本发明专利技术涉及一种检测烟道中氨气浓度的激光原位检测系统，该检测系统包括发射光学探头、接收光学探头、温压一体传感器和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置；其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将所接收的光谱信号采用改进的随机并行梯度下降法进行迭代循环计算，从而得到每一循环目标函数ytx的最优解，然后以该最优解进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度。本系统可抑制光谱信号噪声，改善激光传输质量，显著提高烟道中氨气浓度的检测精度。
【技术实现步骤摘要】
一种检测烟道中氨气浓度的激光原位检测系统
本专利技术属于气体浓度检测
，具体涉及利用可调谐的激光器测试材料在特定元素或分子的特征波长下的相对效应。
技术介绍
目前火力发电厂普遍采用的烟气脱硝技术是干法脱硝，即利用氨气参与氧化还原反应以最大限度地除去氮氧化物。在脱硝过程中，当氨气的含量不足时，氮氧化物无法完全去除；当氨气的含量过多时，虽然会提高脱硝效率，但过量氨气通过烟道排出时将污染大气环境。因此在脱硝过程中需严格检测氨气的浓度。激光红外吸收光谱氨气原位检测系统采用基于气体红外吸收光谱的先进测量方法，它采用半导体激光器发射调制激光通过待测气体，根据激光强度与待测气体浓度的关系计算出待测气体浓度，相比于采用间歇式抽取方法的氨气浓度检测系统和抽取热湿法氨气浓度检测系统，具有测量速度快、精度高和不易受其他气体影响等优点。但在烟气的高温脱硝过程中，激光传输易受到粉尘、颗粒和高温湍流等因素的影响，降低探测精度，产生检测误差。研究者何莹等公开了一种高温氨逃逸激光原位监测系统，该系统利用DFB激光器作为光源，通过电流控制器和温控器调谐激光器输出中心波长在1531nm附近；调制后的激光通过2:98的光纤分束器分成参考光和检测光，其中2％的参考光经标准吸收池后由探测器转换成电信号送入信号处理模块，98％的检测光经垂直安装在烟道壁上的悬臂式光学探头射入700K的高温烟气中，吸收后的光谱信号由悬臂式光学探头内的探测器转换成电信号也送入信号处理模块；所述的参考光与检测光所转换成电信号经信号处理模块放大滤波和自动增益控制，再接入工控机进行数据采集处理并反演氨气浓度(何莹,张玉钧,王立明,等.高温氨逃逸激光原位监测的浓度反演算法[J].红外与激光工程,2014,第43卷,第3期,897-901页)。上述现有技术虽然进行了温度修正以及针对烟道环境和系统噪声引起的波形形变，使用迭代收敛法进行福依特线型拟合计算吸收谱线的积分面积(即积分吸光度)等一系列技术手段，但是仍然无法有效地克服粉尘、颗粒和高温湍流等因素所引起的散射、漂移等大气湍流效应(如畸变波前)，因此系统最大相对检测误差还是高达到1.5％。
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本专利技术提供一种检测烟道中氨气浓度的激光原位检测系统，该系统可抑制光谱信号噪声，改善激光传输质量，显著提高烟道中氨气浓度的检测精度。本专利技术解决上述问题的技术方案如下：一种检测烟道中氨气浓度的激光原位检测系统，该检测系统包括温压一体传感器、可调谐半导体激光吸收光谱检测装置和相对安装在烟道的左右两侧的发射光学探头与接收光学探头，其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、激光器控制器、扫描信号电路、分束器、标准吸收池、第二探测器、变形镜控制单元、比较放大电路和数据采集处理器；其特征在于，所述的接收光学探头包括具有窗口镜的圆柱形的保护筒，该保护筒内相对设有倾斜安装的反射式变形镜、支承该反射式变形镜的支座和第一探测器；其中，所述窗口镜的中心线经过所述反射式变形镜的反射镜面中心；所述的第一探测器由三维调整架支承在所述保护筒的侧壁上，且其接收面的垂直中心线也经过所述反射式变形镜的反射镜面的中心；所述扫描信号电路产生的扫描信号接入激光器控制器，控制半导体激光器输出中心波长为氨气红外吸收波长的激光，该激光由分束器分成检测光和参考光；其中，所述的检测光射入发射光学探头准直后经过烟道到达接收光学探头内，再由接收光学探头内的反射式变形镜反射至第一探测器转换成电信号送入比较放大电路的正向输入端；所述的参考光经标准吸收池后由第二探测器转换成电信号送入比较放大电路的反向输入端；所述的检测光和参考光所转换成电信号经比较放大电路比较放大后输出光谱信号接入所述变形镜控制单元，该变形镜控制单元将所接收的光谱信号采用随机并行梯度下降法进行计算，得到目标函数最优解和该最优解所对应的驱动电压；其中，所述的最优解送入数据采集处理器进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度；所述的驱动电压送至所述反射式变形镜的压电致动器，控制反射式变形镜的镜面形状；其中所述的随机并行梯度下降法包括以下步骤：(1)启动所述的激光原位检测系统后，所述的变形镜控制单元建立如下式(Ⅰ)所示的光谱信号强度的目标函数ytx和如下式(Ⅱ)迭代运算表达式：ytx＝f(v)＝f[(v1,v2,v3,......,vm)](Ⅰ)vn＝knΔvnΔytxn(Ⅱ)上式(Ⅰ)中，m为反射式变形镜的压电致动器的序号(即变形单元的序号)，v＝(v1,v2,v3,.....,vm)，v1～vm分别为反射式变形镜的相应压电致动器的驱动电压；上式(Ⅱ)中，n为迭代次数，vn＝(v1n,v2n,v3n,......,vmn)，Δvn为所述压电致动器驱动电压的随机扰动变量，Δytxn为比较放大电路所输出的光谱信号强度的随机扰动变量，kn为放大倍数并由下式(Ⅲ)计算得到：kn＝qkn-1(Ⅲ)上式(Ⅲ)中，q＝0.93；(2)所述的变形镜控制单元接收到比较放大电路输出的光谱信号后，按以下步骤对上式(Ⅱ)进行迭代运算：(2.1)当n＝1时，设置：kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，完成第一次迭代；(2.2)当n≥2时，每一步都先对上一步比较放大电路输出的光谱信号的强度变化趋势进行如下判断：如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn-1＜0，则令Δvn＝-0.5V，并按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn-1≥0，先按公式(Ⅲ)计算kn值，再按公式(Ⅱ)计算出vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；(2.3)按步骤(2.2)逐步进行迭代运算至预设的迭代次数后，选择目标函数ytx的最大值作最优解送入数据采集处理器，同时将该最优解所对应的驱动电压送至所述反射式变形镜相应的压电致动器，完成第一个迭代循环；(3)循环执行步骤(2.2)和(2.3)，直至所述的激光原位检测系统关闭。上述方案中，所述的反射式变形镜可以是4-64位变形镜，甚至可以是波面单元更多的变形镜。虽然波面单元越多，校正的准确性也越高，但是波面单元越多不仅成本高，而且运算时间越长，因此要进行综合评价后确定变形镜的波面单元的数量。由于本专利技术所述检测系统在第一次迭代时，设置kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，使反射式变形镜的镜面产生较大的变形，而从第二次迭代则按公式(Ⅲ)计算kn，并将kn及系统自动获取的Δvn和Δytxn代入公式(Ⅱ)进行迭代运算，同时每一步都按步骤(2.2)对第一探测器接收到的光信号强度的变化趋势进行判断，因此可有效避免目标函数的计算结果过早地陷入局部极值。尤其是，本专利技术所述检测系统以每一个迭代循环所得到的最优解作为浓度反演的光谱信号，因此可抑制光谱信号噪声，进一步改善激光传输质量，显著提高烟道中氨气浓度的检测精度。附图说明图1为本专利技术所述的激光检测系统的一个具体实施例的原理框图，图中的波浪线表示烟气。图2～5为图1中反射式变形镜的一个具体实施例的结构示意图，其中，图2主视图(本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种检测烟道中氨气浓度的激光原位检测系统，该检测系统包括温压一体传感器、可调谐半导体激光吸收光谱检测装置和相对安装在烟道的左右两侧的发射光学探头与接收光学探头，其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、激光器控制器、扫描信号电路、分束器、标准吸收池、第二探测器、变形镜控制单元、比较放大电路和数据采集处理器；其特征在于，所述的接收光学探头包括具有窗口镜的圆柱形的保护筒，该保护筒内相对设有倾斜安装的反射式变形镜、支承该反射式变形镜的支座和第一探测器；其中，所述窗口镜的中心线经过所述反射式变形镜的反射镜面中心；所述的第一探测器由三维调整架支承在所述保护筒的侧壁上，且其接收面的垂直中心线也经过所述反射式变形镜的反射镜面的中心；所述扫描信号电路产生的扫描信号接入激光器控制器，控制半导体激光器输出中心波长为氨气红外吸收波长的激光，该激光由分束器分成检测光和参考光；其中，所述的检测光射入发射光学探头准直后经过烟道到达接收光学探头内，再由接收光学探头内的反射式变形镜反射至第一探测器转换成电信号送入比较放大电路的正向输入端；所述的参考光经标准吸收池后由第二探测器转换成电信号送入比较放大电路的反向输入端；所述的检测光和参考光所转换成电信号经比较放大电路比较放大后输出光谱信号接入所述变形镜控制单元，该变形镜控制单元将所接收的光谱信号采用随机并行梯度下降法进行计算，得到目标函数最优解和该最优解所对应的驱动电压；其中，所述的最优解送入数据采集处理器进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度；所述的驱动电压送至所述反射式变形镜的压电致动器，控制反射式变形镜的镜面形状；其中所述的随机并行梯度下降法包括以下步骤：(1)启动所述的激光原位检测系统后，所述的变形镜控制单元建立如下式(Ⅰ)所示的光谱信号强度的目标函数ytx和如下式(Ⅱ)迭代运算表达式：ytx＝f(v)＝f[(v1,v2,v3,......,vm)] (Ⅰ)vn＝knΔvnΔytxn (Ⅱ)上式(Ⅰ)中，m为反射式变形镜的压电致动器的序号，v＝(v1,v2,v3,.....,vm)，v1～vm分别为反射式变形镜的相应压电致动器的驱动电压；上式(Ⅱ)中，n为迭代次数，vn＝(v1n,v2n,v3n,......,vmn)，Δvn为所述压电致动器驱动电压的随机扰动变量，Δytxn为比较放大电路所输出的光谱信号强度的随机扰动变量，kn为放大倍数并由下式(Ⅲ)计算得到：kn＝qkn‑1 (Ⅲ)上式(Ⅲ)中，q＝0.93；(2)所述的变形镜控制单元接收到比较放大电路输出的光谱信号后，按以下步骤对上式(Ⅱ)进行迭代运算：(2.1)当n＝1时，设置：kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，完成第一次迭代；(2.2)当n≥2时，每一步都先对上一步比较放大电路输出的光谱信号的强度变化趋势进行如下判断：如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn‑1＜0，则令Δvn＝‑0.5V，并按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn‑1≥0，先按公式(Ⅲ)计算kn值，再按公式(Ⅱ)计算出vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；(2.3)按步骤(2.2)逐步进行迭代运算至预设的迭代次数后，选择目标函数ytx的最大值作最优解送入数据采集处理器，同时将该最优解所对应的驱动电压送至所述反射式变形镜相应的压电致动器，完成第一个迭代循环；(3)循环执行步骤(2.2)和(2.3)，直至所述的激光原位检测系统关闭。...
【技术特征摘要】
1.一种检测烟道中氨气浓度的激光原位检测系统，该检测系统包括温压一体传感器、可调谐半导体激光吸收光谱检测装置和相对安装在烟道的左右两侧的发射光学探头与接收光学探头，其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、激光器控制器、扫描信号电路、分束器、标准吸收池、第二探测器、变形镜控制单元、比较放大电路和数据采集处理器；其特征在于，所述的接收光学探头包括具有窗口镜的圆柱形的保护筒，该保护筒内相对设有倾斜安装的反射式变形镜、支承该反射式变形镜的支座和第一探测器；其中，所述窗口镜的中心线经过所述反射式变形镜的反射镜面中心；所述的第一探测器由三维调整架支承在所述保护筒的侧壁上，且其接收面的垂直中心线也经过所述反射式变形镜的反射镜面的中心；所述扫描信号电路产生的扫描信号接入激光器控制器，控制半导体激光器输出中心波长为氨气红外吸收波长的激光，该激光由分束器分成检测光和参考光；其中，所述的检测光射入发射光学探头准直后经过烟道到达接收光学探头内，再由接收光学探头内的反射式变形镜反射至第一探测器转换成电信号送入比较放大电路的正向输入端；所述的参考光经标准吸收池后由第二探测器转换成电信号送入比较放大电路的反向输入端；所述的检测光和参考光所转换成电信号经比较放大电路比较放大后输出光谱信号接入所述变形镜控制单元，该变形镜控制单元将所接收的光谱信号采用随机并行梯度下降法进行计算，得到目标函数最优解和该最优解所对应的驱动电压；其中，所述的最优解送入数据采集处理器进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度；所述的驱动电压送至所述反射式变形镜的压电致动器，控制反射式变形镜的镜面形状；其中所述的随机并行梯度下降法包括以下步骤：(1)启动所述的激光原位检测系统后，所述的变形镜控制单元建立如下式(Ⅰ)所示的光谱信号强度的目标函数ytx和如下式(...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾巍，何莹，张玉钧，刘建国，刘文清，叶英杰，黄雅琴，张润梅，丁琨，雷经发，张涛，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34
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