一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法。所述监测系统包括两个气体流速信号收集器、气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器、光谱仪和信号分析模块；两个所述气体流速信号收集器沿烟道的轴向平行安装于烟道内；每个所述气体流速信号收集器沿烟道直径方向安装，两个所述气体流速信号收集器均与所述信号分析模块连接，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器沿烟道的直径安装于烟道内，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器与所述光谱仪通过铠装光纤连接，所述光谱仪通过数据线与所述信号分析模块连接。本发明专利技术实现了气体流速和颗粒物成分的综合在线监测。

A Monitoring System and Method for Gas Velocity and Particulate Composition of Emission Gas

The invention discloses a monitoring system and method for the velocity of exhaust gas and the composition of particulate matter. The monitoring system comprises two gas flow signal collectors, a laser induced breakdown spectroscopic signal collector for particulate matter, a spectrometer and a signal analysis module; two gas flow signal collectors are installed in the flue along the axial direction of the flue; each gas flow signal collector is installed along the diameter direction of the flue, and both of the gas flow signal collectors are connected with the flue. The signal analysis module is connected, the gas particulate laser induced breakdown spectrum signal collector is installed in the flue along the diameter of the flue, the gas particulate laser induced breakdown spectrum signal collector is connected with the spectrometer through armoured optical fibers, and the spectrometer is connected with the signal analysis module through a data line. The invention realizes comprehensive on-line monitoring of gas flow rate and particulate matter composition.

【技术实现步骤摘要】
一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法
本专利技术涉及环境监测领域，特别涉及一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法。
技术介绍
社会经济迅速发展的同时，工业生产释放的废气、废水和颗粒物等给自然环境造成了严重的污染，使环境保护面临严峻的挑战，并引起了世界范围的广泛关注。颗粒物污染问题是导致现代生活环境恶化的另一个重要因素，颗粒物污染是由于工业生产造成的固体小颗粒在空气中形成的大气污染，颗粒物污染往往会对人们的生活和健康构成严重威胁，颗粒物中的一些小颗粒(PM2.5)还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害重金属溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。要实现环境治理，首先需要监测污染气体的排放总量，在此过程中排放速度与气体浓度的实时在线监测是两个不可或缺的前提。基于光学方法的烟气流速测量仪器具有非介入、可在高温、易爆等极端条件的烟道上使用、抗环境因素干扰能力强等特点，在工业监测中越来越受到重视。目前，美国已经实现了光学流速计的商品化，OFS-2000光学流速计是其中的典型代表。该光学流速计采用单光源、双探测器的结构，可实现烟气流速的有效测量。此外，也有很多研究人员基于粒子消光特性的随机起伏造成的光闪烁，对烟气流速进行测量。但从测量原理上来看，上述方法都是基于主动照射的测量方式，无法实现气体流速和颗粒物成分的综合在线监测，在实际应用过程中，需要在工业烟道两侧分别钻孔，并保证孔径具有一定的同轴度，这给仪器的实际安装和调试带来了极大的不便。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法，以实现气体流速和颗粒物成分的综合在线监测，并避免实际安装和调试的不便。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统，所述监测系统包括两个气体流速信号收集器、气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器、光谱仪和信号分析模块；两个所述气体流速信号收集器沿烟道的轴向平行安装于烟道内；两个所述气体流速信号收集器均与所述信号分析模块连接，两个所述气体流速信号收集器用于获取两路烟道内气体的流速信号，并将两路所述流速信号发送给所述信号分析处理模块；所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器沿烟道的直径安装于烟道内，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器与所述光谱仪通过铠装光纤连接，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器用于获取所述烟道内的颗粒物激光诱导击穿光谱信号，并将所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号收集到所述光谱仪上；所述光谱仪通过数据线与所述信号分析模块连接，所述光谱仪用于分析所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号，获得颗粒物成分信息，并将所述颗粒物成分信息发送给所述信号分析处理模块；所述信号分析处理模块用于将两路所述流速信号关联，得到关联后信号，并根据所述关联后信号对烟道内气体的流速进行在线监测，根据所述颗粒物成分信息对烟道内的颗粒物进行在线监测。可选的，所述气体流速信号收集器包括探测器、探测器驱动模块、镜架、第一信号收集组合透镜、组合透镜压环、准直腔、防尘镜、防尘镜压环和法兰盘；所述防尘镜通过所述防尘镜压环固定于所述准直腔内，烟道内的气体出射的红外光经过所述防尘镜进入所述准直腔；所述准直腔的一端与所述法兰盘螺纹连接，所述准直腔的另一端与所述镜架的一端连接，所述第一信号收集组合透镜通过所述组合透镜压环固定于所述镜架内部，所述准直腔用于将所述红外光进行准直处理，处理后的所述红外光照射到所述第一信号收集组合透镜上；所述镜架的另一端与所述探测器螺纹连接；所述探测器驱动模块与所述探测器通过供电线连接，所述探测器驱动模块通过供电线为所述探测器供电；所述探测器通过数据线与所述信号分析模块连接；所述第一信号收集组合透镜将所述处理后的红外光聚焦到所述探测器上，所述探测器将所述处理后的红外光转换为电信号，得到烟道内气体的流速信号。可选的，所述防尘镜压环上设置有多个沿所述防尘镜压环周向均匀分布的出气孔，所述防尘镜压环上还设置有吹扫气体进气孔，所述出气孔中心轴与所述防尘镜镜面成10度夹角，所述准直腔的侧壁上设置有多个凹槽，所述凹槽的位置与防尘镜压环的出气孔的位置相对应，所述凹槽与所述吹扫气体进气孔相连通，吹扫气体由所述吹扫气体进气孔进入所述凹槽，从所述出气孔流出。可选的，所述监测系统还包括信号预处理模块，所述信号预处理模块分别与两个所述气体流速信号收集器和所述信号分析模块连接，所述信号预处理模块用于将两路所述流速信号进行滤波和放大处理，得到两路处理后的流速信号。可选的，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器包括第二信号收集组合透镜、半反半透镜和激光聚焦组合透镜、镜筒，所述半反半透镜通过调整架安装于所述镜筒内部的中间位置，入射激发光束经所述半反半透镜反射，照射到所述激光聚焦组合透镜上；所述激光聚焦组合透镜安装于所述镜筒内部的一端，所述激光聚焦组合透镜将反射的入射激发光束在所述烟道内聚焦，激发所述烟道内的颗粒物，得到颗粒物激光诱导击穿光谱信号；所述第二信号收集组合透镜安装于所述镜筒内部的另一端，所述镜筒的另一端通过所述铠装光纤与所述光谱仪连接，所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号经所述激光聚焦组合透镜准直后，穿过所述半反半透镜照射到所述第二信号收集组合透镜上，所述第二信号收集组合透镜将处理后的所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号的收集到所述光谱仪。可选的，所述监测系统还包括激光器；所述激光器与所述半反半透镜对应设置，所述激光器用于产生入射激发光束，并将所述入射激发光束照射到所述半反半透镜上。可选的，所述信号分析模块包括计算机和采集卡，所述采集卡通过数据线分别与两个所述气体流速信号收集器和所述光谱仪连接。一种排放气体流速及颗粒物成分的监测方法，所述监测方法应用于所述监测系统，所述监测方法包括如下步骤：获取两个流速信号；将两个所述流速信号关联，得到关联后信号，根据所述关联后信号对烟道内气体的流速进行在线监测；获取颗粒信息；根据所述颗粒物成分信息对烟道内的颗粒物进行在线监测。可选的，所述将两个所述流速信号关联，得到关联后信号，根据所述关联后信号对烟道内气体的流速进行在线监测，具体包括：利用公式将两路所述流速信号关联，得到关联后信号；其中，κ0表示烟道内的空间波数，k表示光波数，v(z)表示流速、ρ表示两光束之间的平均距离，τ表示延迟时间、L表示光束传输距离、Dt和Dr分别表示发射和接收孔径，J0和J1分别表示零阶和一阶Bessel函数，Snl(κ0)表示折射率虚部的谱。可选的，所述根据所述颗粒物成分信息对烟道内的颗粒物进行在线监测，具体包括：采用无标分析法，利用公式对所述烟道内的颗粒物成分进行连续的在线监测；其中，表示测量的第s种元素的谱线强度；Cs表示第s种元素的浓度，Aji表示能级j向能级i跃迁的几率；Ej表示激发能级j的能量；gj表示激发能级j的简并度；F表示实验参数；k表示波尔兹曼常数，Us(T)表示配分函数，T表示等离子体温度。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术公开了一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法。所述监测系统通过设置在烟道内的两个气体流速信号收集器，实时获取两路烟道内气体的流速信号，通过所述信号分析处理模块将两路所述流速信号关联，得到关联后信号，并根据所述关联后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括两个气体流速信号收集器、气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器、光谱仪和信号分析模块；两个所述气体流速信号收集器沿烟道的轴向平行安装于烟道内；两个所述气体流速信号收集器均与所述信号分析模块连接，两个所述气体流速信号收集器用于获取两路烟道内气体的流速信号，并将两路所述流速信号发送给所述信号分析处理模块；所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器沿烟道的直径安装于烟道内，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器与所述光谱仪通过铠装光纤连接，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器用于获取所述烟道内的颗粒物激光诱导击穿光谱信号，并将所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号收集到所述光谱仪上；所述光谱仪通过数据线与所述信号分析模块连接，所述光谱仪用于分析所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号，获得颗粒物成分信息，并将所述颗粒物成分信息发送给所述信号分析处理模块；所述信号分析处理模块用于将两路所述流速信号关联，得到关联后信号，并根据所述关联后信号对烟道内气体的流速进行在线监测，根据所述颗粒物成分信息对烟道内的颗粒物进行在线监测。

【技术特征摘要】
1.一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括两个气体流速信号收集器、气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器、光谱仪和信号分析模块；两个所述气体流速信号收集器沿烟道的轴向平行安装于烟道内；两个所述气体流速信号收集器均与所述信号分析模块连接，两个所述气体流速信号收集器用于获取两路烟道内气体的流速信号，并将两路所述流速信号发送给所述信号分析处理模块；所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器沿烟道的直径安装于烟道内，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器与所述光谱仪通过铠装光纤连接，所述气体颗粒物激光诱导击穿光谱信号采集器用于获取所述烟道内的颗粒物激光诱导击穿光谱信号，并将所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号收集到所述光谱仪上；所述光谱仪通过数据线与所述信号分析模块连接，所述光谱仪用于分析所述颗粒物激光诱导击穿光谱信号，获得颗粒物成分信息，并将所述颗粒物成分信息发送给所述信号分析处理模块；所述信号分析处理模块用于将两路所述流速信号关联，得到关联后信号，并根据所述关联后信号对烟道内气体的流速进行在线监测，根据所述颗粒物成分信息对烟道内的颗粒物进行在线监测。2.根据权利要求1所述的一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统，其特征在于，所述气体流速信号收集器包括探测器、探测器驱动模块、镜架、第一信号收集组合透镜、组合透镜压环、准直腔、防尘镜、防尘镜压环和法兰盘；所述防尘镜通过所述防尘镜压环固定于所述准直腔内，烟道内的气体出射的红外光经过所述防尘镜进入所述准直腔；所述准直腔的一端与所述法兰盘螺纹连接，所述准直腔的另一端与所述镜架的一端连接，所述第一信号收集组合透镜通过所述组合透镜压环固定于所述镜架内部，所述准直腔用于将所述红外光进行准直处理，处理后的所述红外光照射到所述第一信号收集组合透镜上；所述镜架的另一端与所述探测器螺纹连接；所述探测器驱动模块与所述探测器通过供电线连接，所述探测器驱动模块通过供电线为所述探测器供电；所述探测器通过数据线与所述信号分析模块连接；所述第一信号收集组合透镜将所述处理后的红外光聚焦到所述探测器上，所述探测器将所述处理后的红外光转换为电信号，得到烟道内气体的流速信号。3.根据权利要求2所述的一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统，其特征在于，所述防尘镜压环上设置有多个沿所述防尘镜压环周向均匀分布的出气孔，所述防尘镜压环上还设置有吹扫气体进气孔，所述出气孔中心轴与所述防尘镜镜面成10度夹角，所述准直腔的侧壁上设置有多个凹槽，所述凹槽的位置与防尘镜压环的出气孔的位置相对应，所述凹槽与所述吹扫气体进气孔相连通，吹扫气体由所述吹扫气体进气孔进入所述凹槽，从所述出气孔流出。4.根据权利要求1所述的一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括信号预处理模块，所述信号预处理模块分别与两个所述气体流速信号收集器和所述信号分析模块连接，所述信号预处理模块用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：董凤忠，刘建苹，倪志波，张志荣，付洪波，王华东，贾军伟，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，刘建苹，
类型：发明
国别省市：安徽,34