本發(fā)明涉及乙炔裂解爐生產(chǎn)監(jiān)測，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于熱輻射背景的co激光探測系統(tǒng)。

背景技術：

1、在以天然氣為燃料的乙烯裂解爐中，操作溫度通常超過800℃，這會產(chǎn)生強烈的熱輻射，特別是在中紅外區(qū)域，該熱輻射會與co的紅外吸收特征波長重疊，進而影響監(jiān)測精度，此外，天然氣燃燒生成的高溫氣體以及裂解反應本身也會增強煙氣的熱輻射背景，給排煙管道中的co監(jiān)測設備帶來額外的熱噪聲干擾，相比其他燃料，天然氣燃燒更接近完全燃燒，通常在較窄的空氣過量系數(shù)范圍內(nèi)操作，當空氣量不足時，容易導致局部缺氧，從而增加co的生成，而空氣過量則會降低燃燒效率，因此，在乙烯裂解爐中，co濃度的微小變化尤為敏感，對co監(jiān)測設備的靈敏度要求較高，同時，天然氣燃燒會產(chǎn)生大量水蒸氣，在高溫下，水蒸氣具有較強的紅外吸收峰，水蒸氣的吸收譜線會與co的紅外吸收譜線重疊，增加了co監(jiān)測中的光譜干擾，現(xiàn)有的co監(jiān)測系統(tǒng)通常缺乏在復雜光譜背景下有效識別和消除水蒸氣干擾的光譜解析能力，這使得區(qū)分水蒸氣和co的吸收信號變得更加困難。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明提供一種基于熱輻射背景的co激光探測系統(tǒng)，通過量子級聯(lián)激光器和光束調(diào)制技術，在熱輻射背景下有效提取co信號。

2、在大型石油化工廠的乙炔生產(chǎn)車間，存在多臺以天然氣為燃料的乙炔裂解爐，具體地，在日常運行監(jiān)測中，操作人員從控制系統(tǒng)中監(jiān)測到co濃度曲線出現(xiàn)異常波動，但是仍然在環(huán)保標準允許范圍內(nèi)，但與歷史數(shù)據(jù)相比略高，引起升高的原因尚不明確，為防止事態(tài)惡化，需要實時監(jiān)測排煙管道中的co，以更好地協(xié)助問題解析和診斷。

3、為了解決上述情形下的技術問題，實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

4、一種基于熱輻射背景的co激光探測系統(tǒng)，包括量子級聯(lián)激光器、熱釋電探測器、數(shù)據(jù)處理單元和信號分析模塊，量子級聯(lián)激光器發(fā)出4.6μm的激光光束，熱釋電探測器接收經(jīng)過煙氣傳輸管道后的光束，將光電信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元對來自熱釋電探測器的信號進行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號解調(diào)，實時監(jiān)測乙炔裂解爐中排煙管道的co濃度，數(shù)據(jù)處理單元連有參考光強調(diào)整模塊，參考光強調(diào)整模塊連有環(huán)境參數(shù)傳感模組，參考光強調(diào)整模塊利用環(huán)境參數(shù)傳感模組實時獲取的溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)，通過環(huán)境校正因子調(diào)整co的吸收系數(shù)，環(huán)境校正因子通過乙烯裂解罐排煙管道的實時監(jiān)測溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)分析獲得，據(jù)此動態(tài)計算并修正參考光強，數(shù)據(jù)處理單元將其用于co濃度監(jiān)測的動態(tài)修正，以補償由于水蒸氣吸收和熱輻射背景導致的光強波動，數(shù)據(jù)處理單元中，co濃度的實時監(jiān)測修正公式為：

5、；

6、式中：為乙烯裂解爐排煙管道中co的實時監(jiān)測濃度修正值，為co的吸收系數(shù)，即由溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)校正后煙氣中co對4.6μm激光光束的吸收系數(shù)，為光程長度，取激光經(jīng)過的排煙管道的物理長度，為co的動態(tài)參考光強，由參考光強調(diào)整模塊獲得，為co通過排煙管道后的實際測量激光強度，由熱釋電器探測器獲得。

7、作為本發(fā)明進一步的方案，量子級聯(lián)激光器包括能夠發(fā)射4.6μm的激光光源發(fā)生器，激光光源發(fā)生器連有光束調(diào)制器和第一溫控模塊，光束調(diào)制器連有準直透鏡。

8、系統(tǒng)開始時，激光光源發(fā)生器為量子級聯(lián)激光器提供穩(wěn)定的電流和控制信號，qcl開始發(fā)射4.6μm的激光光束。激光光束通過光束調(diào)制器，調(diào)制器對激光進行頻率或脈沖調(diào)制，這使得激光光束攜帶特定的調(diào)制信息。在量子級聯(lián)激光器工作過程中，第一溫控模塊維持量子級聯(lián)激光器的溫度穩(wěn)定，確保激光發(fā)射的波長精確穩(wěn)定在4.6μm，不受環(huán)境溫度變化的影響。調(diào)制后的激光束通過準直透鏡，透鏡將光束準直為平行光束，確保光束在煙氣傳輸管道內(nèi)的穩(wěn)定傳播。準直后的激光束穿過含有co的煙氣傳輸管道，co分子在特定波長下吸收部分激光能量，剩余的光束強度則傳輸至熱釋電探測器。熱釋電探測器接收經(jīng)過煙氣管道后的光束，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，后續(xù)信號通過鎖相放大技術進行解調(diào)，從中分離出純凈的co吸收信號。

9、作為本發(fā)明進一步的方案，量子級聯(lián)激光器的激光光束通過煙氣傳輸管道傳輸?shù)綗後岆娞綔y器，煙氣傳輸管道的入口和出口均設有光學窗口，熱釋電探測器上設有低噪聲前置放大器和第二溫控模塊。

10、作為本發(fā)明進一步的方案，數(shù)據(jù)處理單元包括信號濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號解調(diào)器和氣體濃度計算單元，信號濾波器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器與信號解調(diào)器相連，信號解調(diào)器與氣體濃度計算單元相連。

11、激光光束在穿過煙氣傳輸管道后到達熱釋電探測器，探測器接收到經(jīng)過co吸收后的光束強度信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號。熱釋電探測器上的低噪聲前置放大器對電信號進行放大。第二溫控模塊維持熱釋電探測器的工作溫度穩(wěn)定，避免由于環(huán)境溫度波動引起的探測器靈敏度變化和信號漂移，從而提高測量精度和信號穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)處理單元接收到放大的電信號后，首先通過信號濾波器去除噪聲，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于后續(xù)的數(shù)字信號處理。數(shù)據(jù)處理單元利用鎖相放大技術對調(diào)制信號進行解調(diào)，從中提取出與co濃度相關的純凈信號，并有效分離出水蒸氣和熱輻射背景的干擾信號。解調(diào)后的信號被送入氣體濃度計算單元，通過公式計算出實際的co濃度值，并與歷史數(shù)據(jù)進行對比分析。

12、溫度變化會直接影響氣體分子的能量狀態(tài)和運動速度，從而影響co分子對激光的吸收特性。高溫條件下，分子間的碰撞頻率增加，導致吸收線的展寬和中心頻率的微小偏移。因此，需要根據(jù)實時溫度對co的吸收系數(shù)進行調(diào)整，以補償這種影響。壓力變化影響氣體的密度和分子碰撞頻率，進而影響光吸收的強度和吸收線的展寬。較高的壓力通常導致吸收線的展寬，因此在測量中需要根據(jù)實時壓力對吸收系數(shù)進行修正。濕度（尤其是水蒸氣濃度）的變化會對光的傳播和吸收產(chǎn)生顯著影響。水蒸氣在中紅外波段有較強的吸收譜線，與co的吸收譜線重疊，從而干擾測量。因此，濕度的變化需要通過校正因子來調(diào)整，以抵消這種干擾對co測量結果的影響。

13、作為本發(fā)明進一步的方案，在參考光強調(diào)整模塊中，通過乙烯裂解罐排煙管道的實時監(jiān)測溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)，利用預定義的環(huán)境校正因子公式獲取環(huán)境校正因子，預定義的環(huán)境校正因子公式為：

14、；

15、式中：、、分別為乙烯裂解罐排煙管道的實時監(jiān)測溫度、濕度和壓力，為環(huán)境校正因子，、、分別為參考溫度、參考濕度和參考壓力，參考溫度、參考濕度和參考壓力分別為293k、標準條件下50%相對濕度對應的絕對濕度、101325pa，、、分別為溫度影響指數(shù)、壓力影響指數(shù)和濕度影響指數(shù)，通過實驗標定獲得。

16、co分子的吸收特性會隨溫度、壓力和濕度的變化而改變。高溫會導致分子運動加劇，影響吸收譜線的展寬；壓力變化會影響氣體的密度和分子碰撞頻率，從而影響吸收強度；濕度變化會引入水蒸氣的干擾，尤其是在中紅外波段，水蒸氣的吸收與co的吸收重疊。為了在不同的環(huán)境條件下依然能夠精確測量co的濃度，必須對co的吸收系數(shù)進行環(huán)境校正。這就要求將標準條件下的吸收系數(shù)通過一個環(huán)境校正因子進行調(diào)整，以反映實際環(huán)境對吸收系數(shù)的影響。

17、作為本發(fā)明進一步的方案，在參考光強調(diào)整模塊中，由溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)校正后煙氣中co對4.6μm激光光束的吸收系數(shù)等于標準條件下的co吸收系數(shù)與環(huán)境校正因子之積，由溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)校正后煙氣中co對4.6μm激光光束的吸收系數(shù)的公式為：

18、；

19、式中：為標準條件下的co吸收系數(shù)，由實驗標定獲得。

20、激光在穿過含有co氣體的煙氣傳輸管道時，光強度會隨著光程的增加而衰減。這種衰減遵循比爾-朗伯定律，光強隨著傳播距離指數(shù)衰減。由量子級聯(lián)激光器提供的初始光強是系統(tǒng)測量的起點，反映了激光在未經(jīng)過任何吸收之前的強度。吸收系數(shù)是經(jīng)過溫度、濕度和壓力校正后的值，準確反映了在當前環(huán)境條件下co對激光的實際吸收能力。光程長度是激光在煙氣傳輸管道中傳播的物理距離，直接影響光強的衰減程度。這個長度是固定的，根據(jù)管道的物理長度確定。

21、作為本發(fā)明進一步的方案，在參考光強調(diào)整模塊中，co的動態(tài)參考光強通過由溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)校正后煙氣中co對4.6μm激光光束的吸收系數(shù)同光程長度之積的指數(shù)衰減項，修正co的初始光強獲得，co的動態(tài)參考光強公式為：

22、；

23、式中：為co的初始光強，由量子級聯(lián)激光器提供。

24、co濃度逐步升高是工藝過程或設備運行條件逐漸變化的結果，例如裂解溫度緩慢上升、反應條件逐漸偏離正常范圍或設備磨損導致的效率降低。這樣的變化往往不會立即引發(fā)嚴重問題，但如果不及時處理，會導致設備過載、反應失控，最終引發(fā)安全事故或產(chǎn)品質(zhì)量問題。通過及時識別co濃度的逐步升高，系統(tǒng)可以提前發(fā)出預警信號，提醒操作人員檢查工藝參數(shù)或設備狀態(tài)，從而采取必要的調(diào)整或維護措施，防止?jié)撛诘娘L險進一步發(fā)展。co濃度的瞬時尖峰是由突發(fā)性異常事件引起的，例如原料波動、進料系統(tǒng)異常、設備故障或操作失誤。這種尖峰是短暫的，但如果不及時處理，會導致更嚴重的連鎖反應，如裂解爐內(nèi)爆燃、反應過度或不完全，影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至導致設備損壞或人員傷害。通過快速識別co濃度的瞬時尖峰，系統(tǒng)能夠立即觸發(fā)預警信號，提醒操作人員迅速檢查并處理異常情況，防止短時異常演變?yōu)橹卮笫鹿省?/p>

25、作為本發(fā)明進一步的方案，信號分析單元通過對co濃度的實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)分析，識別co濃度逐步升高事件和co濃度瞬時尖峰事件，并發(fā)出預警信號。

26、作為本發(fā)明進一步的方案，在信號分析單元中，進行co濃度逐步升高事件的識別方式為比較觀察時窗內(nèi)用于識別co濃度逐步升高的趨勢信號與預設co濃度升高閾值，大于預設co濃度升高閾值，判定為co濃度逐步升高事件，否則，判定為不是co濃度逐步升高事件，觀察時窗內(nèi)用于識別co濃度逐步升高的趨勢信號公式為：

27、；

28、式中：為當前時刻，為觀察時窗內(nèi)用于識別co濃度逐步升高的趨勢信號，為升高趨勢識別平均時窗大小，根據(jù)需求設定，為升高趨勢識別時窗中的時間點索引，、分別為升高趨勢識別時窗內(nèi)第個和第個時間點的co濃度值。

29、作為本發(fā)明進一步的方案，在信號分析單元中，co濃度瞬時尖峰事件的識別方式為比較用于識別co濃度瞬時尖峰的信號與預設的co濃度瞬時尖峰閾值，大于預設的co濃度瞬時尖峰閾值，判定為co濃度瞬時尖峰事件，否則，判定為不是co濃度瞬時尖峰事件，觀察時窗內(nèi)用于識別co濃度瞬時肩峰的信號公式為：

30、；

31、式中：為用于識別co濃度瞬時尖峰的信號，為時刻的co濃度實時監(jiān)測值，為尖峰識別參考時窗大小，根據(jù)需求設定，為尖峰識別參考時窗中的時間點索引，為尖峰識別參考時窗內(nèi)第個時間點的co濃度。

32、相比于現(xiàn)有技術，為解決技術問題，本發(fā)明的技術效果：本發(fā)明通過量子級聯(lián)激光器發(fā)射4.6μm波長的激光，結合光束調(diào)制和鎖相放大技術，能夠在強烈的熱輻射背景下有效分離和提取co的吸收信號，同時消除水蒸氣的光譜干擾，參考光強調(diào)整模塊利用實時監(jiān)測的溫度、濕度和壓力數(shù)據(jù)，通過環(huán)境校正因子動態(tài)調(diào)整co吸收系數(shù)和參考光強，確保在不同工況下測量結果的準確性，信號分析單元通過對co濃度的實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)分析，特異性識別co濃度逐步升高和瞬時尖峰事件，及時發(fā)出預警信號，增強了系統(tǒng)對突發(fā)性異常和長期趨勢異常的響應能力，有助于預防和解決潛在的工藝問題和設備故障，顯著提升了在高溫復雜環(huán)境下co濃度監(jiān)測的靈敏度、準確性和可靠性。