專利名稱：氣體濁度和含塵濃度的在線監測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于測量領域，具體涉及一種用半導體激光二極管作光源，對各種氣體的濁度或所含粉塵濃度進行實時的在線監測儀。
目前，國內外測量氣體含塵量的方法，大體分為兩大類沉降法和非沉降法。沉降法雖然具有直接測量氣體中粉塵的質量濃度的優點，但由于它不能自動、連續測量，尤其無法實現污染源的在線監測，且操作繁瑣，測量誤差大，已遠不適應當前環境污染的監測要求。非沉降法監測手段，近年來發展較塊，在非沉降法中利用光學原理制造的無接觸在線監測儀在國外已廣泛使用。此類儀器的監測方法主要分為光透射法和光散射法兩種，國內外諸多此類儀器的結構特點各不相同，為了克服影響測量精度的諸多因素，提高監測精度所采取的技術措施的水平和效果互不一樣，綜合起來看，此類現有的商品化儀器均有待進一步完善，有的存在著明顯的不足或缺陷，例如，如何有效地消除由于窗面積灰污染造成的測量誤差，這是國內外同類儀器普遍存在的問題，也是影響該類儀器測量準確度的關鍵問題之一。如德國DURAG公司生產的D——R216濁度儀，雖然在測量系統中加入了鼓風機，對窗面進行鼓風隔離，但杜絕不了窗面的慢積灰污染，使用中仍存在由此造成的測量誤差。美國生產的M400型和DYNATRON1100型濁度儀，雖增加了窗面狀態探測器，由于探測器光敏面的污染，沒有采取措施克服，也不可能有效地實現對測量誤差進行自動補償。如內蒙古電力試驗研究所的JFN-2型粉塵濃度計，以He-Ne激光器作光源，采用雙光源、單光程對測系統，可自動補償光源、電壓波動及電子元器件性能變化引起的誤差，但窗面污染造成的誤差無法補償，且不適合振動較大的場合，再者，用He-Ne激光器作光源壽命較短。
本實用新型的目的是提供一種集先進的激光技術、光纖技術、鎖相技術和微機技術為一體，能自動補償由于窗面積灰、電源電壓和光源強度波動、探測器及電子元器件性能變化、煙道振動和變形以及煙氣湍流效應引起的光束漂移和擴斑等多種因素造成的誤差，實時監測氣體濁度和含塵濃度的在線監測儀。
該在線監測儀包括光路和光電轉換部分、空氣凈化部分、模擬信號處理單元、數據處理單元，光路和光電轉換部分包括激光器1，光路的發射端2、光路的接收端7，光電轉換器4、8，光纖耦合器5、6，傳輸光纖25，空氣凈化部分包括空氣凈化室10、11，空氣濾清器12、13，模擬信號處理單元包括前置放大器3、9，電源14，接線盒15，模擬信號處理器16，數據處理單元包括A/D轉換器17，單片機18，數碼顯示器19，微型打印機20，模擬量指示器21，模擬量輸出22，聲、光報警裝置23組成，其凈化室10、11對稱放置在被測氣體的兩側分別與空氣濾清器12、13聯接，激光器1發出的光束進入光路部分的發射端2，光路系統的發射端2發出的光信號一部分經凈化室10、被測氣體、凈化室11射向光路部分的接收端7，一部分經光纖耦合器5、光纖25、光纖耦合器6傳輸射向光路部分的接收端7，其光信號交替的進入光電轉換器8，光電轉換器8輸出的交流電信號進入前置放大器9，發射端的另一部分光直接經光電轉換器4輸出，其電信號進入前置放大器3，前置放大器3、9輸出的信號分別經接線盒15與模擬信號處理器16聯接，模擬信號的輸出端經A/D轉換器17進入單片機18進行數據處理并顯示和打印測量結果。
光路發射端2包括平面全反鏡27、30、33、34、第一析光鏡29、第二析光鏡36、會聚透鏡35、調制盤28、切光盤32、保護窗片37，光路接收端包括保護窗片38、會聚透鏡39，由激光器1發射出的光經全反鏡27反射，反射光經調制28、第一析光鏡29分成透射光和反射光，其中透射光經反射鏡30和切光盤32射向第二析光鏡36，一部分為透射光記作Ir，一部分為反射光記作I0，透射光經發射端保護窗片37穿透被測氣體進入接收端，經接收端保護窗片38和會聚透鏡39入射到光電轉換器8上，反射光經會聚透鏡35入射到探測器4上，來自第一析光鏡29的反射光經切光盤32、全反鏡34、33射向第二析光鏡36，一部分為透射光記作Ir′，一部分為反射光記作I0′，透射光經保護窗片37進入光纖耦合器5經光纜25傳輸到接收端再經接收端的光纖耦合器6、保護窗片38和會聚透鏡39入射到光電轉換器8上，反射光經會聚透鏡35入射到光電轉換器4上，光電轉換器4與前置放大器3聯接，光電轉換器8與前置放大器9聯接，在切光盤上開有一個小孔，與光電耦合器裝配定位。光纖耦合器的頭部加裝防塵套筒40。其激光器采用半導體激光器。
該在線監測儀具有以下優點1.由于在收、發兩端的保護窗片之間跨接一根光纖，對一束參考光進行耦合傳輸，構成單光源、單光程、雙光束系統，實現了相關測量，有效的克服了窗面積灰所造成的測量誤差，提高了測量精度。
實現相關測量原理及求值公式如下把光路分成如圖4所示的L1、L2、L3三段，設測量光和參考光各分段處的光強分別為I0、Ir1、Ir2、Ir3和I0′、Ir1′、Ir2′、Ir3′，根據朗伯——比爾定律，各光程段的透光率分別表示為測量光路T1＝Ir1/I0＝e-β1·L1T2＝Ir2/Ir1＝e-β2·L2T3＝Ir3/Ir2＝e-β3·L3參考光路T1′＝Ir1′/I0′＝e-β1′·L1′T2′＝Ir2′/Ir1′＝e-β2′·L2′T3′＝Ir3′/Ir2′＝e-β3′·L3′兩光路的總透過率分別為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)兩束光經過L1、L3兩段光程所造成的衰減是來自窗片和窗片上的積灰及透鏡39。而窗片是等厚的，窗片上的積灰是由無規則的飛灰漫污染造成，積灰分布可看作是均勻的，兩束光在透鏡的入射點調到等厚位置，在這兩段光程上的其余部分處在儀器的密封空間，對光衰減無作用，所以β1·L1＝β1′·L1′，β3·L3＝β3′·L3′，
因此(1)/(2)為(Ir3·I0′)/(I0·Ir3′)＝e-β2·L2/e-β2′·L2′式中β2′·L2′為已知數，故e-β2′·L2′為一常數，以K表示，稱為傳輸光纖的耦合系數，即 煙氣的濁度為Q＝1-T煙=1Ir3·I0Ir3·I0·K--------(4)]]>式(3)中β2＝α.C，α-單位濃度的煙氣在單位長度上對光的衰減系數C-煙氣的質量濃度即e-α·C·L2=Ir3·I0′I0·Ir3′·K]]>該式兩邊取對數變換得出煙氣的質量濃度表達式為 (式(5)中α的大小取決于含塵微粒的特性，而其特性又取決于煤種、鍋爐和除塵器的工況等。對于單一煤種或參比固定的混合煤，在鍋爐及除塵器工況基本穩定的前提下，α可視為一常數，其值通過標定求出)，由上述求值公式推導的結果看出實現雙光路相關測量，可自動消除窗面污染造成的測量誤差，同時也大大減少了儀器的維護次數。
2.由于窗片的外側面與光纖耦合鏡處于同一空間，對含塵氣體而言都是暴露的，故對窗面污染的同時光纖耦合鏡同樣受到污染，因此在光纖耦合頭的前部加裝一半封閉防塵套筒，筒長與內徑按一定比例設計，有效地克服了光纖耦合鏡的積灰污染問題，保證了相關測量的效果及準確度。
3.由于采用半導體激光器，光束的發散度小，光強集中，有利于光電轉換器全接收，并且耗電低，發熱量小，壽命長。光路系統設計成收、發分置的單程結構，易于保證全接收從而提高監測精度，同時對光源的輸出功率和發散度要求較低，便于安裝、調試和維修。
4.光路中采用同步電機帶動切光盤，使測量光束和參考光束自動切換、相繼輸出，實現了兩光路信號合用一個光電轉換器和同一個信號處理系統，經歸一化處理，有效的克服了由于光電轉換器性能的變化，電子元件的老化、溫漂，電源電壓及光源波動等造成的測量誤差。
5.接收端的會聚透鏡設計成足夠大，保證光線全接收，有效地克服了由于煙道振動、形變以及煙氣湍流效應引起的光束擴斑和漂移等因素造成的測量誤差。
6.由于測量光束和參考光束交替的進入和脫開切光盤的測量區和阻擋區，使透射到光電轉換器上的光強按相同周期出現由小到大和由大到小的變化，由此產生的大小交替變化的電信號經鎖相放大器處理時，由于低通濾波器的時間常數的影響，使輸出波形形成一定寬度的前后沿，為避免計算機采集數據時，在沿上取樣造成誤差，在切光盤的一定位置上開有一個通孔，與光電耦合器裝配定位，切光盤每轉一周就給出一個同步采集信號，確保同步數據采集的準確度，避免了由于切光盤驅動電機轉速不穩造成的積累誤差，提高了測量精度。
7.利用煙道負壓，裝置中省去了鼓風機，用空氣濾清器，靠煙道內外壓差，形成自然吸風隔離，保護窗片，免受煙氣污染，進風量的大小由裝在空氣濾清器進口處的風門調節。
8.該儀器采用單頻鎖相放大器進行模擬信號處理，大大提高了儀器的監測靈敏度和分辨力。
9.采用8098單片機進行數據處理和控制，提高了儀器的性能價格比。
10.該儀器能適應灰(粉)塵、振動、高溫等惡劣現場的工作環境，可廣泛應用于火電廠、冶金、化工、水泥、紡織等工業部門的煙氣濁度、濃度或環境空氣含塵量的連續監測。也可根據用戶要求做成便攜式，進行巡回測量。因此，該儀器是污染源在線監測或巡回檢測的理想儀器，也是與中央處理機配接構成閉環控制系統，實現除塵節能的關鍵設備。另外，采取一定措施，該儀器還可安裝在各種工業鍋爐除塵器入口處的煙道壁上，一方面實現了除塵效率的實時連續測量，又可實現對鍋爐運行工況的連續監測和提供鍋爐燃燒自動調整的反饋信號。
結合下列附圖對本實用新型作進一步說明

圖1為本監測儀的結構框圖圖2為監測儀的光路和光電轉換系統圖圖3為光信號波形圖圖4為光纖耦合器示意圖圖5為單光程雙光束光路示意圖圖6為模擬信號處理單元結構框圖圖7為模擬信號處理單元輸出波形圖圖8為二次儀表的前面板示意圖圖9為二次儀表的后面板示意圖圖10為數據處理單元結構框圖圖中1——激光器 2——光路發射端7——光路接收端 4、8——光電轉換器5、6——光纖耦合器 10、11——空氣凈化室12、13——空氣濾清器 3、9——前置放大器14——電源 15——接線盒16——模擬信號處理器 17——A/D轉換器
18——單片機 19——數碼顯示器20——微型打印機 21——模擬量指示器22——模擬量輸出(0～5V) 23——聲、光報警裝置24——聯接法蘭 25——傳輸光纖26——煙道壁 27、30、33、34——平面全反鏡29——第一析光鏡 36——第二析光鏡35、39——會聚透鏡 28——調制盤32——切光盤 37、38——保護窗片31——光電耦合器 40——防塵套筒41——光纖耦合頭 42——傳輸光纜AC1、AC2——交流放大器 DC1、DC2——直流放大器PSD1、PSD2——相敏檢波器 LPF1、LPF2——低通濾波器φ——移相器～～ ～～Vr、Vr′——交流電壓測量信號 V0、V0′——交流電壓參考信號Vr、Vr ′——直流電壓測量信號V0、V0′——直流電壓參考信號52——濁度值指示燈 53——濃度值指示燈54——電壓表 55——電流表56——16位數字鍵 57——四位功能鍵58——電源開關 59——電壓指示轉換開關60——功能選擇開關 62——報警指示燈63——同步采集指示燈 64——電源插座65——保險絲管座 67——輸入接口(連一次儀表)70——同步采集電路 71——整形電路72——8098單片機 73——I/O接口(1)
74——功率放大器75——存儲器76——I/O接口(2)77——光電隔離器圖1中虛線框I為監測儀的發射端，虛線框II為監測儀的接收端，虛線框III為監測儀的二次儀表，在被測煙氣通道的直管段上兩對測各開一小孔，此孔開在被測煙氣通道的中心部位，要求測孔前的直管段大于測孔后的直管段，將事先加工好的兩只法蘭盤分別焊接在小孔上，然后與空氣濾清器及儀器測量頭的發射端和接收端依次聯接，在兩法蘭之間的不同方位上墊加金屬薄片一次性調節好測量頭的方位，使光路對準，將配有金屬軟管保護的光纖環繞并垂直煙道走線，光纖兩端分別聯接在發射端和接收端上，根據煙道內負壓的大小，調節空氣濾清器的風門開度，接好供電電源、接線盒、二次儀表，供電電源為交流220V。
圖2中左邊虛線框內為光路系統的發射端，右邊虛線框內為光路系統的接收端，光路中采用每秒1轉的同步電機帶動切光盤，使測量光束和參考光束自動切換、相繼輸出，實現了兩光路合用一個探測器和同一個信號處理系統。
圖3中示出了A～H8個點的光信號波形圖，其中IA波形圖為采用半導體激光器1發出的光信號波形圖，IB波形圖為經過調制盤28調制后的光信號波形圖，IC、ID、IE、IF波形圖為經過切光盤后的波形圖，IG為光信號在探測器9上的波形圖，IH為光信號在探測器3上的波形圖。
圖4示出了光纖耦合器示意圖，在光纖耦合頭的前部加裝一半封閉的防塵套筒，筒長與內徑按一定比例設計。
圖5示出了單光程雙光束系統示意圖，參照此圖推導出了本監測儀的相關求值公式。
圖6由交流放大器AC1、相敏檢波器PSD1、低通濾波器LPF1、直流放大器DC1組成鎖相放大通道，交流放大器AC2、相敏放大器PSD2、低通濾波器LPF2、直流放大器DC2組成同步解調通道，移相器一端接在交流放大器AC2與相敏放大器PSD2之間，另一端與相敏放大器PSD1聯接。交流放大器AC、相敏檢波器PSD、低通濾波器LPF、直流放大器DC均為常規電路。
圖7是模擬信號處理器的輸出波形圖，由光電耦合器通過切光盤的小孔1秒鐘產生一個脈沖其幅值記作Vs，作為計算機的外部中斷信號使計算機開始同步采集電壓信號Vr、V0、Vr′、V0′并進行A/D轉換。
圖8中57為4個功能鍵，包括復位鍵Reset、上翻鍵Last、下翻鍵Next、執行鍵Exec，60為功能選擇鍵，共有0～9十個狀態，0為靜態調試時光纖耦合系數的運算，1為濁度運算，2為濃度運算，其它狀態備用。
圖10示出了數據處理系統結構框圖，由光路系統中的光電耦合器通過切光盤的小孔1秒鐘產生1個脈沖信號，經同步采集電路70、整形電路71與單片機連接，1秒鐘給單片機一個脈沖信號Vs，同時由鎖相放大通道、同步解調通道輸出的電壓信號V0、V0′、Vr、Vr′進入單片機的A/D轉換器，8098單片機經總線與兩個I/O接口聯接，I/O(1)接口一路經功率放大器74與數碼顯示管19聯接，一路經鍵盤56與數碼顯示管19聯接，I/O(2)接口直接與功能選擇鍵60、打印機20連接，且經光電隔離器77與聲光報警裝置23聯接，存儲器75、模擬量輸出22直接與單片機聯接。
儀器安裝好后，首先打開測量頭的電源由半導體激光器(1)發出的一束波長為670nm、近場光斑直徑為φ5的平行光，經全反鏡(27)射向調制盤(28)被調制成1KH2的交變光，此交變光經析光鏡(29)，將一束光分成兩束(透射光和反射光)，分束比為4∶1，透射光經全反鏡(30)和切光盤(32)射向分束比為9∶1的析光鏡(36)，將10％的光強經聚透鏡(35)入射到探測器(硅光電池)(4)上，將另一部分光強經發射端保護窗片(37)穿透被測煙道氣體進入接收端，經接收端保護窗片(38)和聚光鏡(39)入射到探測器(8)上。來自析光鏡(29)的一束反射光經切光盤(32)、全反鏡(34)、(33)射向析光鏡(36)，將10％的反射光經聚光鏡(35)入射到探測器(4)上，而另一部分透射光經保護窗片(37)進入光纖耦合頭(5)，經光纜(25)傳輸到接收端的光纖耦合頭(6)，再經接收端的保護窗片(38)和聚透鏡(39)入射到探測器(8)上。
入射到探測器(4)上的光信號記作Io和Io′，入射到探測器(8)上的光信號記作Ir和Ir′，這四個信號經探測器轉換后成相應的四個電壓信號記作Vo、Vo′、Vr、Vr′，分別經前置放大器(3)、(9)放大后經傳輸電纜傳輸到二次儀表的同步調解通道和鎖相放大通道。
二次儀表的電源58打開后，首先通過數字鍵56設定工作日期，打印時間(多長時間打印一次)，判斷年月日設置正確否，設置完成后，顯示器恢復初始狀態，6位數碼管顯示器51顯示00.0000，程序循環等待響應外部中斷，計算機1秒鐘開一次中斷，運行外部中斷子程序，將進行模擬信號處理后的電壓信號進行A/D轉換，由8098單片機根據不同的功能選擇進行相應的函數運算，操作功能鍵60選擇0時為靜態調試時光纖耦合系數的運算，選擇1時為濁度運算，濁度指示燈52亮，選擇2時為濃度運算，濃度指示燈53亮，連續測量結果由數碼管顯示、表頭指示和打印記錄。若濁度或濃度值超過規定值時進行聲、光報警。調節電壓指示轉換開關59可檢查二次儀表的各工作電壓。
權利要求1.一種氣體濁度和含塵濃度的在線監測儀，其特征在于它包括光路和光電轉換部分、空氣凈化部分、模擬信號處理單元、數據處理單元，光路和光電轉換部分包括激光器1，光路的發射端2、光路的接收端7，光電轉換器4、8，光纖耦合器5、6，傳輸光纖25，空氣凈化部分包括空氣凈化室10、11，空氣濾清器12、13，模擬信號處理單元包括前置放大器3、9，電源14，接線盒15，模擬信號處理器16，數據處理單元包括A/D轉換器17，單片機18，數碼顯示器19，微型打印機20，模擬量指示器21，模擬量輸出22，聲、光報警裝置23組成，其凈化室10、11對稱放置在被測氣體的兩側分別與空氣濾清器12、13聯接，激光器1發出的光束進入光路系統的發射端2，光路系統的發射端2發出的光信號一部分經凈化室10、被測氣體、凈化室11射向光路系統的接收端7、一部分經光纖耦合器5、光纖25、光纖耦合器6傳輸射向光路系統的接收端7，其光信號交替的進入光電轉換器8，光電轉換器8輸出的交流電信號進入前置放大器9，發射端的另一部分光直接經光電轉換器4輸出，其電信號進入前置放大器3，前置放大器3、9輸出的信號分別經接線盒15與模擬信號處理器16聯接，模擬信號的輸出端經A/D轉換器17進入單片機18進行數據處理并顯示和打印測量結果。
2.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于光路發射端2包括平面全反鏡27、30、33、34、第一析光鏡29、第二析光鏡36、會聚透鏡35、調制盤28、切光盤32、保護窗片37，光路接收端包括保護窗片38、會聚透鏡39，由激光器1發射出的光經全反鏡27反射，反射光經調制盤28、第一折光鏡29分成透射光和反射光，其中透射光經反射鏡30和切光盤32射向第二析光鏡36，部分為透射光記作Ir，一部分為反射光記作Io，透射光經發射端保護窗片37穿透被測氣體進入接收端，經接收端保護窗片38和會聚透鏡39入射到光電轉換器8上，反射光經會聚透鏡35入射到探測器4上，來自笫一析光鏡29的反射光經切光盤32、全反鏡34、33射向第二析光鏡36，一部分為透射光記作Ir′，一部分為反射光記作Io′，透射光經保護窗片37進入光纖耦合器5經光纜25傳輸到接收端再經接收端的光纖耦合器6、保護窗片38和會聚透鏡39入射到光電轉換器8上，反射光經會聚透鏡35入射到光電轉換器4上，光電轉換器4與前置放大器3聯接，光電轉換器8與前置放大器9聯接，在切光盤上開有一個小孔，與光電耦合器裝配定位。
3.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于光纖耦合器的頭部加裝防塵套筒40。
4.根據權利要求1所述的監測儀，其特征在于采用半導體激光器。
專利摘要一種氣體濁度和含塵濃度的在線監測儀，其主要特點是(1)集先進的激光、光纖、鎖相、微機等技術為一體；(2)采用單光程、雙光束且收、發分置的雙端系統結構，在收發兩端之間跨接光纜，對參考光進行耦合傳輸，實現相關測量；(3)光纖耦合頭的前部加裝半封閉防塵套筒，保證相關測量的準確性；(4)光路中加裝切光盤，使測量和參考兩束光相繼輸出，實現兩光束合用一個探測器和信號處理系統；(5)選用體積小、壽命長的半導體激光器作光源；(6)采用鎖相技術進行模擬信號處理和8098單片機進行數據處理，所以該儀器在惡劣的工作環境下長期運行穩定可靠，測量精度高，安裝、維護方便。
文檔編號G01N21/25GK2218928SQ9421975
公開日1996年1月31日 申請日期1994年8月30日 優先權日1994年8月30日
發明者呂心起, 宋吉男, 劉澄 申請人:電力工業部南京電力環境保護科學研究所