气体浊度和含尘浓度的在线监测仪制造技术

一种气体浊度和含尘浓度的在线监测仪，其主要特点是：（１）集先进的激光、光纤、锁相、微机等技术为一体；（２）采用单光程、双光束且收、发分置的双端系统结构，在收发两端之间跨接光缆，对参考光进行耦合传输，实现相关测量；（３）光纤耦合头的前部加装半封闭防尘套筒，保证相关测量的准确性；（４）光路中加装切光盘，使测量和参考两束光相继输出，实现两光束合用一个探测器和信号处理系统；（５）选用体积小、寿命长的半导体激光器作光源；（６）采用锁相技术进行模拟信号处理和８０９８单片机进行数据处理，所以该仪器在恶劣的工作环境下长期运行稳定可靠，测量精度高，安装、维护方便。（*该技术在2004年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术属于测量领域，具体涉及一种用半导体激光二极管作光源，对各种气体的浊度或所含粉尘浓度进行实时的在线监测仪。目前，国内外测量气体含尘量的方法，大体分为两大类沉降法和非沉降法。沉降法虽然具有直接测量气体中粉尘的质量浓度的优点，但由于它不能自动、连续测量，尤其无法实现污染源的在线监测，且操作繁琐，测量误差大，已远不适应当前环境污染的监测要求。非沉降法监测手段，近年来发展较块，在非沉降法中利用光学原理制造的无接触在线监测仪在国外已广泛使用。此类仪器的监测方法主要分为光透射法和光散射法两种，国内外诸多此类仪器的结构特点各不相同，为了克服影响测量精度的诸多因素，提高监测精度所采取的技术措施的水平和效果互不一样，综合起来看，此类现有的商品化仪器均有待进一步完善，有的存在着明显的不足或缺陷，例如，如何有效地消除由于窗面积灰污染造成的测量误差，这是国内外同类仪器普遍存在的问题，也是影响该类仪器测量准确度的关键问题之一。如德国DURAG公司生产的D——R216浊度仪，虽然在测量系统中加入了鼓风机，对窗面进行鼓风隔离，但杜绝不了窗面的慢积灰污染，使用中仍存在由此造成的测量误差。美国生产的M400型和DYNATRON1100型浊度仪，虽增加了窗面状态探测器，由于探测器光敏面的污染，没有采取措施克服，也不可能有效地实现对测量误差进行自动补偿。如内蒙古电力试验研究所的JFN-2型粉尘浓度计，以He-Ne激光器作光源，采用双光源、单光程对测系统，可自动补偿光源、电压波动及电子元器件性能变化引起的误差，但窗面污染造成的误差无法补偿，且不适合振动较大的场合，再者，用He-Ne激光器作光源寿命较短。本技术的目的是提供一种集先进的激光技术、光纤技术、锁相技术和微机技术为一体，能自动补偿由于窗面积灰、电源电压和光源强度波动、探测器及电子元器件性能变化、烟道振动和变形以及烟气湍流效应引起的光束漂移和扩斑等多种因素造成的误差，实时监测气体浊度和含尘浓度的在线监测仪。该在线监测仪包括光路和光电转换部分、空气净化部分、模拟信号处理单元、数据处理单元，光路和光电转换部分包括激光器1，光路的发射端2、光路的接收端7，光电转换器4、8，光纤耦合器5、6，传输光纤25，空气净化部分包括空气净化室10、11，空气滤清器12、13，模拟信号处理单元包括前置放大器3、9，电源14，接线盒15，模拟信号处理器16，数据处理单元包括A/D转换器17，单片机18，数码显示器19，微型打印机20，模拟量指示器21，模拟量输出22，声、光报警装置23组成，其净化室10、11对称放置在被测气体的两侧分别与空气滤清器12、13联接，激光器1发出的光束进入光路部分的发射端2，光路系统的发射端2发出的光信号一部分经净化室10、被测气体、净化室11射向光路部分的接收端7，一部分经光纤耦合器5、光纤25、光纤耦合器6传输射向光路部分的接收端7，其光信号交替的进入光电转换器8，光电转换器8输出的交流电信号进入前置放大器9，发射端的另一部分光直接经光电转换器4输出，其电信号进入前置放大器3，前置放大器3、9输出的信号分别经接线盒15与模拟信号处理器16联接，模拟信号的输出端经A/D转换器17进入单片机18进行数据处理并显示和打印测量结果。光路发射端2包括平面全反镜27、30、33、34、第一析光镜29、第二析光镜36、会聚透镜35、调制盘28、切光盘32、保护窗片37，光路接收端包括保护窗片38、会聚透镜39，由激光器1发射出的光经全反镜27反射，反射光经调制28、第一析光镜29分成透射光和反射光，其中透射光经反射镜30和切光盘32射向第二析光镜36，一部分为透射光记作Ir，一部分为反射光记作I0，透射光经发射端保护窗片37穿透被测气体进入接收端，经接收端保护窗片38和会聚透镜39入射到光电转换器8上，反射光经会聚透镜35入射到探测器4上，来自第一析光镜29的反射光经切光盘32、全反镜34、33射向第二析光镜36，一部分为透射光记作Ir′，一部分为反射光记作I0′，透射光经保护窗片37进入光纤耦合器5经光缆25传输到接收端再经接收端的光纤耦合器6、保护窗片38和会聚透镜39入射到光电转换器8上，反射光经会聚透镜35入射到光电转换器4上，光电转换器4与前置放大器3联接，光电转换器8与前置放大器9联接，在切光盘上开有一个小孔，与光电耦合器装配定位。光纤耦合器的头部加装防尘套筒40。其激光器采用半导体激光器。该在线监测仪具有以下优点1.由于在收、发两端的保护窗片之间跨接一根光纤，对一束参考光进行耦合传输，构成单光源、单光程、双光束系统，实现了相关测量，有效的克服了窗面积灰所造成的测量误差，提高了测量精度。实现相关测量原理及求值公式如下把光路分成如图4所示的L1、L2、L3三段，设测量光和参考光各分段处的光强分别为I0、Ir1、Ir2、Ir3和I0′、Ir1′、Ir2′、Ir3′，根据朗伯——比尔定律，各光程段的透光率分别表示为测量光路T1＝Ir1/I0＝e-β1·L1T2＝Ir2/Ir1＝e-β2·L2T3＝Ir3/Ir2＝e-β3·L3参考光路T1′＝Ir1′/I0′＝e-β1′·L1′T2′＝Ir2′/Ir1′＝e-β2′·L2′T3′＝Ir3′/Ir2′＝e-β3′·L3′两光路的总透过率分别为T＝T1·T2·T3-Ir3/I0＝e-β1·L1·e-β2·L2·e-β3·L3(1)T′＝T1′·T2′·T3′＝Ir3′/I3′＝e-β1′·L1′·e-β2′·L2′·e-β3′·L3′(2)两束光经过L1、L3两段光程所造成的衰减是来自窗片和窗片上的积灰及透镜39。而窗片是等厚的，窗片上的积灰是由无规则的飞灰漫污染造成，积灰分布可看作是均匀的，两束光在透镜的入射点调到等厚位置，在这两段光程上的其余部分处在仪器的密封空间，对光衰减无作用，所以β1·L1＝β1′·L1′，β3·L3＝β3′·L3′，因此(1)/(2)为(Ir3·I0′)/(I0·Ir3′)＝e-β2·L2/e-β2′·L2′式中β2′·L2′为已知数，故e-β2′·L2′为一常数，以K表示，称为传输光纤的耦合系数，即 烟气的浊度为Q＝1-T烟=1Ir3·I0Ir3·I0·K--------(4)]]>式(3)中β2＝α.C，α-单位浓度的烟气在单位长度上对光的衰减系数C-烟气的质量浓度即e-α·C·L2=Ir3·I0′I0·Ir3′·K]]>该式两边取对数变换得出烟气的质量浓度表达式为 (式(5)中α的大小取决于含尘微粒的特性，而其特性又取决于煤种、锅炉和除尘器的工况等。对于单一煤种或参比固定的混合煤，在锅炉及除尘器工况基本稳定的前提下，α可视为一常数，其值通过标定求出)，由上述求值公式推导的结果看出实现双光路相关测量，可自动消除窗面污染造成的测量误差，同时也大大减少了仪器的维护次数。2.由于窗片的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体浊度和含尘浓度的在线监测仪，其特征在于它包括光路和光电转换部分、空气净化部分、模拟信号处理单元、数据处理单元，光路和光电转换部分包括激光器１，光路的发射端２、光路的接收端７，光电转换器４、８，光纤耦合器５、６，传输光纤２５，空气净化部分包括空气净化室１０、１１，空气滤清器１２、１３，模拟信号处理单元包括前置放大器３、９，电源１４，接线盒１５，模拟信号处理器１６，数据处理单元包括Ａ／Ｄ转换器１７，单片机１８，数码显示器１９，微型打印机２０模拟量指示器２１，模拟量输出２２，声、光报警装置２３组成，其净化室１０、１１对称放置在被测气体的两侧分别与空气滤清器１２、１３联接，激光器１发出的光束进入光路系统的发射端２，光路系统的发射端２发出的光信号一部分经净化室１０、被测气体、净化室１１射向光路系统的接收端７，一部分经光纤耦合器５、光纤２５、光纤耦合器６传输射向光路系统的接收端７，其光信号交替的进入光电转换器８，光电转换器８输出的交流电信号进入前置放大器９，发射端的另一部分光直接经光电转换器４输出，其电信号进入前置放大器３，前置放大器３、９输出的信号分别经接线盒１５与模拟信号处理器１６联接，模拟信号的输出端经Ａ／Ｄ转换器１７进入单片机１８进行数据处理并显示和打印测量结果。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕心起，宋吉男，刘澄，
申请(专利权)人：电力工业部南京电力环境保护科学研究所，
类型：实用新型
国别省市：32[中国|江苏]