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1、基于激光光谱法的燃煤烟气含氧量分析系统的小型化技术 .节能技术第卷,总第期.年月,第期基于激光光谱法的燃煤烟气含氧量分析系统的小型化技术娄秀涛。吴少华哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站,黑龙江哈尔滨摘要:基于激光光谱技术的燃煤烟气氧气分析系统的核心部件气体池占据很大体积,使得整体系统面临小型化困难的问题。本文提出了一种基于多孔散射介质延长气体吸收光程的方法,可塑料泡沫和以在保证相同检测灵敏度的前提下将气体池体积缩小两个数量级以上。采用氧化铝陶瓷分别获得了 和 的有效光程,并且散射原理使得系统对于光束校准具有很大的容忍度。该方法对于构建小型化、多组分气体分析系统具有重要应用价值。关键
2、词:燃煤烟气;氧气传感;激光光谱;吸收光程;小型化中图分类号:;.文献标识码:文章编号:? 嬲?.?瑚, ,:鹊, ? . 印 ? 锄.,. 昏,.印 昏珊. ?:?; ; 昏;.“对氧气含量的有效监测在许多领域具有重要意需求催生了不同类型的氧气传感器,包括常用的流义,例如锅炉燃烧效率控制。、发动机燃烧控电式、阻抗式、顺磁式和光学式等。然而在燃煤气体制?和工业过程控制等。不同应用领域的不同排放监测中,诸如:等较高浓度酸性气体的存在收稿日期?一修订稿日期一?基金项目:国家自然科学基金资助项目;中国博士后基金资助项目作者简介:娄秀涛,男,博士,讲师,硕士生导师,研究方向为基于激光光谱技术的燃煤排放
3、气体监测技术。万方数据会让很多类型的氧气传感器腐蚀和中毒。在众多类型的氧气传感器中,基于激光光谱技术的氧气传感器具有非接触检测的优势,有效避免了传感器中毒和腐蚀的问题。近期我们利用激光光谱技术成功实施了对氧气浓度的高精度、快速测量旧。但该氧气测量系统目前面临的问题是体积大、能耗高,其中气体池占据了很大的体积。为解决这一问题,一种最为直接的方法便是通过采用多通气体池延长吸收光程的办法来提高信噪比,从而在保证测量灵图 飘化引纳米陶瓷付料内羽:结构的扫描电镜罔敏度的前提下大大缩小气体池的体积。技术来实现。该技术是基于这样的事实:目前,在激光光谱技术领域有三种主流多通池气体吸收特征与介质材料本身的吸收
4、特征明显不技术被采用:和玎池;腔增强技术;积分同,通常固体的吸收谱要远远宽于气体的吸收谱。球。三种技术在特定的测量应用都有自己的优点:将激光的波长调至气体的吸收峰位置处并扫描波第一种方法相对比较直接提供了一个良好的光程延长,即可将气体的吸收特征从固体宽而慢变的吸收长,光路校准复杂程度适中;第二种方法可以提供目光谱中提取出来,尽管后者的吸收幅度比前者大几前最长的光程,但具有调节耗时和对反射镜要求高个数量级。然而在气体光谱分析中,吸收光程信息的缺点;与前两种方法比,第三种方法只能实现几米的缺失导致不能直接使用?定律。因的光程延长,但它有两个明显的优点:易于调节和结此,我们通过引入等效吸收光程的概念
5、来定义光子构紧凑。在分布于散射介质内的气体中的平均光程。另一种具有发展潜力的光程延长方法是基于多孑散射介质气体池的技术,它来源于散射介质内气技术方案体吸收光谱技术?。基于.基于多孔材料的气体池的吸收光程延长技术相比于前面提到的三种技术的在本研究中,参考气池使用的是一块厚度一个最大优势是其样品池体积可以做到小于 ,、孑隙率%的塑料泡沫板,参考气池使用的为制造手持式和便携式的工业气体监测设备提供小是厚度 、孔隙率%的氧化铝陶瓷片。多孔型化气体池,从而大大缩小测量系统的体积并降低气池中充满了周围的空气。表归纳了这两种材料系统能耗。本文将开展基于的多孔散射的主要特性,材料物理特性的不同决定了这两种材介
6、质内光程延长技术,并将其应用于燃煤烟气含氧料具有各自不同的优缺点。量分析系统来实现系统的小型化。用来作为气体池表 塑料泡沫和氧化铝陶瓷材料的物理特性的多孔散射介质有两种,一种是常见的塑料泡沫,另一种是纳米氧化铝陶瓷材料。我们采用了波长调制光谱技术来提高测量的信噪比。在考虑实际工业应用的前提下,通过采用大体积塑料泡沫,着重研究了散射材料气体吸收池的尺寸、激光光束的入射角度、从表中可以看出,塑料泡沫比氧化铝陶瓷材以及入射光斑的横向和纵向位移对探测效果的影响料具有更好的光学透过性能,因此,前者采用了一支这些实际应用问题。的光电二极管探测器,后者采用了一支面积多孔散射介质的光程延长原理为 的雪崩光电二
7、极管探测器。正如表中数据给出的那样,尽管塑料泡沫使用了小面积的探测半透明的多孔材料是一种散射材料,它的内部器,但是它仍然探测到了与氧化铝陶瓷材料大小相含有很多微小的空隙可以存留气体。图展示的是当的光强。两者探测到的光强大约为斗。对于多孔纳米氧化铝陶瓷材料多孔结构的扫描电镜图。具有强散射性质的材料,有效光程长度正比于材料入射到这种材料里的光会被强烈的散射,经过不同厚度的平方。塑料泡沫板和氧化铝陶瓷片的等效光路径的光子所走过的光程是不同的。因此,经过介和 。等效程长度测量值分别为质内部散射而后透过介质的光所经历的光程将远远光程是通过多孔材料内氧气吸收信号与周围已知光大于多孑介质本身的物理尺寸。程长
8、度的氧气吸收信号的比值来获得的。值得注意这种半透明多孔散射介质内的气体探测可以由万方数据的是,塑料泡沫的气体置换时间比氧化铝陶瓷材料大个数量级之多。因此,氧化铝陶瓷材料由于具有快速的气体置换速率更适合做样品池,而塑料泡沫更适合做参考池,它可以提供更长的等效光程从而获得高信噪比吸收信号。.氧气测量系统装置氧气测量系统基于技术装置并结合了关联光谱技术方案,如图所示。周围空气中的.%。实验所使用氧气浓度被假定为常数.的法布里柏罗型多模二极管激光其中心波长在工作温度为时位于 ,其最大输出功率为。我们通过提高激光器的工作温度来将激光输出光谱与氧气吸收光谱匹配。图是根据标准数据库计算得到的室内氧气在附近的
9、带吸收光谱,以及与之相匹配的二极管激 图 氧气吸收光谱及和二极管激光发射光谱时的发射光光在工作温度、工作电流谱。为了实施波长调制光谱技术来提高信噪比,激的锯齿波扫描,电流范围从光波长通过一个。一个 的正弦信号被直接耦合进激光器。坐导篙骛光蓑氧化铝陶瓷、雪崩光电二极管一奉卜对,二“砘由一妄蔟酬?三角波发射器图典型的二次谐波信号乜耐温度一 丽聂夏磊译一带有数据采集考功能的计算机弦调制发生图 氧气测量系统装置示意图拿制为获得一个大的波长笾盖范幽,二及管激光极的工作温度在范围内进行扫描。温度扫匿描是通过给激光温度控制器输出一个. 的三角波来实现的。激光器输出的激光分成两束分别经 过样品池和参考池。两路
10、光的信号由一个位的测量时间,数据采集卡同时测量,然后利用软件锁相放大软件在 图 阿伦方差法对氧气连续监测数据的分析曲线的频率解调处波长调制二次谐波信号。样用阿伦方差法分析了对周围空气测量的连测量结果及分析续采集的数据。图展示了上面两次测量的图展示了在 阿伦方差曲线。从图中我们可以看出,采用 的的一个锯齿扫描周期内的积分时间的情况下,两次测量可以获得的探测灵敏典型二次谐波信号对。样品信号是总体吸收度分别为信号减去由 和 。相对应的物理空气中的氧气造成的吸收偏置获长度集成灵敏度灵敏度乘以气池的物理长度分得。参考信号包含了塑料泡沫中的氧气吸收和空气别为和 。这表明,通过采用氧化中 的氧气吸收。铝陶瓷
11、材料作样品池,探测灵敏度改善了倍。值本研究所搭建的氧气测量系统的灵敏度和稳定得注意的是,在这里我们采用了物理长度集成灵敏度这两项指标是通过工业中广泛采用的阿伦方差法度,而不是传统的有效长度集成灵敏度,是为了凸显分析连续测量数据获得的。为了比较,我们同万方数据基于多孔材料的气体池的小型化这一优势。尽管小要进行严格的光束整形和校准。传统的多通气池和型的气体传感器可以采用小型的多通池,但是基于基于积分球的气体池可以做到几厘米的气池长度,多孑材料的气体池可以做到更高的集成度,其体积 但是气池的总体积很难做到小于,而这对于可以小于。此外,基于多孔材料的气体池可以 基于多孔材料的气体池来说是很容易实现的。
12、此提供更高的激光光束校准容忍度。 外,基于多孔材料的气体池对光束质量没有要求,并且它比多通池具有光束校准的更高容忍度,同时它采用多孔材料作样品池,尽管灵敏度提高了可以获得比积分球气体池更大的光程延长倍数。倍,但是与等效光程的延长倍数比,只相当于大约五分之一,这主要归因于干涉噪声。在传统的基结论于相干光源的气体探测系统中,绝大多数干涉条纹主要来自于光学元件的菲涅尔反射,包括气体池窗 本文采用的基于多孔散射材料的气体池可极大口、透镜和反射镜。然而对于当前的系统来说,干涉 的延长吸收光程、提高测量信噪比。 厚的塑料泡沫和 厚的氧化铝陶瓷片被分别用作样噪声主要来源于多孔陶瓷材料表面的高度漫射和多品气池
13、和参考气池,获得的等效光程分别为孑结构的高度散射。第一种机制对应反馈干涉,主和 。进而在保证相同测量灵敏度的情况下将要由光反射回激光二极管造成;第二种机制对应斑氧气测量系统的气体池体积缩小两个数量级,从而点噪声,主要由光子在多孔材料内的随机散射造成。大大的减小整个系统的体积和能耗。基于多孔材料对这两种噪声机制的比较已有研究,研究结果表明的气体池在构建小型气体探测系统方面具有优势,最终限值探测灵敏度的是斑点噪声。对于具有更高尤其在构建基于激光光谱技术的燃煤多气体组分分吸收系数或更大厚度的多孑材料来说,由于探测到析系统时对于气体分析系统的模块化和集成化具有的光强很弱,散粒噪声将会成为主要噪声源。从
14、图特殊意义。我们还可以看出,干涉噪声还降低了系统的长期参考文献稳定性。在 的连续测量中,采用氧化铝陶瓷气薛峰,马括,陈洪君,黎华.电厂锅炉最佳氧量的研体池的系统漂移量为探测灵敏度的倍,而不采用究.节能技术.,:?.氧化铝陶瓷气体池的系统漂移量比探测灵敏度欧阳晕,牛铭.基于不同控制策略的微网仿真.要小。 电网与清洁能源.,:?.朱瑁敏,李鹏,王阳,等.基于改进下垂特征的微网等效光程可以通过增加样品池厚度或增加激光功率控制方法.电网与清洁能源.,:?.入射点相对探测器横向位移来进一步提高。然而,岳雷.氧气转炉汽化冷却烟道传热计算.节能技这两种方法均是以低探测光强为代价来增加散射术.,:?.?的。因
15、此,在等效光程的增加和探测光强的减小之 印“.,:?间有一个平衡。可通过采用大功率激光并结合大厚.度多孑介质材料一定可以改善探测灵敏度,这是一, , ,?种比较直接的手段。通常情况下多模激光可以获得. .,:?酗咖.呐更大的输出功率,并且更易获得,这可以在很大程度.上弥补残余激光模式对吸收信号强度的稀释。.?,另一个与材料相关的问题是气体置换时间。在。 嬲?.实际应用中,气体置换常数应该至少小于数据处理. .,:?.时间,包括数据平均时间,否则气体置换时间将成为, ,整个气体探测系统响应时间的瓶颈。对于关联光谱.?技术来说,参考气体池一般不需要气体置换,因此几? .个小时的置换时间是可以接受的。例如,尽管塑料, , ,泡沫表现出很好的吸收和散射特性的结合,但是它?.噬 由于气体置换时间长而不适合做样品池。但是,它.,:?.仍然可以作为参考池塑料泡沫的置换时间为几个?鹊.小时。. .,一般而言,与传统的光程延长技术相比较,基于:?.多孔材料的气体池其优势在于小的尺寸和高的光束 .正 , , .,校准容忍度。例如,在腔增强技术中,腔的长度需要:?.达到几十厘米来获得足够高的光谱分辨率,并且需万方数据