一种基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪及检测方法
【专利摘要】本发明属于烟气监测设备领域，尤其是一种基于傅里叶时频变换模型的低浓度SO2等烟气紫外在线检测分析仪。本发明的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，包括机箱、加热控制单元、输出显示单元、数据采集处理单元、供电电源、滤水过滤装置、气态污染物检测单元；本发明的傅里叶变换的紫外分析仪，不需专门配备昂贵的干涉仪，结构更加简单，因此显著减少了设备的成本；整套系统采用双光束光度计法，使得温度对测量值的影响明显减少，故分析仪的长期工作稳定性更高。仪器响应时间更快，检测时间缩短，提高仪器灵敏度。
【专利说明】一种基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于烟气监测设备领域，尤其是一种基于傅里叶时频变换模型的低浓度SO2等烟气紫外在线检测分析仪。
【背景技术】
[0002]现有的傅里叶变换紫外分析仪通常是根据光的相干性原理设计的，是一种干涉型光谱仪。在利用傅里叶变换紫外光谱原理测量气体浓度的操作中，主要由三步完成:第一步，测量紫外干涉图，该图是一种时域谱；第二步，通过计算机对该时域谱图进行快速傅里叶变换计算，从而得到以波长或频率为函数的频域谱，即傅里叶变换紫外光谱图；第三步，找到待测气体的特征吸收峰、并测得峰高值或峰面积(即吸光度);最后根据朗伯-比尔吸收定律，即可计算获得待测气体浓度值。例如:例如:例如:《光谱学与光谱分析》2000年02期“紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理”一文中公开了一种傅里叶变换紫外光谱仪干涉图数据处理方法、切趾函数和相位校正和光谱变换方法；其构建的分析模型精度较高，适合于痕量气体(PPb级)场合的分析和检测，不适合在线连续测量。
[0003]2012年起，新版GB13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》规定:脱硫、脱硝后SO2等烟气浓度须达到100mg/m3以下。这对于我国很多二氧化硫SO2等污染源排放监测紫外分析NDUV系统和分析仪器在低量程测量时的准确性和稳定性提出了更高的要求。
[0004]为此，国际上目前较多采用紫外差分或傅里叶紫外分析技术，来解决上述问题。这些技术的典型代表有:美国Cerex公司采用DOAS的紫外差分技术，芬兰GASMET采用的FTIR的傅里叶紫外分析技术，但DOAS紫外差分技术，一般只适宜监测痕量气体(ppb级);FTIR傅里叶紫外分析技术，测量系统复杂，需要配套干涉仪等设施，设备价值昂贵，一般不适宜连续测量；目前，我国污染源分布在电力、钢铁、水泥等各种工业企业，污染源工况复杂多样，都面临污染物测量干扰因子多的难题，国外烟气监测仪器实际应用中存在“水土不服”和“标准不符”的现象。
[0005]本专利针对艾默生公司(艾默生过程控制有限公司；Emerson processmanagement)的基于傅里叶变换的检测器,检测器型号为:X-Stream_Core (包括配套电路板:GA-CZFP0WER V0.1);在进行气体检测时，检测器可以根据获得的零气、标准气体和样气不同的光谱信号，转换获得光谱图以及样气的测量结果数据，本专利根据上述检测器独立开发配套适用的检测设备，开发适用于国内市场及环保标准的监测仪，打破国外公司的技术垄断。
【发明内容】
[0006]为解决上述存在的问题，本发明提供一种高精度、高分辨性的低浓度烟气紫外分析仪，能够适配目前现有的基于傅里叶变换的检测器的紫外分析仪，本发明采用的技术方案如下:
本专利的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，包括机箱(I)、加热控制单元(2)、输出显示单元(3)、数据采集处理单元(4)、供电电源(5);机箱(1)内设置烟气管路，滤水过滤装置(6)设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器(7)、气态污染物检测单元(8);所述的气态污染物检测单元(8)包括紫外光源(10)及设置在其后的遮光器，沿光路布置在遮光器后依次为测量气室(12)、滤光器(13)、检测传感器(14);测量气室(12)沿光路方向分隔分别为样品池(18)、参比池(19)，参比池(19)内封装中性气体，样品池(18)设样品池样气进口( 16)和样品池样气出口( 17);所述的遮光器轮流遮挡紫外光源(10)发出的射向样品池(18)、参比池(19)的紫外光束。
[0007]所述的遮光器遮挡样品池(18)的频率为:120Hz至155Hz ;遮光器遮挡参比池
(19)的频率为:90Hz至125Hz。
[0008]所述的遮光器具体为切光器，切光器由驱动电机(23)和切光轮(11)组成,切光轮
(11)外缘对应样品池(20)位置沿圆周方向设置测量侧开孔(29)，测量侧开孔的相对内缘对应参比池(21)位置沿圆周方向设置参比侧开孔(30)，见图5所示；驱动电机(23)驱动切光轮转动，间断性的遮挡紫外光源(10 )发出的射向样品池(18 )、参比池(19 )的紫外光束。
[0009]所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于:驱动电机(23)驱动切光轮(11)转动的转速为1830 rpm，转动频率为30.5Hz，测量侧开孔29设置4至5个，参比侧开孔30设置3至4个。切光轮采用的转动频率为30.5Hz，与工频50Hz错开，可避免工频干扰。 [0010]所述的检测传感器(14)可以优选紫外固态探测器，由半导体块(24)、电极(25)、外电路导线(26)、负载(27)，电源(28)组成，半导体块(24)设置在滤光器(13)后部正对紫外光源(10)位置，电极(25)分别位于半导体块(24)两侧，外电路导线(26)串联负载(27)、电源(28)后分别与半导体块(24)两侧的电极(25)相连接。
[0011]其中，半导体块(24)由氧化锌ZnO材料制成。每个探测器只探测样品气中的单个组分。固态探测器探测灵敏度可根据待测气体类型、通过调节内嵌高欧姆电阻来获得，以满足不同的低浓度检测要求；可调电阻值为:12MQ ---450MQ。
[0012]采用上述分析仪的检测方法，包括如下步骤:
步骤1、标准气体配制:配置质量浓度为CgsO2=IOOmgAi3的SO2标准气体,余量为氮气，待测；
步骤2、开机预热:紫外光源(10)发出单色光，遮光器对紫外光源(10)进行遮光，产生分别照射样品池(18)、参比池(19)的两束光；第一光束为测量侧光束，依次通过样品池
(18)、滤光器(13)到达检测传感器(14);第二光束为参比侧光束，通过参比池(19)、滤光器
[13]到达检测传感器(14);
步骤3、零气校正:向分析仪中通入零气，选择纯度为99.999%的氮气N2作为零气，至零气充满样品池(18)；
步骤4、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的零气光束信号，传输至检测器(22)；
步骤5、氮气N2排出；
步骤6、标准气体测定:将标准气体通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，标准气体充满样品池(18)；
步骤7、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的标准气体光束信号，传输至检测器(22);
步骤8、标准气体排出；
步骤9、样气测量:将样气通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，样气充满样品池(18)；
步骤10、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的样气光束信号，传输至检测器(22);
步骤11、检测器(22)输出检测结果。
[0013]遮光器遮挡紫外光源，形成的第一光束为测量侧光束，照射频率为155Hz:第二光束为参比侧光束，照射频率为122Hz。
[0014]本发明的傅里叶变换的紫外分析仪，有以下创新亮点:1)不需专门配备昂贵的干涉仪，结构更加简单，因此显著减少了设备的成本；2)整套系统采用双光束光度计法，对测量与参比信号合成的原始信号进行傅里叶时频变换技术处理后，通过参比峰值和测量峰值的比较，来精确计算待测气体浓度值，打破了傅里叶变换紫外分析仪的传统测量模式；这种新颖的测量方式使得温度对测量值的影响明显减少，故分析仪的长期工作稳定性更高。3)仪器响应时间更快，检测时间缩短，提高仪器灵敏度。
[0015]本发明利用特殊设计的遮光器，集分光和信号时频变换两种功能于一身，有三个作用:1)对紫外光源发出的光束，进行连续地周期性地遮断光源，使紫外光变成脉冲式紫外线辐射；2)使单一光源发出的紫外光束变为双光束，实现信号相同开启关闭时间，减少从测量侧到参比侧的串扰和各组分通道之间的干扰；实现最小化光飘移和减少测量时间；3)通过检测器(22)进行时频变换调制，使得检测器产生的信号为交流信号，便于放大器放大，同时改善检测器的响应时间特性。这是有别于其他普通切光器的创新亮点。
[0016]本发明采用双光束分光光度法测量，相比其他光学测量技术，具有以下明显优点:通过参比光随时监测光强变化并对变化的影响进行校正的作用，可自动消除光源强度变化所引起的误差，避免由于电源波动或者光源老化引起的测量误差，同时也消除了放大器增益变化和光学及电子学元器件对两条光路不平衡的影响，从而使得飘移减小、基线平直度提高，而且不随温度的变化而变化，提高了仪器的稳定性。
[0017]本发明选用的紫外光，具有宽连续光谱和高分辨率；相比红外光，电磁波长较短，能量更大；可以快速通过固态检测器获得反映气体浓度的电信号强度，因此抗干扰能力强，可避免和消除颗粒物、粉尘、水分、背景气体的干扰等因素引起的测量漂移；因此，采用紫外分析技术的最大好处是抑制共模，温漂小，具有在线测量稳定性好的优点。而新版《火电厂大气污染排放标准》规定脱硫、脱硝后烟气SO2和NO2排放限值不高于100mg/m3，NDIR非发散红外分析技术面临烟气水分干扰和低浓度无法有效测量的技术瓶颈，因此无法胜任脱硝烟气低浓度的测量要求；
更进一步，本发明探测器选用了光伏型结构，并选择ZnO作为半导体材料，因此暗电流较小，背景噪声较低，响应时间较快；并且化学性质稳定，可以在较高温度下工作，从而大大降低了对冷却系统的要求，使整个系统结构简化、重量减轻、降低了成本。并且，选用的紫外半导体探测器，其检测灵敏度可根据待测气体类型、通过调节内嵌高欧姆电阻来获得。与通常所用的紫外光电倍增管只能检测一个光信号相比较，本发明采用的紫外光伏型探测器可以同时检测多个光信号，并且在噪音、量子化效率方面都优于传统的光电倍增管或微流传感器，抗干扰能力更强，从而确保分析仪检测高灵敏度、探测下限低，使灵敏度感测范围实现在O?IO ppm o
[0018]本发明可受益的行业有:精炼、石化和化学处理、冶金生产、硬化热处理、天然气生产和分配，易燃混合气体的测量、生物技术、垃圾填埋处理、锅炉烟道气体分析、电厂、过程熔炉和焚化炉、各地CEMS集成商和环监站等。本发明除了适合于SO2低浓度烟气的测量，也可应用于对低浓度NO2等烟气的检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例烟气分析仪的结构布局图。
[0020]图2为本发明气态污染物检测单元结构示意图。
[0021]图3为本发明气态污染物检测单元双路布置结构示意图。
[0022]图4为为固态紫外探测器结构示意图(箭头所示为紫外光源10光束入射方向)。
[0023]图5为切光轮结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1:
图1为本发明实施例烟气分析仪的结构布局图，如图所示，包括机箱1、加热控制单元
2、输出显示单元3、数据采集处理单元4、供电电源5 ;机箱I内设置烟气管路，滤水过滤装置6设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器7、气态污染物检测单元8 ;机箱内还包括一个烟气多参数测量腔9，温度传感器、压力传感器、湿度传感器均设置在烟气多参数测量腔9内。
[0025]本实施例的气态污染物检测单元8，包括图2中紫外光源10及设置在其后的遮光器，沿光路布置在遮光器后依次为测量气室(12)、滤光器(13)、检测传感器(14);测量气室
(12)沿光路方向分隔分别为样品池(18)、参比池(19)，参比池(19)内封装中性气体:高纯度队(99.999%)。样品池18设样品池样气进口 16和样品池样气出口 17，遮光器调制紫外光源10发出的光束形成两束单色光，一束进入样品池(18)，另一束进入参比池19，两束单色光几乎同时照射上述各气室。
[0026]其中，遮光器具体为一种切光器，切光器由驱动电机23和切光轮11组成。切光轮11的结构见图5所示。本发明的切光轮11主要功能是对紫外光源发出的光束，按一定的周期切割，使紫外光变成脉冲式紫外线辐射，通过检测器22中的调制器进行时频变换调制，使得检测传感器产生的信号为交流信号，并形成两束单色光，分别几乎同时照射和穿过参比池和样品池；每套切光器可同时用于两组紫外探测器，以分别检测两种气体浓度的量值。其中，驱动电机23采用涡流直流电动机，转速n设计为1830rpm，为此转动频率fQ =n/60 =30.5Hz。在切光轮11上开有测量侧开孔和参比侧开孔，其形状以扇形为主，孔数优选在3-5个范围内，因此脉冲信号频率推荐f = 30.5*(3?5)= IOOHz — 155Hz范围内。切光轮上参比侧孔数和测量侧开孔数可以根据实际待测气体种类有所改变。比如，图5所示中，圆板上面沿圆周对称分布有4个参比侧孔和5个测量侧开孔；参比光通过切光器上4个参比侧孔穿过,每周期可照射参比池4次,使得参比光的测量频率为4*30.5Hz=122Hz ；测量光通过切光器上5个测量侧开孔穿过，每周期可照射样品池5次，使得测量光频率为5*30.5Hz=152Hz。
[0027]本发明中测量室12管均采用圆筒形，筒的两端均用晶片密封。测量室12管采用样品池18和参比池19各占一半的“单筒隔半”型结构。
[0028]实施例2:
如图2所示，为优化切光轮11的利用效率，气态污染物检测单元8可平行设置两组，下路的检测传感器为第二检测传感器15。
[0029]作为实施例1的改进，本实施例将实施例1中的检测传感器14或第二检测传感器15优选紫外固态探测器，由半导体块(24)、电极(25)、外电路导线(26)、负载(27)，电源
(28)组成，半导体块(24)设置在滤光器(13)后部正对紫外光源(10)位置，电极(25)分别位于半导体块(24)两侧，外电路导线(26)串联负载(27)、电源(28)后分别与半导体块(24)两侧的电极(25)相连接。
[0030]上述技术方案中，半导体块(24)由氧化锌ZnO材料制成。每个探测器只探测样品气中的单个组分。固态探测器检测灵敏度可根据待测气体类型、通过调节内嵌高欧姆电阻来获得，以满足不同的低浓度检测要求；可调电阻值为:12MQ 450MQ。
[0031]其他结构与实施例1相同。
[0032]图2中，紫外光源10发出的单色光，经过切光器11调制后，形成两束单色光，一束进入测量气室12中的样品池18，另一束通过测量气室12中的参比池19。由于SO2等异种原子构成的分子对光具有吸收特性，若样品池18中存在上述气体，则进入上述气室的部分光会被吸收，未被吸收的光穿过滤光器13后进入检测传感器14。检测传感器分别得到穿过参比池和样品池后的光信号，信号传输至艾默生的检测器22。由检测器22中的计算机对上述信号进行快速傅里叶时频变换，从而获得待测样品傅里叶变换紫外光谱图。
[0033]实施例3:
采用实施例1的分析仪的检测方法，其特征在于包括如下步骤:
步骤1、标准气体配制:配置质量浓度为CgsO2=IOOmgAi3的SO2标准气体,余量为氮气，待测；
步骤2、开机预热:紫外光源(10)发出单色光，遮光器对紫外光源(10)进行遮光，产生分别照射样品池(18)、参比池(19)的两束光；第一光束为测量侧光束，依次通过样品池
(18)、滤光器(13)到达检测传感器(14);第二光束为参比侧光束，通过参比池(19)、滤光器(13)到达检测传感器(14)；
步骤3、零气校正:向分析仪中通入零气，选择纯度为99.999%的氮气N2作为零气，至零气充满样品池(18)；
步骤4、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的零气光束信号，传输至检测器(22)；
步骤5、氮气N2排出；
步骤6、标准气体测定:将标准气体通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，标准气体充满样品池(18)；
步骤7、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的标准气体光束信号，传输至检测器(22);
步骤8、标准气体排出； 步骤9、样气测量:将样气通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，样气充满样品池(18)；
步骤10、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的样气光束信号，传输至检测器(22);
步骤11、检测器(22)输出检测结果。
[0034]遮光器遮挡紫外光源，形成的第一光束为测量侧光束，照射频率为155Hz:第二光束为参比侧光束，照射频率为122Hz。
【权利要求】
1.一种基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，包括机箱(1)、加热控制单元(2)、输出显示单元(3)、数据采集处理单元(4)、供电电源(5);机箱(1)内设置烟气管路，滤水过滤装置(6)设置在烟气管路进口，烟气管路上分别设置温度传感器、压力传感器、湿度传感器、氧传感器(7)、气态污染物检测单元(8);其特征在于:所述的气态污染物检测单元(8)包括紫外光源(10)及设置在其后的遮光器，沿光路布置在遮光器后依次为测量气室(12)、滤光器(13)、检测传感器(14);测量气室(12)沿光路方向分隔分别为样品池(18)、参比池(19 )，参比池(19 )内封装中性气体，样品池(18 )设样品池样气进口( 16 )和样品池样气出口(17);所述的遮光器轮流遮挡紫外光源(10)发出的射向样品池(18)、参比池(19)的紫外光束；检测传感器(14 )连接至检测器(22 )。
2.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于:所述的遮光器遮挡样品池(18)的频率为:120Hz至155Hz ;遮光器遮挡参比池(19)的频率为:90Hz 至 125Hz。
3.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于:所述的遮光器具体为切光器，切光器由驱动电机(23)和切光轮(11)组成，切光轮(11)外缘对应样品池(18)位置沿圆周方向设置测量侧开孔(29)，测量侧开孔的相对内缘对应参比池(19)位置沿圆周方向设置参比侧开孔(30)，驱动电机(23)驱动切光轮转动，间断性的遮挡紫外光源(10 )发出的射向样品池(18 )、参比池(19 )的紫外光束。
4.根据权利要求3所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于:驱动电机(23)驱动切光轮(11)转动的转速为1830 rpm，转动频率为30.5Hz，测量侧开孔(29)设置4至5个，参比侧开孔(30)设置3至4个。
5.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于:所述的检测传感器(14)为紫外固态探测器，紫外固态探测器由半导体块(24)、电极(25)、外电路导线(26)、负载(27)，电源(28)组成，半导体块(24)设置在滤光器(13)后部正对紫外光源(10)位置，电极(25)分别位于半导体块(24)两侧，外电路导线(26)串联负载(27)、电源(28)后分别与半导体块(24)两侧的电极(25)相连接。
6.根据权利要求6所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外分析仪，其特征在于:半导体块(24)由氧化锌ZnO材料制成。
7.一种采用权利要求1所述的分析仪的检测方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1、标准气体配制:配置质量浓度为CgsO2=IOOmgAi3的SO2标准气体,余量为氮气，待测； 步骤2、开机预热:紫外光源(10)发出单色光，遮光器对紫外光源(10)进行遮光，产生分别照射样品池(18)、参比池(19)的两束光；第一光束为测量侧光束，依次通过样品池(18)、滤光器(13)到达检测传感器(14);第二光束为参比侧光束，通过参比池(19)、滤光器(13)到达检测传感器(14); 步骤3、零气校正:向分析仪中通入零气，选择纯度为99.999%的氮气N2作为零气，至零气充满样品池(18)； 步骤4、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的零气光束信号，传输至检测器(22)； 步骤5、氮气N2排出；步骤6、标准气体测定:将标准气体通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，标准气体充满样品池(18)； 步骤7、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的标准气体光束信号，传输至检测器(22); 步骤8、标准气体排出； 步骤9、样气测量:将样气通入低浓度烟气紫外分析仪，经滤水过滤装置(6)过滤干燥后，样气充满样品池(18)； 步骤10、记录第一光束与第二光束照射检测传感器(14)时获得的样气光束信号，传输至检测器(22)； 步骤11、检测器(22)输出检测结果。
8.根据权利要求7所述的基于傅里叶变换的低浓度烟气紫外检测方法，其特征在于:遮光器遮挡紫外光源，形成的第一光束为测量侧光束，照射频率为155Hz:第二光束为参比侧光束，照射频 率为122Hz。
【文档编号】G01N21/33GK103808682SQ201210455661
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月14日 优先权日:2012年11月14日
【发明者】刘德允, 范黎锋, 陈莹, 章曙, 孙明伟, 吴忠 申请人:南京埃森环境技术有限公司