專利名稱：多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量裝置。更具體 地說，本實用新型涉及利用多源層析成像技術(shù)同時重建煙氣濃度、顆粒濃度和溫 度分布的測量裝置。
背景技術(shù)：
大氣污染大部分來源于能源、電力、化工、冶金、紡織、制藥、垃圾焚燒等 各種工業(yè)過程在化學(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生的各種煙氣，這些煙氣含有大量的對人體有害的 顆粒和氣態(tài)物質(zhì)，必須對其排放量進行嚴格控制。因此，煙氣在線動態(tài)測量對環(huán) 境保護和污染控制具有重要的意義。
傳統(tǒng)的煙氣測量裝置，如利用化學(xué)發(fā)光原理或熱導(dǎo)式的煙氣測試儀，需要對 煙氣進行取樣，無法實現(xiàn)對過程中的煙氣進行在線實時測量的要求。因此，采用 光學(xué)的、非接觸式的方法進行煙氣的測量，從而實現(xiàn)對污染物的監(jiān)測和對生成過 程進行控制，是燃燒測試領(lǐng)域研究的難點和熱點。九十年代后，由于光信息技術(shù) 的迅猛發(fā)展， 一些關(guān)鍵元器件如半導(dǎo)體激光器和光纖元件發(fā)展迅速，性能大大提 高，價格大幅下降。室溫工作、長壽命、單模特性和較寬波長調(diào)諧范圍的半導(dǎo)體 激光器可從商業(yè)渠道獲得，并且一些高靈敏度的光譜技術(shù)也逐漸成熟，可調(diào)諧半
導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable diode laser absorption spectroscopy)開始被較多 地應(yīng)用于科學(xué)和工程研究。半導(dǎo)體激光器發(fā)射出"窄線寬"的特定波長的激光束穿 過被測煙氣時，被測煙氣對激光束進行吸收導(dǎo)致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度的 衰減與被測煙氣和顆粒含量成正比，因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分 析獲得被測介質(zhì)的濃度和溫度信息。
目前的測量大都在單一光路上進行，只能獲得某個位置或者單一光路中的煙 氣濃度、顆粒濃度和溫度，無法了解在煙道截面上的分布情況，且測量的實時性 不高。隨著在計算機斷層成像技術(shù)(Computed Tomography)在醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)
無損探測領(lǐng)域中的大量廣泛應(yīng)用，使得利用光學(xué)技術(shù)重建煙道內(nèi)的煙氣濃度、顆 粒濃度和溫度分布成為了可能，通過對被測物體進行多源多方向投影，利用其在 不同角度得到的投影值來實現(xiàn)對于被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建。目前，這方面的測 量裝置還未見報道。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用多源層析成像 技術(shù)同時重建煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。 一種多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的裝置，包括依次連接的
信號發(fā)生器、激光源和光纖分路器，還包括設(shè)于均勻布置在煙道出口一側(cè)180° 范圍內(nèi)的若干旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)置光纖準直器和光電探測器，煙道出口另一側(cè) 對應(yīng)設(shè)置反射鏡；旋轉(zhuǎn)臺與旋轉(zhuǎn)臺控制器相連，光纖分路器和光電探測器分別通 過信號線與計算機連接。
作為一種改進，所述光纖準直器與光電探測器同軸固定安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，軸 線為旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心軸線，旋轉(zhuǎn)臺與煙道的橫截面平行。
作為進一步改進，所述旋轉(zhuǎn)臺為電動旋轉(zhuǎn)臺。
作為進一步改進，所述反射鏡為鍍膜柱面反射鏡。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是-
(1) 使用本實用新型的測量裝置，可調(diào)諧激光分別掃描的顆粒和煙氣影響 區(qū)域，煙氣和顆粒的測量互不干擾；
(2) 通過布置多組數(shù)據(jù)發(fā)射和接收單元，同時重建煙氣、顆粒濃度和溫度 在斷面的分布，通過測量斷面沿?zé)煹垒S向方向移動，實現(xiàn)三維重建；
(3) 使用本實用新型的測量裝置，斷面場參數(shù)測量時間短(<100ms)，可 以真實準確的反映出在燃燒過程中的動態(tài)變化；
(4) 通過增加或者更換激光二極管，可以對煙氣中各種不同的組份(如 02， H20， CO， C02， NO， N02， NH3， HF， H2S和CIi(等)進行測量，具有 較大的靈活性，并且在近紅外的激光二極管價格較為便宜，測量成本較低。


圖1為本實用新型中測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實用新型中單組測量單元的布置附圖標(biāo)記為l信號發(fā)生器；2激光源；3光纖分路器；4旋轉(zhuǎn)臺；5光纖準 直器；6光電探測器；7旋轉(zhuǎn)臺控制器；8反射鏡；9煙道；10計算機
具體實施方式
參考附圖，下面將對本實用新型進行詳細描述。
本實用新型中，多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的裝置，包括 依次連接的信號發(fā)生器1、激光源2和光纖分路器3，還包括設(shè)于均勻布置在煙 道9出口一側(cè)180。范圍內(nèi)的若干電動旋轉(zhuǎn)臺4，電動旋轉(zhuǎn)臺4上設(shè)置光纖準直器 5和光電探測器6，光纖準直器與光電探測器同軸固定安裝在電動旋轉(zhuǎn)臺上，軸 線為電動旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心軸線，電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道的橫截面平行。煙道9出口 另一側(cè)對應(yīng)設(shè)置鍍膜柱面反射鏡8;電動旋轉(zhuǎn)臺4與旋轉(zhuǎn)臺控制器7相連，光纖 分路器3和光電探測器6分別通過信號線與計算機10連接。
利用上述多源層析激光測量煙氣濃度、顆粒濃度和溫度分布的裝置測量煙氣 濃度、顆粒濃度和溫度分布的具體步驟為
(1) 利用信號發(fā)生器1驅(qū)動可調(diào)諧激光源2，使之發(fā)射出波長周期性變化 的激光束，連接入光纖分路器3，將其能量均勻等分為五份后，光纖輸出至各個 電動旋轉(zhuǎn)臺4的位置，并利用光纖準直器5進行光束準直，從而作為每組測量單 元的發(fā)射光源；在光纖準直器5的下側(cè)同軸放置一光電探測器6，用于接收激光 信號來進行計算；
(2) 在煙道9的外圍均勻布置五個電動旋轉(zhuǎn)平臺4，通過利用旋轉(zhuǎn)臺控制 器7并行控制，使得這五組電動旋轉(zhuǎn)平臺4同時啟動停止和同速度旋轉(zhuǎn)。電動旋 轉(zhuǎn)臺4在一定角度內(nèi)帶動發(fā)射光源進行旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對于對于測量測量的掃 描，其旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)實際煙道大小而定；
(3) 在每組電動旋轉(zhuǎn)臺4的對面放置一調(diào)整好的鍍膜柱面反射鏡8，從光 纖準直器5射出的光束通過被測煙氣吸收后，落在鍍膜柱面反射鏡8上而再次反 射穿越被測煙氣后返回測量單元的光電探測器6。由于光纖準直器5和光電探測 器6均放置在鍍膜柱面反射鏡8的曲率中心處，因此在電動旋轉(zhuǎn)臺4的掃描過程 中，由鍍膜柱面反射鏡8反射回的光束將落在光電探測器6的耙面上；
(4)根據(jù)光電探測器6在旋轉(zhuǎn)過程中得到的激光強度信號來作為投影數(shù)據(jù)。
根據(jù)Beer-Lambert定律
<formula>formula see original document page 6</formula> (5)
尸[atm]為氣體的總壓；￡ [cm]為激光在氣體中傳播的距離；X為氣體的體積濃 度；-(v)為線型函數(shù)，它表示了被測吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力和氣體中 的各成分含量有關(guān)；并且滿足
<formula>formula see original document page 6</formula> (6)
S(r)[cn^atm"]為該譜線的線強度，它表示該譜線的吸收強度，只與溫度有關(guān)， 其值可以利用下式來進行計算
<formula>formula see original document page 6</formula> ' 其中K為參考溫度，g為總的分子內(nèi)部分割函數(shù)；i/為低躍遷態(tài)的能量；、為 躍遷頻率；/z為普朗克常數(shù)，A為波爾茲曼常數(shù)，c為光速。在溫度低于 2500K，波長小于2.5iim的情況下，最后一項可以被忽略。
由于線型函數(shù)在整個頻域范圍內(nèi)的積分為常數(shù)l，因此式(5)可重新表示
為
<formula>formula see original document page 6</formula> ( 1 )
式中乂為測量計算得到的光譜吸收率積分值，該公式給出了光譜吸收率積分 值與被測氣體參數(shù)之間的關(guān)系，包括氣體濃度，溫度(譜線強度值)等。在得到 旋轉(zhuǎn)過程中各個角度的投影值后，便可以進行重建。
重建算法采用ART代數(shù)迭代算法來實現(xiàn)。代數(shù)重建法是一個迭代的過程，它 是一開始就在離散域中進行的。首先把問題離散化，即將欲重建的未知圖像/& ^ 離散成一個"x" = iV重建圖像網(wǎng)格，根據(jù)成像的物理過程和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，建立 重建圖像和投影數(shù)據(jù)之間關(guān)系的代數(shù)方程組，圖像重建問題就轉(zhuǎn)化為解線性方程 組。為了可以實現(xiàn)溫度和濃度的同時測量，因此需要選擇兩條氣體吸收譜線來進 行測量。通過在測量區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，并根據(jù)在不同的測量單元的不同旋轉(zhuǎn)角度
下計算得到的光譜吸收率積分值，建立方程組
雖，2)=zvl，21 + ,r)x)vl,2 zvl,22 +…+(M(r)i)vl,w zvl"
vl，w 層
= (/^(r)x)v21 a2u +(^(7Wv22zv2,12+—+(，)％)v2n421w
<傘,2) = (、,21 + (尸柳I)v2,2 、,22 +…+ (WW, lv2,2w
1 . 、"
j(v2, M) = (i^(r)zx2, zv， + (i^(r)z)v2 2 zv2 W2 +…+(尸5"(r)zx2 w ^2,雄 其中，J(V/,^)為譜線v7在角度序號為ikT下的光譜吸收率積分值，通過測量 計算而得到；A/，，為每個網(wǎng)格對于投影的貢獻值，在進行網(wǎng)格劃分時確定，這
樣便得到了關(guān)于氣體濃度WD溫度r (譜線強度^r))的兩個方程組。在進行重建
計算時，首先假定初始溫度分布，結(jié)合第一條譜線的投影數(shù)據(jù)，利用數(shù)值計算方 法首先重建出氣體的濃度場分布；在得到的濃度場分布上利用第二條譜線的數(shù)據(jù) 來進行修正，得到溫度場分布，依次類推，直到溫度場與濃度場在迭代過程中收 斂，輸出其重建結(jié)果。
對于顆粒物濃度的測量，則采用了消光法來進行測量。在單純顆粒吸收區(qū) 域，激光的衰減表示為
/。=/,exp(—zO (4)
其中，/fl為初始激光強度，力為透射激光強度，《為顆粒對于激光強度的衰 減系數(shù)，與顆粒物濃度成正比。因此，只要得到了由于顆粒影響而導(dǎo)致的激光強 度衰減的的投影數(shù)據(jù)后，便可以通過重建技術(shù)得到其顆粒濃度的分布情況，加以 標(biāo)定即得到顆粒的濃度值。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例。顯然， 本實用新型不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從 本實用新型公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本實用新型的 保護范圍。
權(quán)利要求1、一種多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的裝置，包括依次連接的信號發(fā)生器、激光源和光纖分路器，其特征在于，還包括設(shè)于均勻布置在煙道出口一側(cè)180°范圍內(nèi)的若干旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)置光纖準直器和光電探測器，煙道出口另一側(cè)對應(yīng)設(shè)置反射鏡；旋轉(zhuǎn)臺與旋轉(zhuǎn)臺控制器相連，光纖分路器和光電探測器分別通過信號線與計算機連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的 裝置，其特征在于所述光纖準直器與光電探測器同軸固定安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，軸 線為旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心軸線，旋轉(zhuǎn)臺與煙道的橫截面平行。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的 裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)臺為電動旋轉(zhuǎn)臺。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的 裝置，其特征在于所述反射鏡為鍍膜柱面反射鏡。
專利摘要本實用新型涉及一種煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量裝置，旨在提供一種利用多源層析成像技術(shù)同時重建煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量裝置。該裝置，包括依次連接的信號發(fā)生器、激光源和光纖分路器，其特征在于，還包括設(shè)于均勻布置在煙道出口一側(cè)180°范圍內(nèi)的若干旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)置光纖準直器和光電探測器，煙道出口另一側(cè)對應(yīng)設(shè)置反射鏡；旋轉(zhuǎn)臺與旋轉(zhuǎn)臺控制器相連，光纖分路器和光電探測器分別通過信號線與計算機連接。本實用新型的測量裝置可同時重建煙氣、顆粒濃度和溫度在斷面的分布，實現(xiàn)三維重建；煙氣和顆粒的測量互不干擾；斷面場參數(shù)測量時間短；測量成本較低。
文檔編號G01N21/31GK201194005SQ20082008530
公開日2009年2月11日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者嚴建華, 倪明江, 岑可法, 李曉東, 楊家林, 涌 池, 飛 王, 蔣旭光, 金余其, 陸勝勇, 馬增益, 黃群星 申請人:浙江大學(xué)