专利名称：激光感生击穿光谱煤质分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光诊断和测量技术领域，具体涉及一种对入炉煤进行在线快速分析的装置。
背景技术：
燃煤电厂的基建投资、经济运行、以及对环境影响等，在很大程度上与煤质有关。在火力发电成本中，煤炭费用占80％。因此，了解和研究煤质诸因素对燃煤电厂的影响是至关重要的。离线的煤质分析方法有气相色谱法、液相色谱法、质谱法、火焰光度分析法和ICP-AES等一些光谱化学分析手段。这些离线的煤质测量方法，从采样、制样到检验结果的报出一般需要几个小时。检测结果严重滞后于锅炉燃烧，这不仅在一定程度上造成了能源的浪费，而且无法在线实时指导锅炉运行。离线的煤质分析方法已经很难满足火电厂煤炭检测技术发展的要求，采用先进、快速的分析手段已经成为当务之急，特别是研发出有效的煤质实时监测系统，使检测结果直接反馈到锅炉燃烧的运行控制中心，指导锅炉燃烧优化运行，根据煤质变化，及时调整锅炉燃烧过程，实现燃煤锅炉的高效低污染运行，成为火电厂煤炭检测技术发展的方向。目前，在线的煤质测量方法有X射线荧光光谱、双能量γ射线透射法、快中子和γ射线吸收法等。但X射线荧光光谱只适合分析原子量为13的铝和原子量为92的铀之间的元素。双能γ射线透射法最大的缺点是价格昂贵、安全隐患大。目前，一台Gamma-Metrics公司的在线煤质分析仪的价格约400万人民币左右；而且，γ射线的对人体的危害很大。另外，γ射线煤质分析仪的γ射线源和γ射线接收器是分开的两个独立的部分，给工业安装也提供了困难。
激光感生击穿光谱技术具有高检测灵敏度，可以实现在线测量，一次光谱可测量多种组分，不干扰被测对象，测量对象可以是气体、液体、也可以是固体。相对与前面提到的煤质在线分析方法，它可大幅度降低设备成本，结构紧凑，发射源和接收、检测部分不分离，利于工业安装，并且可以做成便携式。使用安全、简单，不存在像γ射线等带来的安全隐患。以J.P.Singh等人为代表的研究者对激光感生击穿光谱进行了深入的实验研究，实验方框图见图1。
图1中，带箭头的实线为光源发射光，带箭头的虚线为等离子体发射光。等离子体的发射光经光纤传输到单色仪分光后，数据采集和分析系统对光信号进行处理。分光镜使波长为532nm的光反射到反光镜、使波长为1064nm的光透射后被挡光板吸收。以上实验中对于固体样品，需要在实验前进行溶样处理，然后用滴管将浓度为1000μg/ml的溶样100μl滴到炭棒的顶端，溶样在炭棒的表面蒸发成气态后与激光作用产生等离子体。样品池的旋转用一个外接的尼龙螺丝人为控制。该实验方法主要是用于实验室规模的实验研究，不适合工业在线应用的要求。
发明内容
本实用新型提出一种激光感生击穿光谱煤质分析仪，解决目前燃煤电厂对煤样在线快速分析的问题；针对少数燃煤电厂进口的煤质在线测量仪器一一Gamma-Metrics公司的在线煤质分析仪价格昂贵、体积巨大的问题，设计并生产出经济型的煤质在线快速分析仪。
本实用新型的一种激光感生击穿光谱煤质分析仪，包括取样部分和分析部分，分析部分包括光源系统、由单色仪或多色仪构成的分光系统、由脉冲发生器和时间延时器组成的时序控制系统和由检测器和分析采集卡组成的采集分析系统；光源系统包括激光器和倍频器，取样部分产生的等离子体发射光路上装有聚集透镜，将等离子体发光聚集在分光系统，分光系统出光口安装检测器，后者与分析采集卡电信号连接，脉冲发生器输出信号分别作为激光器和时间延迟器的输入信号，时间延迟器延迟信号输出控制检测器，其特征在于(1)所述取样部分由旋风分离器和装设在其下方的石英分析池组成，在使用时、石英分析池从旋风分离器取下后固定于由马达驱动的分析池固定台上；(2)所述光源系统激光器出射光口装载有滤波片，出射光路上与之成45°角装有平面镜，对应该平面镜与出射光路垂直没有凸透镜，凸透镜焦点处为所述石英分析池；所述的激光感生击穿光谱煤质分析仪，所述分析采集卡可以装设于单片机或嵌入式计算机中并与显示器相连。
本实用新型的有益效果是利用旋风分离器从磨煤机出口直接取煤样，不需要对煤样进行破碎、磨粉、溶解等再处理；样品直接落入分析池；装有样品的分析池固定在激光感生击穿光谱分析仪中进行快速分析；直接分析出入炉煤的元素种类及其浓度值。本实用新型在激光器的出射光口安装有一个滤波片，滤掉波长为1064nm的原始光，出射的532nm的激光直接经反射镜反射到聚焦透镜上；本实用新型中激光发射光的方向与接收等离子体发射光的方向垂直，这样能最有效地去除激光光源的影响，而图1所示的方框图中二者的方向是水平的；为了使仪器紧凑，本实用新型中等离子体的发射光经聚焦后直接入射到单色仪的入射狭缝，不需要通过光纤传输，减少光损耗；同时本实用新型的分析池平台由马达驱动，以保证测量对象的激光照射点的均匀性，提高了测量的准确性。
该装置可以一次同时测量煤中的主量元素、大部分次量元素和少数痕量元素；取样和测量时间小于5分钟；装置结构紧凑、体积小、便于工业安装。该装置适用于对火力发电厂燃煤锅炉的入炉煤进行在线快速分析。
图1现有技术方框图，图2本实用新型的安装位置图，图3本实用新型的取样部分示意图，图4本实用新型的结构示意图，图5本实用新型的各组成部分方框图。
具体实施方式
如图2所示，本实用新型的取样部分安装在燃煤电厂的煤粉通过给粉机进入燃烧器前见图2中的黑点1指示处；图3所示本实用新型的取样部分包括两个部分小型的旋风分离器2和石英分析池3。利用一个小型的旋风分离器2取出5-10克的粉煤，落入石英分析池3的粉煤作为分析对象。
如图4和图5所示， 整个装置分为两层第一层和第二层。在说明分析测量的具体过程前，先介绍该装置中的一个机械控制部分石英分析池2固定在该装置的分析部分的分析池固定台11上，分析池固定平台11由一个马达13驱动旋转，马达13的旋转频率为1-5转/分钟，以保证每个激光脉冲照射到煤样品的点不同。另外，马达13位于装置的第一层，驱动固定于第二层平台上的分析池固定台11旋转；装置中的其它器件固定于第二层或装置壁面。
激光感生击穿光谱煤质在线分析仪的主体部分——分析部分，主要包括由激光器5和倍频器6组成的光源系统、多色仪10组成的分光系统、脉冲发生器15和时间延迟器16组成的时序控制系统、由检测器(ICCD)12和分析采集卡14组成采集分析系统的四部分组成。
强脉冲的激光器5作为光源，激光器以NdYAG激光器为主，也可以是准分子激光器、红宝石激光器等。在此以NdYAG激光器为例说明具体的实施方式。激光器5的脉冲频率为5～20Hz、脉冲宽度为5～10ns、脉冲峰值能量为100～300mJ、激光波长为1064nm。激光器5出光前加一个KDP型的倍频器6使出射激光波长为532nm。在激光器的出光口加载一个滤波片，去掉波长为1064nm的光，出射的波长为532nm的激光经过平面镜7反射后照射到凸透镜8上，平面镜7与入射光成45o放置，反射的激光经焦距为5cm的凸透镜8聚焦后激光聚焦到分析池中的煤样品上，分析池的内表面为凸透镜8的焦点处，聚焦点的煤样品迅速电离产生高温、高密度的等离子体。平面镜7和凸透镜8的连接轴线与凸透镜8和聚焦透镜9之间的连接轴线垂直，聚焦透镜9与分析池的内表面距离为5cm。等离子体发出的光用焦距为5cm的聚焦透镜9聚焦到分光系统——多色仪10的入口，多色仪采用SpectraPro 300i或500i等型号的多色仪，选用1200～2400g/mm的光栅，分辨率为0.05～0.1nm。多色仪分光后使混合光成为按波长排列的一系列的单色光。在多色仪的出光口安装多通道的检测器(ICCD)12进行检测，ICCD选用PI·MAX1024RB型。然后利用单片机(或嵌入式计算机)14分析ICCD输出的数字信号，最后得到光谱信息。
另外，由于等离子体的背景连续辐射很强，会湮没光谱的有效特征谱线，要捕捉有效的光谱信号，必须有一个时序控制系统。该控制系统由一个脉冲发生器15和DG535型时间延迟发生器16构成。单片机(或嵌入式计算机)14发出一个信号作为脉冲发生器15的输入信号使脉冲发生器15动作，脉冲发生器15的两个输出信号分别作为激光器5和时间延迟发生器16的输入信号，激光器5接到脉冲信号后发出激光照射到样品上使样品电离发光；时间延迟发生器16接到脉冲信号后，根据设定的延迟时间(一般为5～20μs)得到延迟信号输出，输出的延迟信号控制检测器12开始检测，有效地屏蔽掉等离子体的背景辐射。检测器12的检测信号通过单片机(或嵌入式计算机)14得到有效的光谱图。根据获得的光谱图特征谱线波长得出所分析的元素种类；然后，通过定标曲线，对应谱线的强度就表示分析元素的浓度，从而达到元素分析的目的。另外，单片机14(或嵌入式计算机)可以直接与显示器4相连，显示器4为操作人员的控制界面和分析结果的显示界面；电源模块17提供仪器电源，与外接电源相连。
权利要求1.一种激光感生击穿光谱煤质分析仪，包括取样部分和分析部分，分析部分包括光源系统、由单色仪或多色仪构成的分光系统、由脉冲发生器和时间延时器组成的时序控制系统和由检测器和分析采集卡组成的采集分析系统；光源系统包括激光器和倍频器，取样部分产生的等离子体发射光路上装有聚集透镜，将等离子体发光聚集在分光系统，分光系统出光口安装检测器，后者与分析采集卡电信号连接，脉冲发生器输出信号分别作为激光器和时间延迟器的输入信号，时间延迟器延迟信号输出控制检测器，其特征在于(1)所述取样部分由旋风分离器和装设在其下方的石英分析池组成，在使用时、石英分析池从旋风分离器取下后固定于由马达驱动的分析池固定台上；(2)所述光源系统激光器出射光口装载有滤波片，出射光路上与之成45°角装有平面镜，对应该平面镜与出射光路垂直没有凸透镜，凸透镜焦点处为所述石英分析池；
2.如权利要求1所述的激光感生击穿光谱煤质分析仪，其特征在于所述分析采集卡装设于单片机或嵌入式计算机中并与显示器相连。
专利摘要激光感生击穿光谱煤质分析仪，属于激光诊断和测量技术领域，用于解决煤样在线快速分析的问题。本实用新型包括取样部分和分析部分，分析部分包括光源系统、分光系统、时序控制系统和采集分析系统；取样部分由旋风分离器和装设在其下方的石英分析池组成，使用时石英分析池从旋风分离器取下后固定于由马达驱动的分析池固定台上，所述光源系统激光器出射光口装载有滤波片，出射光路上与之成45°角装有平面镜，对应该平面镜与出射光路垂直设有凸透镜，其焦点处为石英分析池。该装置可以在线一次同时测量煤中的主量元素、大部分次量元素和少数痕量元素；取样和测量时间小于5分钟；装置结构紧凑、工业安装方便、体积小。可以解决目前燃煤电厂对煤样在线快速分析的问题，并克服进口的煤质在线测量仪器价格昂贵、体积巨大的问题。
文档编号G01N21/71GK2627499SQ0325488
公开日2004年7月21日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者陆继东, 余亮英, 沈凯, 吴戈, 刘刚 申请人:华中科技大学