用如權(quán)利要求1所述裝置的一種煙氣中CO濃度混合取樣式在線監(jiān)測方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)將煙道分區(qū)，在每個區(qū)域中心位置安裝稀釋取樣探頭(11)，采用干燥的壓縮空氣對煙氣進(jìn)行稀釋，在抽氣裝置(12)作用下，各路煙氣混合后進(jìn)入赫里奧特池氣室(8)；

2)對可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并計算諧波比值和濃度的關(guān)系曲線：

a)選用中心頻率為v₀的CO特征吸收譜線，以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)為光源，調(diào)節(jié)激光器驅(qū)動模塊(2)的設(shè)置溫度及電流，調(diào)節(jié)信號發(fā)生模塊(1)的頻率和幅度，使可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)在中心頻率v₀處發(fā)生高頻調(diào)制；

b)將經(jīng)過高頻調(diào)制后的激光經(jīng)過準(zhǔn)直器(4)后進(jìn)入干涉儀(5)，干涉信號由光電探測器(6)接收，輸入示波器(7)進(jìn)行顯示和采集；

c)將經(jīng)過高頻調(diào)制后的激光經(jīng)過準(zhǔn)直器(4)后，原始光強(qiáng)信號I₀由光電探測器(6)接收，再輸入示波器(7)進(jìn)行顯示和采集，采用下式對干涉信號和原始光強(qiáng)信號進(jìn)行擬合，得到頻率調(diào)制和光強(qiáng)調(diào)制的相位差φ、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)的電流調(diào)諧系數(shù)ε和光強(qiáng)線性調(diào)制系數(shù)i；

式中，v為激光瞬時頻率；ω為高頻調(diào)制頻率；a為頻率調(diào)制幅度，a＝εA，A為調(diào)制電流幅度；I₀為原始光強(qiáng)信號；為譜線中心頻率處光強(qiáng)；

根據(jù)朗伯比爾定律可知，經(jīng)過氣體吸收后的透射光強(qiáng)信號I_t與原始光強(qiáng)信號I₀之間滿足下式：

式中：τ(v)為激光透過率函數(shù)；α(v)為激光吸收率函數(shù)；P為氣體壓力；S(T)為譜線強(qiáng)度；x為氣體濃度；L為吸收路徑長度；為線型函數(shù)；H_k為激光透過率函數(shù)的傅里葉系數(shù)，其表達(dá)式為：

對透射光強(qiáng)信號I_t進(jìn)行諧波檢測，X軸參考信號V_x和Y軸參考信號V_y表達(dá)式為：

式中：R為參考信號幅值；β為參考信號初始相位；

根據(jù)鎖相檢測原理，可得到對透射光強(qiáng)信號I_t一次諧波X軸信號X_1f和Y軸信號Y_1f表達(dá)式為：

式中G為光電放大倍數(shù)，一次諧波S_1f幅值為：

四次諧波S_4f表達(dá)式為：

d)將頻率調(diào)制幅度a和步驟c)中標(biāo)定的頻率調(diào)制和光強(qiáng)調(diào)制的相位差φ及光強(qiáng)線性調(diào)制系數(shù)i帶入下式，計算出在固定壓力、光程、溫度下的CO濃度與四次諧波S_4f和一次諧波S_1f比值間關(guān)系曲線；

3)按照步驟2)中標(biāo)定的電流調(diào)諧系數(shù)ε和確定的調(diào)制幅度a及公式a＝εA，調(diào)節(jié)信號發(fā)生模塊(1)產(chǎn)生的調(diào)制電流幅度A，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(3)發(fā)出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直器(4)準(zhǔn)直后進(jìn)入赫里奧特池氣室(8)，在氣室內(nèi)多次反射被氣體吸收后被光電探測器(6)接收，并傳輸至數(shù)據(jù)采集處理模塊(9)；

4)數(shù)據(jù)采集處理模塊(9)對光電探測器(6)信號進(jìn)行諧波檢測，得到透射光強(qiáng)信號I_t的四次諧波S_4f和一次諧波S_1f及其比值S_4f/S_1f，并根據(jù)公式(8)計算得到的諧波比值與濃度曲線，測得煙氣中CO濃度。

3.如權(quán)利要求2所述的一種煙氣中CO濃度混合取樣式在線監(jiān)測方法，其特征在于，步驟1)中所述煙道分區(qū)是沿?zé)煔饨孛娣较驅(qū)煹婪譃橹辽?個區(qū)域。