[发明专利]基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率在线测量装置，该装置包含信号发生器(1)、激光控制器(2)、可调谐半导体激光器(3)和测量腔(12)，其特征在于，所述装置还包括光纤分束器(4)、第一准直器(5)、第二准直器(10)、装有氨气的参比池(7)、第一探测器(9)、第二探测器(14)、工控机(15)、信号输出单元(19)和烟气处理部分(20)，其中，参比池两端分别装有第一透射镜(6)和第二透射镜(8)，测量腔(12)两端分别装有第三透射镜(11)和棱镜(13)；信号发生器(1)与激光控制器(2)通过同轴电缆连接，激光控制器(2)与可调谐半导体激光器(3)通过控制电缆连接，可调谐半导体激光器(3)与光纤分束器(4)通过光纤连接，光纤分束器(4)将激光分成两束，分别传输至参比池(7)和测量腔(12)；工控机(15)内安装数据采集卡(16)、继电器控制卡(17)和模拟量输出卡(18)；信号发生器(1)、第一光电探测器(9)和第二光电探测器(14)信号由同轴电缆传输至工控机(15)内的数据采集卡(16)，工控机(15)通过USB电缆控制激光控制器(3)，并通过电缆与烟气处理部分(20)连接，该工控机将数据采集卡采集的信号处理为浓度信号然后转换成4-20mA信号传输至信号输出单元(19)，烟气处理部分(20)通过管路与测量腔(12)连接。

2.按照权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率在线测量装置，其特征在于，所述烟气处理部分(20)包含取样杆(21)、滤芯(22)、真空发生器(23)、压力传感器(24)、仪用压缩空气管路(25)、第一电磁阀(26)、第二电磁阀(27)、氨气瓶(28)、氨气调节阀(29)和烟气调节阀(30)；将取样杆(21)和测量腔(12)安装在烟道(31)内，取样杆(21)通过滤芯(22)及烟气调节阀(30)与测量腔(12)连接，真空发生器(23)与测量腔(12)连接；仪用压缩空气管路(25)分别通过第一电磁阀(26)和第二电磁阀(27)与测量腔(12)和滤芯(22)连接，氨气瓶(28)通过氨气调节阀(29)与测量腔连接；测量腔(12)安装有压力传感器(24)。

3.一种基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率在线测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将取样杆(21)和测量腔(12)安装在烟道(31)内，在真空发生器(23)的抽吸作用下，烟气由取样杆(21)经过滤芯(22)过滤后进入测量腔(12)；通过烟气调节阀(30)控制测量腔(12)压力，将压力保持在0.1-0.2atm；

2)从HITRAN光谱数据库中选择中心频率ν₀为的氨气特征吸收谱线，以可调谐半导体激光器(3)为光源，使可调谐半导体激光器(3)的输出频率稳定在谱线中心频率ν₀处，此时激光控制器对应的温度为T₀，电流为i₀；

3)将信号发生器(1)产生的高频正弦波输入激光控制器(2)，驱动可调谐半导体激光器(3)产生的激光在谱线中心频率ν₀处发生调制，同时将该高频正弦波由同轴电缆传输至工控机内的数据采集卡(16)的第一通道；

4)将被调制的激光经过光纤分束器(4)分成两束，一束激光由第一准直器(5)准直后透过装有氨气的参比池(7)的第一透射镜(6)，被氨气吸收后，透过参比池的第二透射镜(8)由第一光电探测器(9)接收后将信号传输至工控机(15)内的数据采集卡(16)的第二通道；另一束激光经过光纤由第二准直器(10)准直后，透过测量腔(12)的第三透射镜(11)，被烟气中的氨气吸收后入射至棱镜(13)，经反射后再次被烟气中的氨气吸收，透过第三透射镜(11)由第二光电探测器(14)接收后将该信号传输至工控机内的数据采集卡(16)的第三通道；

5)工控机分别通过数据采集卡(16)、继电器控制卡(17)和模拟量输出卡(18)实现数据采集及处理、控制和信号输出，软件计算流程如下：

a.首先查找谱线中心频率ν₀，将采集到的信号发生器(1)的信号进行倍频得到其四倍频信号，该四倍频信号与第一光电探测器(9)信号相乘，经过低通滤波后得到参比池四次谐波信号A1，工控机控制激光控制器改变当前电流值i，通过与其对应的参比池四次谐波信号重新确定氨气特征谱线中心频率所对应电流值，并将该电流值输出给激光控制器(2)，实时锁定谱线中心频率；

b.测量烟气信号：将所述的四倍频信号与第二光电探测器(14)信号相乘经过低通滤波后得到测量腔四次谐波信号A2；根据测量腔四次谐波信号A2确定烟气中氨逃逸率C_NH3；

C_NH3＝c*A2+d

式中，c和d为氨逃逸率C_NH3与测量腔四次谐波信号A2之间的标定系数，该系数由人工进行标定；标定时，调节氨气调节阀(29)，让已知浓度氨气进入测量腔，确定c和d；

将烟气中氨逃逸率C_NH3显示、保存并转换为4-20mA信号传输至信号输出单元(19)，完成一个烟气测量周期；

c.反吹测量腔：工控机控制第一电磁阀(26)，使仪用压缩空气(25)对测量腔进行反吹，反吹完成后关闭第一电磁阀；

d.反吹滤芯：工控机控制第二电磁阀(27)，使仪用压缩空气(25)对滤芯(21)进行反吹，反吹完成后关闭第二电磁阀；

e.重复步骤a-d，实现氨逃逸率的在线测量。

4.按照权利要求3所述的一种基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率在线测量方法，其特征在于，光纤分束器(4)分成的两束激光进入参比池与进入测量腔的光强比为1:4。