CN109813639B - 一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置，还公开了一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量方法。本发明将光散射测量光路与波长调制测量光路进行耦合，实现低浓度颗粒物与气体浓度的同步测量，该方法不需要额外考虑探测器的背景暗电流等低频噪声，有效提高了低浓度颗粒物及气体浓度测量的信噪比，具有较高的灵敏度，降低了现有颗粒物与气体浓度的检测下限，因此，本发明技术对于在具有超低排放需求的燃煤电厂中实现待测颗粒物与气体浓度同步在线监测具有重要的应用价值。

Description

一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置 及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光散射和光谱学技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置，还涉及上述基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

近年来，随着国家对于环境保护的日趋重视，以及出于保证工业生产安全高效进行的需要，准确监测颗粒物与污染物气体组分的浓度对于控制空气污染排放有着重要的意义。为方便环保部门监督管理使污染物的排放降到最低，研究制造能准确快速地测量气体浓度及颗粒物浓度的技术与设备都迫在眉睫。

目前应用于污染物气体浓度测量的方法，按照工作原理来分，主要分为非光学和光学分析法两种。非光学分析法主要有超声波技术法、气敏法、热催化法、气相色谱等，但是由于其极易受如温度、压力、湿度等环境因素的影响，很难应用于现场气体分析。光学气体浓度分析法，主要是基于光谱学的基本原理，当激光频率与气体吸收组分的跃迁频率相同时，激光能量将被吸收，通过对比入射光强与透射光强可以得到沿光路径的吸收值，进而确定气体温度和浓度等物性参数，具有无需预处理、响应快速、数据准确、多参数同时检测等优势，成为目前应用于众多领域的现场在线检测技术之一。

光谱法主要包括傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、激光光声光谱技术(PAS)、可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)等。FTIR技术主要基于迈克尔逊干涉仪原理，红外光源经准直透镜准直后发出平行光，经待测气体吸收后由望远镜系统接收，再经过干涉仪汇聚到探测器，从而得到待测气体的干涉信号，经傅里叶变换后即可得到不同浓度下气体的吸收光谱信息，从而计算出气体的浓度。但是FTIR设备比较庞大，响应速度也相对较慢，并且价格相对昂贵，因此未来还需要一定的发展。PAS技术是一种利用光声效应的气体浓度测量方法，激光二极管发射的激光速能量被待测气体吸收后转化为热能，从而使局部气体的温度产生了变化，同时引起气压的变化，产生光声波，利用声波微音器探测产生额声波并根据声波的幅值完成气体浓度的反演。但是采用共振模式极易受环境噪声的干扰，影响测量精度。TDLAS技术是基于半导体激光器的窄线宽特性的一种光谱测量方法，可以实现混合气体的多组分、多参数同时测量，其通用性非常强，测量分辨率高，选择合式的待测气体特征吸收谱线即可以测出痕量气体的浓度。

颗粒物浓度的测量方法，总体上可以分为两大类：取样法与非取样法。非取样法由其无需对待测对象进行采样，可直接对颗粒物进行测量，不会对测量对象产生扰动等优点已被广泛应用。非取样法可以分为黑度法、浊度法、光散射法等。黑度法又叫林格曼黑度法。它是基于监测人员用有不同黑色面积的玻璃片对排放颗粒物的黑度进行目测，然后与林格曼黑度(共分六级)对比后，确定被测烟尘的黑度，再按林格曼黑度级与颗粒物浓度对照表得到烟尘排放浓度，该方法依赖于监测人员的工程经验，无法准确获取颗粒物浓度。浊度法主要根据Beer-Lambert定律，透射光强与颗粒的大小和浓度相关，从而确定颗粒物的质量浓度，该方法常应用于颗粒物浓度较大的场合。光散射法基于光散射原理，当光束入射到颗粒上时，将向空间四周散射，光的各个散射参数与颗粒的浓度密切相关。光散射法由其测量灵敏度高，测量下限低等优点被广泛应用于燃煤电厂颗粒物浓度测量。

在颗粒物浓度极低时，散射光强极小，容易受到外部光源的影响，且光路抖动、机械振动以及探测器噪声均会对探测信号造成影响，从而使得信噪比不能满足测量的需求。同时，研究制造能准确快速地测量气体浓度及颗粒物浓度的技术与设备来满足现场测量需求迫在眉睫。因此，发展一种降低低频噪声，提高信噪比的颗粒物与气体浓度同步测量装置及方法尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置。

本发明还要解决的技术问题是提供上述基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的测量方法，该测量方法能够极大的提高测量信噪比，适用于低浓度颗粒物与气体的同步测量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置，依次包括信号发生模块、颗粒物与气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器(DFB)、光纤分束器和光功率放大器；颗粒物与气体测量模块包括光学标准具、伴热管带、测量池及包裹在测量池外的加热模块；信号接收模块由三个光电探测器组成；待测的颗粒物与气体通过伴热管带预热后进入测量池，加热模块使测量池维持在设定温度；函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐，分布式反馈激光器输出的激光经光纤分束器分成三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入测量池，经待测气体吸收与颗粒物散射后被光电探测器接收并转换为电信号，得到散射光强信号；一束经光学标准具后被光电探测器接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理。

其中，所述分布式反馈激光器能够持续发出稳定的红外激光，其波长根据所需测量的气体而定。

上述基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐；

步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入测量池，由光电探测器采集散射光强信号；一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号；另一束直接由光电探测器得到背景光强信号；

步骤3，由标准具信号得到时间频率响应特性υ(t)，对背景光强信号及散射光强信号进行数字锁相、低通滤波处理，得到各自的一、二次谐波信号；

步骤4，依据Beer-Lambert定律及Lorenz-Mie理论对散射光强信号的一、二次谐波进行进一步处理，根据归一化二次谐波峰高度及步骤3所得时间频率响应特性计算气体浓度值；

步骤5，由步骤3所得的时间频率响应特性及步骤4所得气体浓度值计算气体吸光度，将步骤2中所测散射光强信号扣除气体吸光度得到无气体吸收下的散射光信号，并采用步骤3中的数字锁相、低通滤波处理，得到其一次谐波信号；

步骤6，取步骤5中所得的一次谐波信号的均值作为颗粒物浓度测量的特征值，其与颗粒物浓度呈线性关系，通过标定曲线，即可得到颗粒物浓度值。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：

相对于现有的波长调制光谱技术，本发明将光散射测量光路与波长调制测量光路进行耦合，实现低浓度颗粒物与气体浓度的同步测量，该方法不需要额外考虑探测器的背景暗电流等低频噪声，有效提高了低浓度颗粒物及气体浓度测量的信噪比，具有较高的灵敏度，降低了现有颗粒物与气体浓度的检测下限，因此，本发明技术对于在具有超低排放需求的燃煤电厂中实现待测颗粒物与气体浓度同步在线监测具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的系统原理图；

图2为本发明基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

如图1所示，本发明基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置，依次包括信号发送模块1、颗粒物与气体测量模块2、信号接收模块3和信号处理模块4；信号发生模块1包括函数发生器5、激光控制器6、分布式反馈激光器(DFB)7、光纤分束器8及光功率放大器9；颗粒物与气体测量模块2包括光学标准具10、伴热管带13、测量池11及包裹在测量池11外的加热模块12；信号接收模块3由三个光电探测器15组成；待测的颗粒物与气体14通过伴热管带13预热后进入测量池11，加热模块12使测量池11维持在设定温度；函数发生器5将扫描叠加调制信号输入激光控制器6中，激光控制器6对DFB激光器7的输出波长和光强进行调谐，DFB激光器7发出的激光经光纤分束器8分成三束，一束经过光功率放大器9后由激光发射端进入测量池11，带气体吸收信号的散射光被光电探测器15接收并转换为电信号，得到散射光强信号；一束经过光学标准具10后被光电探测器15接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器15接收得到背景信号；三路信号均传输至信号处理模块4进行处理。

如图2所示，本发明基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量方法，包括如下步骤：

步骤1，函数发生器将扫描频率为f_s信号叠加调制频率f_m信号输入激光控制器中，激光控制器对DFB激光器的输出波长和光强进行调谐；

步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入通有气体与颗粒物的测量池，由光电探测器采集散射光强信号

一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号

另一束直接由光电探测器采集背景光强信号

步骤3，由标准具信号

得到时间频率响应特性υ(t)，对背景光强信号

及散射光强信号

进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波处理，得到各自对应的一、二次谐波信号：

式(1)中，

为背景光强信号

对应的一、二次谐波x分量和y分量，

分别为散射光信号

对应的一、二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器。

式(2)中，

为背景光强信号

的一、二次谐波信号，

为散射光信号

的一、二次谐波信号。

步骤4，依据Beer-Lambert定律及Lorenz-Mie理论，散射光信号与颗粒物及气体浓度之间的关系可以表示为：

式(3)中，V为待测烟气体积，θ为散射角，r为观察点与散射颗粒的距离，ρ为被测烟气中颗粒密度，X_particle为颗粒物质量浓度，i₁(θ,υ,D,n)和i₂(θ,υ,D,n)为散射强度函数，f_r(D)为粒径分布函数，D_min、D_max分别为颗粒粒径的下限和上限，n为颗粒物折射率，P为气体总压力，T为气体温度，X_gas是气体浓度，L为光程长。Φ(υ)为线型函数，S(T)为跃迁谱线的线强，

为无气体吸收及颗粒物散射影响的原始光强信号。

扣除背景光强信号

的归一化二次谐波信号

可以表示为：

归一化二次谐波信号扣除了颗粒物浓度的波动对于光强信号的影响，在谱线中心υ₀处其峰值高度

与气体浓度X_gas相关。对于实验测量信号，在温度已知的条件下，根据HITRAN2016光谱数据库仿真不同气体浓度下的归一化二次谐波峰值高度

经插值计算后得到所测气体浓度X_gas。

步骤5，由步骤3所得的时间频率响应特性υ(t)及步骤4所得气体浓度值计算气体吸光度τ(υ)：

v(υ)＝exp{-PS(T)Φ[υ(t)]X_gasL} (5)

将步骤2中所测散射光强信号

扣除气体吸光度τ(υ)得到无气体吸收下的散射光信号

将

采用步骤3中的相同参数进行数字锁相、低通滤波处理，得到其一次谐波信号

可以表示为：

式(7)中，G为探测器增益系数，i₁为光强的第一阶调制幅度。

步骤6，取步骤5中所得的一次谐波信号的均值作为颗粒物浓度测量的特征值，其与颗粒物浓度呈线性关系，通过标定曲线，即可得到颗粒物浓度值。

Claims (3)

1.一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量装置依次包括信号发生模块、颗粒物与气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器、光纤分束器和光功率放大器；颗粒物与气体测量模块包括光学标准具、伴热管带、测量池及包裹在测量池外的加热模块；信号接收模块由三个光电探测器组成；待测的颗粒物与气体通过伴热管带预热后进入测量池，加热模块使测量池维持在设定温度；函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐，分布式反馈激光器输出的激光经光纤分束器分成三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入测量池，经待测气体吸收与颗粒物散射后被光电探测器接收并转换为电信号，得到散射光强信号；一束经光学标准具后被光电探测器接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理；

上述测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1，函数发生器将扫描频率为f_s信号叠加调制频率f_m信号输入激光控制器中，激光控制器对DFB激光器的输出波长和光强进行调谐；

步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入通有气体与颗粒物的测量池，由光电探测器采集散射光强信号

一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号

另一束直接由光电探测器采集背景光强信号

步骤3，由标准具信号

得到时间频率响应特性υ(t)，对背景光强信号

及散射光强信号

进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波处理，得到各自对应的一、二次谐波信号：

步骤4，依据Beer-Lambert定律及Lorenz-Mie理论对散射光强信号的一、二次谐波进行进一步处理，根据归一化二次谐波峰高度及步骤3所得时间频率响应特性计算气体浓度值；

步骤5，由步骤3所得的时间频率响应特性υ(t)及步骤4所得气体浓度值计算气体吸光度τ(υ)：

τ(υ)＝exp{-PS(T)Φ[υ(t)]X_gasL} (5)

式(5)中，P为气体总压力，S(T)为跃迁谱线的线强，Φ[υ(t)]为线型函数，X_gas为气体浓度，L为光程长；

将步骤2中所测散射光强信号

扣除气体吸光度τ(υ)得到无气体吸收下的散射光信号

式(6)中，K为散射系数项，V为待测烟气的体积；r为观察点与散射颗粒的距离；ρ为被测烟气中颗粒物的密度；X_particle为颗粒物的质量浓度，I₀(t)为入射光线光强；

将

采用步骤3中的相同参数进行数字锁相、低通滤波处理，得到其一次谐波信号

可以表示为：

式(7)中，G为探测器增益系数，i₁为光强的第一阶调制幅度；K为散射系数项，V为待测烟气的体积；r为观察点与散射颗粒的距离；ρ为被测烟气中颗粒物的密度；X_particle为颗粒物的质量浓度，I₁为未加调制时的激光器光强；

步骤6，取步骤5中所得的一次谐波信号的均值作为颗粒物浓度测量的特征值，其与颗粒物浓度呈线性关系，通过标定曲线，即可得到颗粒物浓度值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤3中，具体计算公式为：

式(1)中，

为背景光强信号

对应的一、二次谐波x分量和y分量，

分别为散射光信号

对应的一、二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器，f_m为调制频率，t为时间；

式(2)中，

为背景光强信号

的一、二次谐波信号，

为散射光信号

的一、二次谐波信号。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤4中，依据Beer-Lambert定律及Lorenz-Mie理论，散射光强信号与颗粒物及气体浓度之间的关系可以表示为：

式(3)中，V为待测烟气体积，θ为散射角，r为观察点与散射颗粒的距离，ρ为被测烟气中颗粒密度，X_particle为颗粒物质量浓度，i₁(θ，υ，D，n)和i₂(θ，υ，D，n)为散射强度函数，f_r(D)为粒径分布函数，D_min、D_max分别为颗粒粒径的下限和上限，n为颗粒物折射率，P为气体总压力，T为气体温度，X_gas是气体浓度，L为光程长，Φ(υ)为线型函数，S(T)为跃迁谱线的线强，

为无气体吸收及颗粒物散射影响的原始光强信号，D为颗粒物粒径，υ为波数，K为散射系数项；Φ[υ(t)]为线型函数；

扣除背景光强信号

的归一化二次谐波信号

可以表示为：

式(4)中，

为背景光强信号

的一次谐波信号，

为散射光信号

的一次谐波信号，

为背景光强信号

对应的二次谐波x分量和y分量，

分别为散射光信号

对应的二次谐波x分量和y分量；

归一化二次谐波信号扣除了颗粒物浓度的波动对于光强信号的影响，在谱线中心处其峰值高度

与气体浓度X_gas相关，对于实验测量信号，在温度已知的条件下，根据HITRAN2016光谱数据库仿真不同气体浓度下的归一化二次谐波峰值高度

经插值计算后得到所测气体浓度X_gas。

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