专利名称：一种基于双光路的紫外差分烟气探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于烟气在线监测的探头，尤其涉及一种紫外差分烟气探头。
技术背景二氧化硫(S02)和氮氧化物(N0J作为大气环境的主要气体污染，减排和监测越来越受 到重视。为了及时、准确、系统地掌握排污状况，要求对二氧化硫等排放情况进行连续 监测。目前常用的气体连续监测方法主要为吸收光谱法等。Lambert-Beer光吸收定律， 是吸收光谱法测量物质浓度的最基本定律，它表明当入射光强度一定时，被测物质的吸 光度与被测物质的浓度和厚度的乘积成正比。吸收光谱法测量一般采用紫外光源发出固定波段的光束，经过固定长度的被测气体 测量区，最后由光谱仪接收光束，并通过计算机以一定的算法进行后续数据处理的方式 来获取不同成分的烟气浓度。现广泛使用的单边插入式探头的光路如图1所示，组成结构比较简单，由紫外光源1 发出光束，经过准直透镜2后进入被测气体测量区7，再通过聚焦透镜3进入光纤5。在 实际应用中，这种光路将发射端6和接收端8安装于同一个探头的两端，探头上设有测 量区，只要将探头插入烟道即可开始测量。 一般情况下，烟道内的环境比较恶劣，随着 使用时间的延长，光路的结构部分会因为高温高湿等因素而出现形变，则光纤5所接收 的光强会减小，这将严重影响测量效果。此时需要同时调整出射、接收光学器件的位置 和姿态，但不方便在现场调整光路，且光纤转接头4等精密光学器件长期处于高温烟气 环境，使用寿命大大降低，需要对光路设计进行改造。发明内容本发明的目的是改进现有烟气测量探头的光路设计，克服现有技术的上述不足，提 供一种在完成现有光路功能的前提下，能够方便现场光路调节、提高测量稳定性的烟气 在线测量探头。为此，本发明采用如下的技术方案. 一种基于双光路的紫外差分烟气探头，包括发射模块和接收模块，其特征在于，发 射模块与接收模块设置在同一端，两个模块的光轴相互平行，在光路的另一端固定有角 隅棱镜。作为优选实施方式，本发明的基于双光路的紫外差分烟气探头，发射模块包括紫外 光源、抛物面反射镜、准直扩束透镜，紫外光源置于所述抛物面反射镜的焦点上，抛物 面反射镜反射的紫外光经过准直扩束透镜射出；接收模块包括聚焦透镜、接收光纤头，经由所述角隅棱镜反射的光束经由聚焦透镜后由接收光纤头接收。本发明的紫外差分烟气探头双光路设计，将测量光束的发射和接收器件由原来的相 向放置改为同向放置，并通过角隅棱镜将光路折叠，从而使得光路调整方式由双端调整 改变为单端调整，可实现光路的在线调节和修正。本发明在简化了光路调整操作、降低 了调整难度的同时，还提高了测量稳定性，延长了传感器工作寿命。
图1现有技术中的单边插入式探头的光路示意图。 图2本发明的紫外差分烟气探头的光路示意图。 图3本发明的紫外差分烟气探头的安装示意图。附图标记说明1紫外光源 2准直透镜 3聚焦透镜 4光纤接收头5光纤 6发射端 7测量区 8接收端9抛物面反射镜 10准直扩束透镜11角隅棱镜 12发射接收端13反射端 14透过窗具体实施方式
本发明的烟气测量光路采用一次反射式设计，引入角隅棱镜11作为反射器件，将发 射和接受器件置于同一端，通过单端调节来实现光路的长期稳定工作，具体设计方案如下(1) 光路组成和排布本发明的光路依次由紫外光源l、抛物面反射镜9、准直扩束透镜10、角隅棱镜ll、聚焦透镜3和光纤接收头4等器件组成，光路如图2所示。将紫外光源1置于抛物面反射镜9的焦点上，其所发出的光线照射在抛物面反射镜9 上形成水平光束射出，经过准直和扩束后进入测量区7，由被测气体对其进行选择性吸收。 吸收后的光束通过角隅棱镜ll反射回来，最后进入聚焦透镜3。由聚焦透镜3将光束会 聚到接收头4，通过光纤5进入光谱分析仪器。(2) 光路特征(一) 测量区7的设置整个光路可安装于外形如图3的传感器结构中，下侧开口 区域即为测量区7，光束的发射和接收装置都位于传感器的一侧，光轴相互平行，另一侧 只固定有角隅棱镜ll。将传感器置于烟道内，光源出射光束经过准直扩束后，进入测量 区7，随后经过角隅棱镜ll反射回传感器内部封闭的光路通道，最后被聚焦透镜3接收 并会聚至光纤5。(二) 反射端13设计由于本发明采用角隅棱镜11做为反射装置，而角隅棱镜11 本身具有保持入射和出射光线相互平行的特性，不改变光路方向，即便传感器发生形变，角隅棱镜ll仍按照入射光线的方向将光线反射回来。因此，理论上，只要保持发射和接 收装置的光轴相互平行且间距不变，则光路就不会受到干扰。(三) 器件材料光路中所采用的光学器件选用统一的特殊材料，对紫外部分具有 高透过率，最大限度的减小光束在传播过程中的衰减。此外，也避免了由于光学器件所 用材料不同而引起的非线性对测量的影响。(四) 调整方法现场使用期间，传感器内部的支撑结构可能会因为烟道内的高温 高湿而发生形变，从而使得光路中各器件的相互位置发生移动，导致部分平行光束受到 移位后的其他器件的阻挡，则进入接收装置的光强会严重降低，影响测量精度和准确性。 本发明利用角隅棱镜ll的特性，只需调节左侧的发射接收装置之间的平行度和距离，即 可将光路恢复初始状态。对于已安装到现场烟道的光路器件，无需将传感器从烟道中取 出，调整也是采用同样的方式，只需调整位于烟道外的发射接收端12内发射和接收装置 的姿态即可恢复光路状态。本发明的紫外差分烟气探头具体结构设计如下(1) 传感器结构设计将光束的发射和接收装置分别作成模块化结构，其中发射模块主要包括光源、抛物 面反射镜9、准直扩束透镜10;接收模块主要包括聚焦透镜3和光纤接收头4。固定各模 块装置内部的光学器件位置关系，使得各器件与模块外壳形成刚性、稳定的联结关系。传感器发射接收端12分别对发射和接收模块设有可锁紧的多自由度调节机构，可以 对两个模块的相互姿态和距离进行调节。(2) 调整方法传感器在烟道中工作期间，若因为高温等环境因素而发生传感器结构形变，接收到的光束偏离聚焦透镜3，接受光强减小，影响测量。则调节发射接收端12的多自由度调节机构，根据光谱接收仪器所采集到的光强来判断调整效果，直到恢复发射和接收装置 的原有位置关系，即可使得测量正常进行。(3) 光路辅助功能设计考虑到工作现场的实际环境，为了防止烟道内的粉尘对光路和光学器件的污染，传 感器与烟道气体环境连通部位应增加反吹洁净气。同时，发射和接收装置内部有多个光 学器件，应该对模块采用气密结构设计，确保内部空气的洁净度。对于反射端13，其长期工作在高粉尘、高温高湿的环境中，极容易受到污染。为此， 除了设有反吹气和气密设计之外，还应该增加其他自除尘装置，定期自动去除角隅棱镜 11上的灰尘，保证光强在反射端13衰减最小。
权利要求
1. 一种基于双光路的紫外差分烟气探头，包括发射模块和接收模块，其特征在于，所述发射模块与接收模块设置在同一端，两个模块的光轴相互平行，在光路的另一端固定有角隅棱镜。
2. 根据权利要求1所述的基于双光路的紫外差分烟气探头，其特征在于，所述发射模块 包括紫外光源、抛物面反射镜、准直扩束透镜，所述紫外光源置于所述抛物面反射镜 的焦点上，所述抛物面反射镜反射的紫外光经过准直扩束透镜射出。
3. 根据权利要求1或2所述的基于双光路的紫外差分烟气探头，其特征在于，所述接收 模块包括聚焦透镜、光纤接收头，经由所述角隅棱镜反射的光束经由聚焦透镜后由接 收光纤头接收。
全文摘要
本发明涉及一种适用于烟气在线监测的紫外差分烟气探头，包括发射模块和接收模块，其特征在于，所述发射模块与接收模块设置在同一端，两个模块的光轴相互平行，在光路的另一端固定有角隅棱镜。本发明在简化了光路调整操作、降低了调整难度的同时，还提高了测量稳定性，延长了传感器工作寿命。
文档编号G01N21/33GK101251478SQ20081005255
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者斌 刘, 涛 周, 孙长库, 李树珉 申请人:天津大学