一种烟气监测仪的光学系统及检测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种烟气监测仪的光学系统和检测装置，光学系统主要由凸透镜与角锥棱镜组成，优点在于反射率高同时当光线从底面入射时，不论角锥棱镜以顶点为中心向任意方向转动，出射光线始终与入射光线平行，这大大降低了安装要求和校准难度，同时也降低了在使用过程中因振动而产生的误差；应用了该光学系统的检测装置，具有易校准、精度高的优点，同时，本发明的检测装置采用插入式的检测探管，结构简单，方便安装拆卸，在气体检测方面具有良好的应用前景。
【专利说明】一种烟气监测仪的光学系统及检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种烟气检测装置，具体涉及一种利用光谱技术的烟气监测仪的光学系统和检测装置；属于气体检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着人类生活的不断改善和科技的不断进步，我们对自身生存的环境也越来越重视，各种燃料燃烧所排放的大量有害物质已成为当今世界主要的大气污染源。为了保护环境，必须限制各种污染物的排放，因此对排放烟气的监测尤为重要，烟气主要由so2、co、co2、碳氢化合物以及氮氧化合物等组成，由于不同的气体成分在不同的波长处有不同的吸收，所以，可以利用光谱分光法来检测气体的吸收光谱，再根据朗伯比尔定律确定烟气中各个气体的浓度。
[0003]近些年来，随着光散射技术的发展，国内外对吸收光谱技术为基础的检测方法仪器的研宄越来越深入，也越来越多地采用插入式的检测设备，该检测设备可直接安装在烟道上进行在线监测，所以其安装及维护方便快捷。但目前市场上现有的在线烟道气体分析仪的检测装置的光学系统大多采用普通反射镜来传递采集接收光信号，安装精度要求很高或者需要极其复杂的接收光路，存在光学校准难、机械安装过程复杂、价格昂贵等缺陷，亟需改进。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种透镜与角锥棱镜组成的光学系统以及应用了该光学系统的检测装置，对于安装的精度要求不高也不需要复杂的接收光路，且不影响光路的反射效果，检测装置具有易校准、精度高、结构新颖、制造成本低、便于拆卸和安装等众多优点。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
一种烟气监测仪的光学系统，包括:红外光源、第一凸透镜、角锥棱镜、第二凸透镜和光电探测器；第一凸透镜、第二凸透镜和角锥棱镜之间构成检测区域；红外光源发出的红外光经第一凸透镜产生红外平行光束射入检测区域中，射入角锥棱镜的底面后再经角锥棱镜反射至第二凸透镜并聚焦至光电探测器。
[0006]进一步地，前述红外光源位于第一凸透镜的焦点处，所述光电探测器位于第二凸透镜的焦点处。
[0007]优选地，前述红外光源为可调谐DFB激光器。
[0008]再优选地，前述第一凸透镜和第二凸透镜均为平凸透镜。
[0009]此外，本发明还公开了一种烟气监测仪的检测装置，除了包括前述的光学系统外，还包括:允许烟道气体扩散至其内腔中的检测探管、定标气室及隔气系统；红外光源、第一凸透镜、第二凸透镜及光电探测器安装于一防水盒内，所述角锥棱镜安装于检测探管内远离防水盒的一端；定标气室位于检测探管和防水盒之间，所述定标气室包括:温度传感器、压力传感器、标准气体入口和反吹气体入口 ；所述隔气系统位于检测探管和定标气室之间以防止红外光直接反射并隔开定标气室和检测探管。
[0010]进一步地，前述防水盒内还设有用于调节第一凸透镜和第二凸透镜位置角度的微调机构。
[0011]优选地，前述检测探管的壁体上设有多个不锈钢烧结过滤器。
[0012]更进一步地，前述检测探管的外壁上还缠绕有参考气体通道，所述参考气体通道与标准气体入口连通。
[0013]具体地，前述反吹气体入口与检测探管的内腔连通。
[0014]再进一步地，前述检测探管长度为lm，红外光源的输出中心波长经温度传感器和压力传感器锁定在目标波长处，第一凸透镜的直径为12.7_，焦距匕为11.53_，红外平行光束的直径为4臟，第二凸透镜的直径为25mm，焦距&为46.75mm，第一凸透镜和第二凸透镜的边缘距离为6.4mm，角锥棱镜的有效口径为45.72mm，该结构的检测装置适用于对烟道氨气浓度进行检测。
[0015]本发明的有益之处在于:本发明的光学系统主要由凸透镜与角锥棱镜组成，优点在于反射率高同时当光线从底面入射时，不论角锥棱镜以顶点为中心向任意方向转动，出射光线始终与入射光线平行，这大大降低了安装要求和校准难度，同时也降低了在使用过程中因振动而产生的误差；应用了该光学系统的检测装置，具有易校准、精度高的优点，同时，本发明的检测装置采用插入式的检测探管，结构简单，方便安装拆卸，在气体检测方面具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的一种烟气监测仪的光学系统的光路图；
图2是本发明的一种烟气监测仪的检测装置的结构示意图。
[0017]图中附图标记的含义:1、第一凸透镜，2、第二凸透镜，3、角锥棱镜，4、红外光源，5、光电探测器，6、检测探管，7、过滤器，8、隔气斜玻璃，9、压力传感器，10、温度传感器，11、防水盒，12、微调机构，13、标准气体入口，14、反吹气体入口，15、参考气体通道。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0019]本发明的烟气监测仪的光学系统，包括:红外光源4、第一凸透镜1、角锥棱镜3、第二凸透镜2和光电探测器5。其光路如图1所示，第一凸透镜I和第二凸透镜2可以并排设置，第一凸透镜1、第二凸透镜2和角锥棱镜3之间构成了检测区域；红外光源4发出的红外光经第一凸透镜I产生红外平行光束进入检测区域中，射入角锥棱镜3的底面后再经角锥棱镜3反射至第二凸透镜2并聚焦至光电探测器5。为了获得精确的测量结果，红外光源4最好位于第一凸透镜I的焦点处，而光电探测器5最好位于第二凸透镜2的焦点处，第一凸透镜I和第二凸透镜2优选为平凸透镜，第一凸透镜1、第二凸透镜2和角锥棱镜3均采用可耐高温的K9玻璃。
[0020]为了使得本发明的光学系统能够适用于不同波长的气体检测，红外光源4优选采用可调谐DFB激光器，通过调节激光器温度改变输出波长，以扫描的方式找到吸收峰，再将激光器的输出波长锁定在吸收峰位置。
[0021]此外，本发明还公开了一种烟气监测仪的检测装置，除了包括上面所述的光学系统外，还包括:检测探管6、定标气室及隔气系统。
[0022]检测探管6插入烟道内进行检测，而烟道内的环境相当恶劣，故检测探管6最好采用耐高温、耐点腐蚀的316L不锈钢制成，检测探管6的内腔即为检测区域，因而检测探管6必须是允许烟道气体扩散至其内腔中的。如图2所示，优选在检测探管6的壁体上设置多个不锈钢烧结过滤器7，烟道中的烟气分子不间断地通过过滤器7扩散到检测探管6的内腔中，进入检测区域进行测量，而烟气中的粉尘浮在过滤器7表面，以确保测量气体中无固体颗粒干扰，同时保证测量室内的光学组件不被灰尘污染，进而提高了测量精度和装置的使用寿命。
[0023]为了减少日常维护，如图2所示，红外光源4、第一凸透镜1、第二凸透镜2及光电探测器5均安装于一防水盒11内。定标气室位于检测探管6和防水盒11之间，具体包括:温度传感器10、压力传感器9、标准气体入口 13和反吹气体入口 14，角锥棱镜3安装于检测探管6内远离防水盒11的一端。本发明的检测基于红外吸收光谱技术原理，激光从红外光源4发出，经过定标气室进入检测探管6内，激光由检测探管6端部的角锥棱镜3经过三次发射传回光电探测器5。
[0024]同时，本发明还实现了温度和压力的在线监测，其中，温度传感器10采用K性电偶用于检测气室的温度，压力传感器9用于检测气室的压力。
[0025]进一步地，在防水盒11内的接收端还设有微调机构12，确保接受尽可能多的光束，保证被测气体分析的精度。此外，在检测探管6和定标气室之间安装有将两者隔开的隔气系统，以防止激光直接反射，优选的隔气系统为一隔气斜玻璃8。
[0026]由于烟道内的粉尘会吸附于过滤器7上，因此，需要定期对检测探管6进行反吹，反吹气体入口 14与检测探管6的内腔连通，向检测探管6的内腔反吹压缩空气即可将粉尘吹回烟道，避免堵塞过滤器7，从而确保正常测量。
[0027]前面我们说过，定标气室包括个标准气体入口 13，所谓标准气体，即是确知其浓度的样本气体，是为了实现对装置校准进而提高测量精度的，为了均匀输送标准气体，将参考气体通道15弯曲缠绕在检测探管6的外壁上，并且参考气体通道15与标准气体入口 13连通，由此即可实现仪器标定。
[0028]为了更好地理解本发明，我们以测量烟道氨气为例，通过温度调节电路将激光器输出中心波长锁定在目标波长处，此处所谓的“目标波长”即是待检测气体的特征吸收峰所在的波长位置，对于氨气来说其吸收峰位于1500nm附近，此波长可以有效地避开!120、0)2等气体的干扰，激光器发出的光经过焦距F1=Il.53_第一凸透镜I发散为直径约为4_的光束，进入约Im长的插入式检测探管6，经过探管另一端有效口径45.72mm的角锥棱镜3的三次全反射后返回通过F2=46.75mm第二凸透镜2聚焦到光电探测器5上。其中，第一凸透镜I的直径为12.7mm，第二凸透镜2的直径为25mm，两个透镜之间的距离S为6.4mm。测量其他气体时，只需对激光器的中心波长进行调整，同时适当调节上述各距离即可，通用性强。
[0029]综上，本发明的光学系统安装精度要求不高并且光路结构简单，检测装置易校准、精度高且便于拆卸和安装。
[0030]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种烟气监测仪的光学系统，其特征在于，包括:红外光源、第一凸透镜、角锥棱镜、第二凸透镜和光电探测器；第一凸透镜、第二凸透镜和角锥棱镜之间构成检测区域；红外光源发出的红外光经第一凸透镜产生红外平行光束射入检测区域中，射入角锥棱镜的底面后再经角锥棱镜反射至第二凸透镜并聚焦至光电探测器。
2.根据权利要求1所述的一种烟气监测仪的光学系统，其特征在于，所述红外光源位于第一凸透镜的焦点处，所述光电探测器位于第二凸透镜的焦点处。
3.根据权利要求1所述的一种烟气监测仪的光学系统，其特征在于，所述红外光源为可调谐DFB激光器。
4.根据权利要求1所述的一种烟气监测仪的光学系统，其特征在于，所述第一凸透镜和第二凸透镜均为平凸透镜。
5.—种烟气监测仪的检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的光学系统，还包括:允许烟道气体扩散至其内腔中的检测探管、定标气室及隔气系统；红外光源、第一凸透镜、第二凸透镜及光电探测器安装于一防水盒内，所述角锥棱镜安装于检测探管内远离防水盒的一端；定标气室位于检测探管和防水盒之间，所述定标气室包括:温度传感器、压力传感器、标准气体入口和反吹气体入口 ；所述隔气系统位于检测探管和定标气室之间以防止红外光直接反射并隔开定标气室和检测探管。
6.根据权利要求5所述的一种烟气监测仪的检测装置，其特征在于，所述防水盒内还设有用于调节第一凸透镜和第二凸透镜位置角度的微调机构。
7.根据权利要求5所述的一种烟气监测仪的检测装置，其特征在于，所述检测探管的壁体上设有多个不锈钢烧结过滤器。
8.根据权利要求5所述的一种烟气监测仪的检测装置，其特征在于，所述检测探管的外壁上还缠绕有参考气体通道，所述参考气体通道与标准气体入口连通。
9.根据权利要求5所述的一种烟气监测仪的检测装置，其特征在于，所述反吹气体入口与检测探管的内腔连通。
10.根据权利要求5-9任一项所述的一种烟气监测仪的检测装置，其特征在于，所述检测探管长度为lm，红外光源的输出中心波长经温度传感器和压力传感器锁定在目标波长处，第一凸透镜的直径为12.7mm,焦距匕为11.53mm,红外平行光束的直径为4_，第二凸透镜的直径为25mm，焦距匕为46.75mm，第一凸透镜和第二凸透镜的边缘距离为6.4mm，角锥棱镜的有效口径为45.72mm。
【文档编号】G01N21/3504GK104483284SQ201410846107
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】姚军, 李伟, 张亚伟, 温强, 赵亚亭, 李文忠, 闫莹 申请人:苏州奥德克光电有限公司