本發(fā)明涉及一種光譜分析裝置，尤其涉及一種基于紫外差分技術(shù)的煙氣分析裝置及方法。

背景技術(shù)：

2015年12月，國務(wù)院常務(wù)會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造。最新的《大氣污染防治法》已于2016年1月1日施行。各地方環(huán)保部門陸續(xù)出臺了史上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不超過10mg/m³、35mg/m³、50mg/m³。

由于超低排放現(xiàn)場的煙氣成分復(fù)雜，二氧化硫、氮氧化物排放的濃度較低，目前現(xiàn)場安裝的大部分煙氣分析儀為常規(guī)量程分析儀，已不能滿足監(jiān)測要求，現(xiàn)有的煙氣分析儀主要存在以下問題：1.一些采用紅外技術(shù)的煙氣分析儀在低濃度區(qū)域測量易受背景氣體干擾的影響；2.一些紫外煙氣分析儀為了提高檢測靈敏度采用了多次反射測量池，多次反射測量池增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，相較于直通池穩(wěn)定性差并且增加了現(xiàn)場維護難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種煙氣分析裝置及方法，以解決上述技術(shù)問題中的至少之一。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

作為本發(fā)明的一方面，提供了一種基于紫外差分技術(shù)的煙氣分析裝置，依次包括紫外光源、測量池、光纖和光譜儀，所述測量池靠近光纖的一端設(shè)有聚焦透鏡和光纖連接調(diào)整機構(gòu)，所述光纖連接調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整光纖縱向端面相對于測量池的前后平移，以利用所述聚焦透鏡的軸向色差使得所述紫外光源發(fā)出的紫外光在所述光纖中耦合不同的光譜能量分布，從而在檢測時能夠通過多次調(diào)整以獲得各煙氣組分吸收波長處呈最大光譜能量分布時的光纖縱向端面位置，提高各煙氣組分濃度的檢測靈敏度。

優(yōu)選地，所述光纖連接調(diào)整機構(gòu)包括光纖調(diào)整座、固定件和鎖緊件，所述光纖固定于所述光纖調(diào)整座，所述固定件固定于測量池所述端，所述光纖調(diào)整座與所述固定件滑動連接以相對測量池作前后平移，并通過所述鎖緊件定位于固定件上。

優(yōu)選地，所述固定件為光纖固定座，所述鎖緊件為所述光纖固定座內(nèi)設(shè)的頂絲，所述光纖調(diào)整座套設(shè)于所述光纖固定座內(nèi)并通過所述頂絲進行鎖緊定位。

優(yōu)選地，所述固定件為調(diào)整螺栓，所述鎖緊件為彈性件，所述調(diào)整螺栓穿過所述光纖調(diào)整座將所述光纖調(diào)整座與測量池所述端相連，所述彈性件設(shè)于所述調(diào)整座與測量池所述端之間并將所述光纖連接調(diào)整機構(gòu)鎖緊定位于所述調(diào)整螺栓上，所述彈性件優(yōu)選彈簧、碟簧或拉簧。

優(yōu)選地，所述光纖調(diào)整座在所述光纖的固定處開設(shè)錐形通孔，以使所述紫外光通過并進入光纖。

優(yōu)選地，所述煙氣分析裝置還包括主控電路，所述光譜儀將從光纖接收的光譜信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后傳遞至主控電路進行計算得出煙氣組分濃度。，所述主控電路利用波長權(quán)重算法和溫度補償算法進行濃度反演計算，計算公式如下：

式(1)中，c0為反演濃度；n為參與反演的像素點數(shù)；ui為第i個像素點對應(yīng)的差分吸光度；wi為第i個像素點權(quán)重；a0、a1、a2、a3分別為三次多項式的常數(shù)項、一次項、二次項、三次項的擬合系數(shù)；式(2)中，c為補償后濃度；k為修正系數(shù)，由實驗確定；t為實測氣體溫度；t0為標(biāo)態(tài)溫度。

優(yōu)選地，所述測量池靠近紫外光源的一端設(shè)有準(zhǔn)直透鏡，以將所述紫外光源發(fā)出的光準(zhǔn)直入測量池內(nèi)；在紫外光源與準(zhǔn)直透鏡之間還設(shè)有孔徑光闌，以抑制雜散光進入測量池，提高光路穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，所述測量池為直通測量池，由鋁合金材質(zhì)制成，內(nèi)襯聚四氟乙烯管管，鋁合金材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率較高，便于光源散熱和測量池的溫度控制，聚四氟乙烯管可防止測量池對樣氣的吸附以及樣氣對測量池的腐蝕，采用直通測量池提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護性。

優(yōu)選地，所述光譜儀包括入射狹縫、平場凹面光柵和線陣圖像傳感器，光纖傳遞的光進入入射狹縫后傳遞至平場凹面光柵以分散成多條光束，而后傳遞至線陣圖像傳感器以檢測光強度。

優(yōu)選地，所述煙氣分析儀還包括光源驅(qū)動電路，進樣模塊、顯示與按鍵模塊、溫度控制模塊、輸入輸出模塊和電源模塊；其中，所述光源驅(qū)動電路驅(qū)動紫外光源發(fā)光；所述進樣模塊用以將樣氣通向測量池內(nèi)；所述顯示與按鍵模塊連接主控電路以向主控電路獲取檢測數(shù)據(jù)以及發(fā)送編輯指令；所述溫度控制模塊用于控制所述煙氣分析裝置內(nèi)部的溫度，且連接主控電路以向主控電路獲取溫度控制指令并反饋溫度檢測數(shù)據(jù)；所述輸入輸出模塊連接主控電路以將數(shù)據(jù)傳輸給外部設(shè)備；所述電源模塊連接光源驅(qū)動電路、主控電路以及各模塊以提供持續(xù)穩(wěn)定的電流電壓。

優(yōu)選地，所述溫度控制模塊包括繼電器、加熱模塊和溫度傳感器，加熱模塊包括加熱器和循環(huán)風(fēng)扇。循環(huán)風(fēng)扇用于產(chǎn)生空氣對流，增加分析儀內(nèi)部溫度分布的均勻和穩(wěn)定性；溫度傳感器散布在煙氣分析儀的機箱內(nèi)部采集溫度，基于軟件程序(如基于pid溫控算法的程序)根據(jù)實際溫度與設(shè)定溫度的差值控制加熱器和循環(huán)風(fēng)扇，優(yōu)選將所述光譜分析儀內(nèi)部溫度控制在45±0.1℃，這樣即使在環(huán)境溫度較高時(如36-37度)也能對儀器溫度進行較好的控制。

作為本發(fā)明的另一方面提供了一種使用上述煙氣分析裝置進行煙氣分析的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)使用光纖連接調(diào)整機構(gòu)多次調(diào)整光纖縱向端面的位置，并測量不同光纖縱向端面位置的光譜能量分布；以及

(2)將光纖縱向端面位置調(diào)整至使待測組分吸收波長處呈最大能量分布的位置；以及

(3)在當(dāng)前端面位置利用濃度反演法進行待測組分濃度的測量。

基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于：

1.通過光纖連接調(diào)整機構(gòu)調(diào)節(jié)光纖縱向端面的前后位置，利用聚焦透鏡的軸向色差改變了光譜能量分布，提高待測樣氣吸收波長處的光譜信號強度，提高信噪比，增強檢測靈敏度1.5～2倍，能適應(yīng)不同待測樣氣的檢測；

2.采用整體恒溫技術(shù)，通過溫度控制模塊對煙氣分析儀內(nèi)部的溫度進行精確控制，降低溫度的干擾，提高測量準(zhǔn)確度；

3.濃度反演算法采用波長權(quán)重法，由于干擾氣體吸收譜與待測氣體吸收譜具有不同的特征頻率，通過波長權(quán)重算法可有效減小背景氣體對待測氣體測量的干擾。算法增加溫度補償功能，通過實時監(jiān)測測量池溫度對測量結(jié)果進行溫度修正，增加測量結(jié)果的準(zhǔn)確度；

4.可檢測低濃度排放煙氣、抗背景氣體干擾強、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護且具有高靈敏度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的煙氣分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的煙氣分析裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的光纖連接調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4位本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的光纖連接調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一實施例的光路結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明一實施例的光譜能量分布調(diào)整原理示意圖；

圖7為本發(fā)明一實施例的光纖端面調(diào)整至201位置時的光譜能量分布情況曲線圖；

圖8為本發(fā)明一實施例的光纖端面調(diào)整至202位置時的光譜能量分布情況曲線圖；

圖9為本發(fā)明一實施例的光纖端面調(diào)整至203位置時的光譜能量分布情況曲線圖；

圖10為本發(fā)明一實施例的二氧化硫的差分吸光度曲線圖。

其中，1-分析儀機箱；2-觸摸屏；3-轉(zhuǎn)子流量計；4-樣氣入口；5-樣氣出口；6-開關(guān)電源；7-兩位三通閥及隔膜泵；8-溫度控制模塊；9-紫外光源；10-測量池；11-氧量傳感器；12-光纖；13-光譜儀；14-光源驅(qū)動電路；15-輸出模塊；16-孔徑光闌；17-準(zhǔn)直透鏡；18-聚四氟乙烯管；19-聚焦透鏡；20-光纖連接調(diào)整機構(gòu)；21-入射狹縫；22-平場凹面光柵22；23-線陣圖像傳感器；24-輸入、輸出端子；201、202、203-光纖縱向端面所在不同位置；204、207-光纖調(diào)整座；205-光纖固定座；206-頂絲；208-螺栓；209-彈性件，25-測量及主控模塊。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，其內(nèi)容足以使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容并據(jù)以實施。

利用紫外差分吸收光譜法進行檢測時，樣氣對光的吸收可以分成兩部分：一部分隨波長快速變化，構(gòu)成光譜的窄帶精細結(jié)構(gòu)，這一部分只和待測氣體的特征吸收有關(guān)；另一部分隨波長緩慢變化，構(gòu)成光譜的寬帶結(jié)構(gòu)，這一部分除了和部分氣體的特性有關(guān)外還和樣氣中的雜質(zhì)散射等因素有關(guān)。紫外差分吸收光譜技術(shù)將吸收光譜的窄帶吸收部分分離出來，利用待測物質(zhì)分子的窄帶吸收特性來區(qū)分和反演待測氣體的濃度，從而避免了粉塵和其它氣體的慢吸收帶來的影響。本發(fā)明基于紫外差分光譜法不受h2o、co2、h2s、hcl等背景氣體干擾影響，進一步提供了一種煙氣分析裝置，主要對其中測量及主控模塊進行改進，提高整體系統(tǒng)的檢測靈敏度和可靠性。

如圖2為本發(fā)明提供的一種基于紫外差分技術(shù)的煙氣分析裝置結(jié)構(gòu)原理圖，所述煙氣分析裝置包括進樣模塊、顯示與按鍵模塊、溫度控制模塊、輸入輸出模塊、測量及主控模塊和電源模塊。

其中，測量及主控模塊25包括測量單元和主控電路，所述測量單元包括紫外光源9、測量池10、氧量傳感器11、光纖12、光譜儀13及光源驅(qū)動電路14。在一實施例中，測量池10為直通測量池，由鋁合金材質(zhì)制成，內(nèi)襯聚四氟乙烯管，防止測量池對樣氣的吸附通知防止樣氣對測量池的腐蝕，直通測量池較多次反射測量池具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護性；光譜儀13包括入射狹縫21、平場凹面光柵22和線陣圖像傳感器23(可見圖5)。所述主控電路可采用低噪聲設(shè)計，采用高精度低噪聲芯片，嚴(yán)格控制噪聲水平，提高檢測靈敏度。

如圖5所示為本實施例氣態(tài)污染物測量及主控模塊25的光路結(jié)構(gòu)圖。包括紫外光源9、孔徑光闌16、準(zhǔn)直透鏡17、聚四氟乙烯管18、聚焦透鏡19、光纖連接調(diào)整機構(gòu)20、光纖12、入射狹縫21、平場凹面光柵22、線陣圖像傳感器23。紫外光源9在光源驅(qū)動電路14驅(qū)動下發(fā)出的發(fā)散紫外光經(jīng)孔徑光闌16限制發(fā)散角度后被準(zhǔn)直透鏡17準(zhǔn)直，通過測量池10后被聚焦透鏡19聚焦到光纖12的端面處，經(jīng)光纖12傳輸至光譜儀狹縫21，最后經(jīng)平場凹面光柵分光并聚焦到線陣圖像傳感器23處。通過光纖連接調(diào)整機構(gòu)20控制光纖12的縱向端面相對于測量池的前后位置平移。

在一較優(yōu)實施例中，如圖3所示為光纖連接調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述光纖12通過螺紋與光纖調(diào)整座204固定，所述光纖調(diào)整座204套設(shè)于光纖固定座205內(nèi)，所述光纖固定座205通過卡口和螺栓與測量池相應(yīng)端連接。所述光纖調(diào)整座204相對于測量池10的軸向位置可以在所述光纖固定座205內(nèi)手動調(diào)整，調(diào)整至合適位置后通過頂絲206將光纖調(diào)整座204與光纖固定座205鎖緊。

在另一較優(yōu)實施例中，如圖4所示為光纖連接調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述光纖12通過螺紋與光纖調(diào)整座207固定，所述光纖調(diào)整座207通過卡口和螺栓208與測量池10連接。所述光纖調(diào)整座207相對于測量池10的軸向位置可以通過調(diào)整螺栓208進行，在光纖調(diào)整座207和測量池相應(yīng)端之間還設(shè)有彈性件209，如彈簧、碟簧或拉簧等，通過彈性件209與螺栓的配合將光纖調(diào)整座鎖緊于螺栓208上，優(yōu)選將彈性件209套設(shè)于螺栓208上。

上述的光纖調(diào)整座204、207在光纖12固定處開設(shè)錐形通孔，以使紫外光在經(jīng)所述聚焦透鏡19聚焦后較好地通過并進入光纖12內(nèi)。

當(dāng)然，光纖連接調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式包括但不限于上述兩個較優(yōu)實施例，只要能實現(xiàn)光纖12的縱向端面相對于測量池的前后位置平移即可。

如圖6-9所示為通過調(diào)整光纖接收端面的縱向位置來實現(xiàn)光譜能量分布的示意圖。利用聚焦透鏡的軸向色差，當(dāng)光纖端面處于201位置時no的特征吸收波長處光譜能量達到最大值，當(dāng)光纖端面處于202位置時光譜的長波長區(qū)間能量達到最大值，當(dāng)光纖端面處于203位置時光譜的短波長區(qū)間能量達到最大值?？芍?，如果待測氣體為no時，將光纖端面調(diào)整至201位置時，能提高待測樣氣所述波長處的光譜信號強度，提高有用信號波長區(qū)的信噪比，進而增強檢測靈敏度。而對于不同的檢測樣氣，可對光纖端面作不同的位置調(diào)整。同時由于光纖端面位置前后可調(diào)，降低了對聚焦透鏡的要求，即使透鏡聚焦有較大的公差也可以通過調(diào)整光纖端面的位置進行補償。

所述進樣模塊與測量及主控模塊25連接，以將樣氣通向測量池內(nèi)。其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計可參見圖1的實體結(jié)構(gòu)圖所示。所述進樣模塊包括分析儀機箱1后面板上設(shè)有的樣氣入口4、樣氣出口5、分析儀機箱內(nèi)部設(shè)有的兩位三通閥及隔膜泵7、分析儀機箱1的前面板上設(shè)有的轉(zhuǎn)子流量計3；樣氣通過樣氣入口4直接連接到兩位三通閥及隔膜泵7的一個入口，兩位三通閥及隔膜泵7的出口與轉(zhuǎn)子流量計3相連，轉(zhuǎn)子流量計3出氣口與測量及主控模塊25的進氣口相連，測量及主控模塊25出氣口與分析儀后面板樣氣出口5相連。

所述顯示與按鍵模塊連接測量及主控模塊，以向測量及主控模塊的主控電路獲取檢測數(shù)據(jù)以及發(fā)送編輯指令，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計可參見圖1所示。所述顯示與按鍵模塊包括在機箱前面板上設(shè)置的觸摸屏2，用于以顯示當(dāng)前設(shè)定值、測量值等以及提供編輯功能；

所述溫度控制模塊8連接測量及主控模塊，以向主控電路獲取溫度控制指令并反饋溫度檢測數(shù)據(jù)，主要包括繼電器、加熱模塊和溫度傳感器，加熱模塊包括加熱器和循環(huán)風(fēng)扇。所述主控電路根據(jù)溫度傳感器測定的溫度與設(shè)定溫度的差異采用pid溫控算法進行溫度控制，并將控制信號傳遞至溫度控制模塊，由繼電器控制加熱器和循環(huán)風(fēng)扇的開關(guān)，在一較優(yōu)實施例中，將機箱內(nèi)部溫度控制在45±0.1℃，即使在環(huán)境溫度較高時(如36-37℃)也能對儀器溫度進行較好的控制。

所述輸入輸出模塊15設(shè)置于機箱內(nèi)部，通過輸入、輸出端子24實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

所述電源模塊包括開關(guān)電源6，與上述各模塊相連以提供持續(xù)穩(wěn)定的電流電壓。

煙氣的濃度由主控電路利用波長權(quán)重算法和溫度補償算法進行濃度反演計算得到，通過增加干擾氣體吸收波長的權(quán)重，消除背景氣體的干擾影響，通過溫度補償可經(jīng)實時監(jiān)測測量池溫度對測量結(jié)果進行修正，增加測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。實際應(yīng)用中由于光譜信號由線陣圖像傳感器采集，因此波長與圖像傳感器的像素之間存在對應(yīng)關(guān)系。如圖10所示為二氧化硫的差分吸光度，可以看出差分吸光度隨著像素點有急劇的變化。如像素1對應(yīng)的差分吸光度有較大的值，像素2對應(yīng)的差分吸光度接近0。像素2相較于像素1有較差的信噪比，因此可以通過提高像素1的權(quán)重降低像素2的權(quán)重來提高整體信噪比，其余像素以此類推。計算公式如下：

式(1)中，c0為反演濃度；n為參與反演的像素點數(shù)；ui為第i個像素點對應(yīng)的差分吸光度；wi為第i個像素點權(quán)重；a0、a1、a2、a3分別為三次多項式的常數(shù)項、一次項、二次項、三次項的擬合系數(shù)；

式(2)中，c為補償后濃度；k為修正系數(shù)，由實驗確定；t為實測氣體溫度；t0為標(biāo)態(tài)溫度。

使用時，利用光纖連接調(diào)整機構(gòu)多次調(diào)整光纖縱向端面的位置，并測量不同光纖縱向端面位置的光譜能量分布，之后將光纖縱向端面位置調(diào)整至使待測組分吸收波長處呈最大能量分布的位置；最后在相應(yīng)端面位置利用濃度反演法進行待測組分濃度的測量。

綜上，該煙氣分析裝置的光纖端面可調(diào)，采用高精度的恒溫控制，提高系統(tǒng)靈敏度，可使用直通測量池在常規(guī)光程下實現(xiàn)超低濃度的測量，特別適用于超低排放現(xiàn)場的連續(xù)監(jiān)測。通過波長權(quán)重法和溫度補償算法進行濃度反演算增加測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。