气体浊度和含尘浓度的在线监测方法及其监测仪

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本发明属于测量领域，具体涉及一种用半导体激光二极管作光源，对各种气 体的浊度或所含粉尘浓度进行实时在线监测的方法及其监测仪。
目前，国内外测量气体含尘量的方法，大体分为两大类：沉降法和非沉降法。 沉降法虽然具有直接测量气体中粉尘的质量浓度的优点，但由于它不能自动、 连续测量，尤其无法实现污染源的在线监测，且操作繁所，测量误差大，已远不适 应当前环境污染的监测要求。非沉降法监测手段，近年来发展较块，在非沉降法 中利用光学原理的制造的无接触在线监测仪在国外已广泛使用。此类仪器的监 测方法主要分为光透射法和光散射法两种，国内外诸多此类仪器的结构特点各 不相同，为了克服影响测量误差的诸多因素，提高监测精度所采取的技术措施的 水平和效果互不一样，综合起来看，此类现有的商品化仪器均有待进一步完善， 有的存在着明显的不足或缺陷，例如，如何有效地消除由于窗面积灰污染造成的 测量误差，这是国内外同类仪器普遍存在的问题，也是影响该类仪器测量准确度 的关键问题之一。如德国的DURAG公司生产的D--R216浊度仪，虽然在测量系 统中加入了鼓风机，对窗面进行鼓风隔离，但杜绝不了窗面的漫积灰污染，使用 中仍存在由此造成的测量误差。如美国生产的M400型和DYNATRON1100型浊度仪， 虽增加了窗面状态探测器，由于探测器光敏面的污染，没有采取措施克服，也不 可能有效地实现对测量误差进行自动补偿。如内蒙古电力试验研究所的JFN-2 型粉尘浓度计，以He-Ne激光器作光源，采用双光源、单光程对测系统，可自动补 偿光源、电压波动及电子元器件性能变化引起的误差，但窗面污染造成的误差 无法补偿，且不适合振动较大的场合，再者，用He-Ne激光器作光源寿命较短。
本发明的目的是提供一种集先进的激光技术、光纤技术、锁相技术和微机 技术为一体，能自动补偿由于窗面积灰、电源电压和光源强度波动、探测器及 电子元器件性能变化、烟道振动和变形以及烟气端流效应引起的光束漂移和扩 斑等多种因素造成的误差，实时监测气体浊度和含尘浓度的在线监测方法及其 监测仪。
该气体浊度和含尘浓度的在线监测方法为发射端和接收端分别置于被测气 体的两侧，在发射端将来自激光器的单一光束调制成所需频率的交变光，该交变 光通过第一析光镜被分成两束光，这两束光在切光盘的作用下交替地入射到第 二析光镜，被分成四束光即两束反射光和两束透射光，其中两束反射光经会聚透 镜会聚，交替地入射到发射端的同一光电转换器上，作为基准光分别记作I0和 I0′，两束透射光中的一束穿过被测气体作为测量光，另一束经光纤耦合器传输 作为参考光，测量光和参考光经接收端的会聚透镜交替地入射到接收端的同一 光电转换器上分别记作Ir和Ir′，使透射到光电转换器上的光强按相同周期出现 由小到大和由大到小的变化，经模拟信号处理后形成一定宽度的矩形波，由数据 处理系统根据朗伯——比尔定律计算出被测气体的透过率T＝(Ir/I0)·(I0′/Ir′ )·K＝e-α·c·L，进而计算出被测气体的浊度为Q＝1-T，被测气体的含尘浓度 为C＝Ln(1/T)/α·L(式中：α——被测气体的衰减系数，L——测量光在被测气 体中通过的光程，K——传输光纤的耦合系数)。
该在线监测仪包括光路和光电转换系统、空气净化系统、模拟信号处理系 统、数据处理系统，光路和光电转换系统包括激光器1，光路的发射端2、光路的 接收端7，光电转换器4、8，光纤耦合器5、6，传输光纤25，空气净化系统包括空 气净化室10、11，空气滤清器12、13，模拟信号处理系统包括前置放大器3、9， 电源14，接线合15，模拟信号处理单元16，数据处理系统包括A/D转换器17，数据 处理单元18，数码显示器19，微型打印机20，模拟量指示器21，模拟量输出22，声、 光报警装置23组成，其净化室10、11对称放置在被测气体的两侧分别与空气滤 清器12、13联接，激光器1发出的光束进入光路系统的发射端2，光路系统的发射 端2发出的光信号一部分经净化室10、被测气体、净化室11射向光路系统的接 收端7，一部分经光纤耦合器5、光纤25、光纤耦合器6传输射向光路系统的接收 端7，其光信号交替地进入光电转换器8，光电转换器8输出的交流电信号进入前 置放大器9，一部分直接经光电转换器4输出，其电信号进入前置放大器3，前置放 大器3、9输出的信号分别经接线盒15与模拟信号处理器16联接，模拟信号的输 出端经A/D转换器17进入数据处理单元进行数据处理并显示和打印测量结果。
光路发射端2包括平面全反镜27、30、33、34、第一析光镜29、第二析光镜 36、会聚透镜35、调制盘28、切光盘32、保护窗片37，光路接收端包括保护窗 片38、会聚透镜39，由激光器1发射出的光经全反镜27反射，反射光经调制盘28、 第一析光镜29分成透射光和反射光，其中透射光经反射镜30和切光盘32射向第 二析光镜36，一部分为透射光记作Ir，一部分为反射光记作Io，透射光经发射端 保护窗片37穿透被测气体进入接收端，经接收端保护窗片38和会聚透镜39入射 到光电转换器8上，反射光经会聚透镜35入射到光电转换器4上，来自第一析光镜 29的反射光经切光盘32、全反镜34、33射向第二析光镜36，一部分为透射光记 作Ir′，一部分为反射光Io′，透射光经保护窗片37进入光纤耦合器5经光缆25传 输到接收端再经接收端的光纤耦合器6、保护窗片38和会聚透镜39入射到光电 转换器8上，反射光经会聚透镜35入射到光电转换器4上，光电转换器4与前置放 大器3联接，光电转换器8与前置放大器9联接，在切光盘上开有一个小孔，与光电 耦合器装配定位。
它的模拟信号处理单元由交流放大器AC1、相敏检波器PSD1、低通滤波器 LPF1、直流放大器DC1组成锁相放大通道，交流放大器AC2、相敏放大器PSD2、 低通滤波器LPF2、直流放大器DC2组成同步解调通道，移相器一端接在交流放大 器AC2与相敏放大器PSD2之间，另一端与相敏放大器PSD1联接。
光纤耦合器的头部加装防尘套筒40。其激光器采用半导体激光器作为系统 光源。
该监测方法及其监测仪具有以下优点：
1.由于在收、发两端的保护窗片之间跨接一根光纤，对一束参考光进行耦 合传输，构成单光源、单光程、双光束测量系统，实现了相关测量，有效的克服 了窗面积灰所造成的测量误差，提高了测量精度。
实现相关测量原理及求值公式如下：
把系统中的光路分成如图5所示的L1、L2、L3三段，设测量光和参考光各分 段处的光强分别为I0、Ir1、Ir2、Ir3和I0′、Ir1′、Ir2′、Ir3′，根据朗伯— —比尔定律，各光程段的透光率分别表示为：
测量光路：T1＝Ir1/I0＝e-β1·L1
          T2＝Ir2/Ir1＝e-β2·L2
          T3＝Ir3/Ir2＝e-β3·L3
参考光路：T1′＝Ir1′/I0′＝e-β1′·L1′
          T2′＝Ir2′/Ir1′＝e-β2′·L2′
          T3′＝Ir3′/Ir2′＝e-β3′·L3′
两光路的总透过率分别为：
T＝T1·T2·T3＝Ir3/I0
 ＝e-β1·L1·e-β2·L2·e-β3·L3                (1)
T′＝T1′·T2′·T3′＝Ir3′/I0′
   ＝e-β1′·L1′·e-β2′·L2′·e-β3′·L3′  (2) 两束光经过L1、L3两段光程所造成的衰减是来自窗片和窗片上的积灰及透镜35、 39。而窗片是等厚的，窗片上的积灰是由无规刷的飞灰漫污染造成，积灰分布可 看作是均匀的，两束光在透镜的入射点调到等厚位置，在这两段光程上除窗片暴 露在外，其余部分均处在仪器的密封空间，对光衰减无作用，所以：
β1·L1＝β1′·L1′，β3·L3＝β3′·L3′，
因此(1)/(2)为：
(Ir3·I0′)/(I0·Ir3′)＝e-β2·L2/e-β2′·L2′
式中β2′·L2′为已知数，故e-β2′·L2′为一常数以K表示，称为传输光纤的 耦合系数，即： 烟气的浊度为Q＝1-T烟 $=1-\frac{\mathrm{Ir}3·I{O}^{\prime }}{\mathrm{Ir}{3}^{\prime }·\mathrm{IO}}·K----\left(4\right)$ 式(3)中β2＝α·C，α-单位浓度的烟气在单位长度上对光的衰减系数
                C-烟气的质量浓度 即： $e^{-\alpha ·C·L2}=\frac{\mathrm{Ir}3·I{O}^{\prime }}{\mathrm{IO}·\mathrm{Ir}{3}^{\prime }}·K$ 该式两边取对数变换得出烟气的质量浓度表达式为： (式(5)中α的大小取决于含尘微粒的特性，而其特性又取决于煤种、锅炉和除 尘器的工况等。对于单一煤种或参比固定的混合煤，在锅炉及除尘器工况基本 稳定的前提下，α可视为一常数，其值通过标定求出)，由上述求值公式推导的结 果看出实现双光路相关测量，可自动消除窗面污染造成的测量误差，同时也大大 减少了仪器的维护次数。
2.由于窗片的外侧面与光纤耦合镜处于同一空间，对含尘气体而言都是暴 露的，故对窗面污染的同时光纤耦合头同样受到污染，因此在光纤耦合头的前部 加装一半封闭防尘套筒，筒长与内径按一定比例设计，有效地克服了光纤耦合头 的积灰污染问题，保证了相关测量的效果及准确度。
3.由于采用半导体激光器，光束的发散度小，光强集中，有利于光电转换器 全接收，并且耗电低，发热量小，寿命长。光路系统设计成收、发分置的单程结 构，易于保证全接收从而提高监测精度，同时对光源的输出功率和发散度要求较 低，便于安装、调整、维修。
4.光路中采用同步电机带动切光盘，使测量光束和参考光束自动切换、相 继输出，实现了两光路信号合用一个光电转换器和同一个信号处理系统，经归一 化处理，有效的克服了由于光电转换器性能的变化，电子元件的老化、温漂，电 源电压及光源波动等造成的测量误差。
5.接收端的会聚透镜设计成足够大，保证光线全接收，有效地克服了由于烟 道振动、形变以及烟气端流效应引起的光束扩斑和漂移等因素造成的测量误差。
6.由于测量光束和参考光束交替的进入和脱开切光盘的测量区和阻扫区， 使透射到光电转换器上的光强按相同周期出现由小到大和由大到小的变化，由 此产生的大小交替变化的电信号经锁相放大器处理时，由于低通滤波器的时间 常数的影响，使输出波形形成一定宽度的前后沿，为避免计算机采集数据时，在 沿上取样造成误差，在切光盘的一定位置上开有一个通孔，与光电耦合器装配定 位，切光盘每转一周就给出一个同步采集信号，确保同步数据采集的准确度，避 免了由于切光盘驱动电机转速不稳造成的积累误差，提高了测量精度。
7.利用烟道负压，装置中省去了鼓风机，用空气滤清器，靠烟道内外压差，形 成自然吸风隔离，保护窗片，免受烟气污染，进风量的大小由装在空气滤清器进 口处的风门调节。
8.该仪器采用单频锁相放大器进行模拟信号处理，大大提高了仪器的监测 灵敏度和分辨力。
9.采用8098单片机进行数据处理和控制，提高了仪器的性能价格比。
10.该仪器能适应灰(粉)尘、振动、高温等恶劣现场的工作环境，可广泛应 用于火电厂、冶金、化工、水泥、纺织等工业部门的烟气浊度、浓度或环境空 气含尘量的连续监测。也可根据用护要求做成便携式，进行巡回测量。因此，该 仪器是污染源在线监测或巡回检测的理想仪器，也是与中央处理机配接构成闭 环控制系统，实现除尘节能的关键设备。另外，采取一定措施，该仪器还可安装 在各种工业锅炉除尘器入口处的烟道壁上，一方面实现了除尘效率的实时连续 测量，又可实现对锅炉运行工况的连续监测和提供锅炉燃烧自动调整的反馈信 号。
结合下列附图对本发明作进一步说明：
图1为本监测仪的结构框图
图2为监测仪的光路和光电转换系统图
图3为光信号波形图
图4为光纤耦合器示意图
图5为单光程双光束测量系统示意图
图6为模拟信号处理单元结构框图
图7为模拟信号处理单元输出波形图
图8为计算机主程序框图
图9为计算机子程序框图
图10为二次仪表的前面板示意图
图11为二次仪表的后面板示意图
图12为数据处理器结构框图
图中：
1--光器                   2--光路发射端
7--光路接收端             4、8--光电转换器
5、6--光纤耦合器          10、11--空气净化室
12、13--空气滤清器        3、9--前置放大器
14--电源                  15--接线合
16--模拟信号处理单元      17--A/D转换器
18-数据处理单元           19--数码显示器
20--微型打印机            21--模拟量指示器
22--模拟量输出(0～5V)     23--声、光报警装置
24--联接法兰              25--传输光纤
26--烟道壁                27、30、33、34--平面全反镜
29--第一析光镜                       36--第二析光镜
35、39--会聚透镜                     28--调制盘
32--切光盘                           37、38--保护窗片
31--光电耦合器                       40--防尘套筒
41--光纤耦合头                       42--传输光缆
AC1、AC2--交流放大器                 DC1、DC2--直流放大器
PSD1、PSD2-相敏检波器                LPF1、LPF2--低通滤波器
--移相器
--交流电压测量信号            --交流电压参考信号
Vr、 Vr′--直流电压测量信号          Vo、 Vo′--直流电压参考信号
52--浊度值指示灯                      53--浓度值指示灯
54--电压表                            55--电流表
56--16位数字键                        57--四位功能键
58--电源开关                          59--电压指示转换开关
60--功能选择开关                      62--报警指示灯
63--同步采集指示灯                    64--电源插座
65--保险丝管座                        67--输入接口(连一次仪表)
70--同步采集电路                      71--整形电路
72--8098单片机                        73-/IO接口(1)
74--功率放大器                        75--存储器
76--I/O接口(2)                        77--光电隔离器
图1中虚线框I为监测仪的发射端，虚线框II为监测仪的接收端，虚线框III 为监测仪的二次仪表，在被测烟气通道的直管段上两对测各开一个小孔，此孔开 在被测烟气通道的中心部位，要求测孔前的直管段大于测孔后的直管段，将事先 加工好的两只法兰盘分别焊接在小孔上，然后与空气滤清器及仪器测量头的发 射端和接收端依次联接，在两法兰之间的不同方位上垫加金属薄片一次性调节 好测量头的方位，使光路对准，将配有金属软管保护的光纤环绕并垂直烟道走线， 光纤两端分别联接在发射端和接收端上，根据烟道内负压的大小，调节空气滤清 气的风门开度，接好供电电源、接线盒、二次仪表，供电电源为交流220V。
图2中左边虚线框内为光路系统的发射端，右边虚线框内为光路系统的接收 端，光路中采用每秒1转的同步电机带动切光盘，使测量光束和参考光束自动切 换、相继输出，实现了两光路合用一个探测器和同一个信号处理系统。
图3中示出了A～H8个点的光信号波形图，其中IA波形图为采用半导体激光 器1发出的光信号波形图，IB波形图为经过调制盘28调制后的光信号波形图，IC、 ID、IE、IF波形图为经过切光盘后的波形图，IG为光信号在探测器9上的波形图 ，IH为光信号在探测器3上的波形图。
图4示出了光纤耦合器示意图，在光纤耦合头的前部加装一半封闭的防尘套 筒，筒长与内径按一定比例设计。
图5示出了单光程双光束测量系统示意图，参照此图推导出了本监测仪的相 关求值公式。
图6由交流放大器ACI、相敏检波器PSD1、低通滤波器LPF1、直流放大器 DC1组成锁相放大通道，交流放大器AC2、相敏放大器PSD2、低通滤波器LPF2、 直流放大器DC2组成同步解调通道，移相器一端接在交流放大器AC2与相敏放大 器PSD2之间，另一端与相敏放大器PSD1联接。交流放大器AC、相敏放大器PSD、 低通滤波器LPF、直流放大器DC均为常规电路。
图7示出了模拟信号处理器输出波形图，由光电耦合器通过切光盘的小孔1 秒钟产生一个脉冲其幅值记作Vs，作为计算机的外部中断信号使计算机开始同 步采集电压信号Vr、Vo、Vr′、Vo′并进行A/D转换。
图10中57为4个功能键，包括复位键Peset、上翻键Last、下翻键Next、执 行键Exec，60为功能选择键，共有0～9十个状态，0为静态调试时光纤耦合系数的 运算，1为浊度运算，2为浓度运算，其它状态备用。
图12示出了数据处理系统结构框图，由光路系统中的光电耦合器通过切光 盘的小孔1秒钟产生1个脉冲信号，经同步采集电路70、整形电路71与单片机连 接，1秒钟给单片机一个脉冲信号Vs，同时由锁相放大通道、同步解调通道输出 的电压信号Vo、Vo′、Vr、Vr′进入单片机的A/D转换通道，由单片机根据采集的 数据进行运算。
仪器安装好后，首先打开测量头的电源由半导体激光器1发出的一束波长为 670nm、近光斑直径为5的平行光，经全反镜27射向调制盘28被调制成1KHZ的 交变光，此交变光经析光镜29，将一束光分成两束(透射光和反射光)，分束比为4∶ 1，透射光经全反镜30和切光盘32射向分束比为9∶1的析光镜36，将10％的光强经 会聚透镜35入射到探测器(硅光电池)4上，将另一部分光强经发射端保护窗片37 穿透被测烟道气体进入接收端，经接收端保护窗片38和会聚透镜39入射到探测 器8上。来自析光镜29的一束反射光经切光盘32、全反镜34、33射向析光镜36， 将10％的反射光经会聚透镜35入射到探测器4上，而另一部分透射光经保护窗片 37进入耦合头5，经光缆25传输到接收端的光纤耦合头6，再经接收端的保护窗片 38和会聚透镜39入射到探测器8上。
入射到探测器4上的光信号记作Io和Io′，入射到探测器8上的光信号记作Ir 和Ir′，这四个信号经探测器转换后成相应的四个电压信号记作Vo、Vo′、Vr、 Vr′，分别经前置放大器3、9放大后经传输电缆传输到二次仪表的同步解调通道 和锁相放大通道。
二次仪表的电源58打开后，首先通过数字键56设定工作日期，打印时间(多 长时间打印一次)，判断年月日设置正确否，设置完成后，显示器恢复初始状态， 6位数码管显示器51显示00.0000，程序循环等待响应外部中断，计算机1秒钟开 一次中断，运行外部中断子程序，将进行模拟信号处理后的电压信号进行A/D转 换，由8098单片机根据不同的功能选择进行相应的函数运算，操作功能键60选择 0时为静态调试时光纤耦合系数的运算，选择1时为浊度运算，浊度指示灯52亮， 选择2时为浓度运算，浓度指示灯53亮，连续测量结果由数码管显示、表头指示 和打印记录。若浊度值或浓度值超过规定值时进行声、光报警。调节电压指示 转换开关59可检查二次仪表的各工作电压。