一种含粉尘环境中检测包含SO₂、NO₂和NO三种气体浓度的装置的制造方法

一种含粉尘环境中检测包含SO₂、NO₂和NO三种气体浓度的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种含粉尘环境中检测包含SO2、NO2和NO三种气体浓度的装置，属于气体浓度检测技术领域。技术方案是：三个红外激光调节器(1)分别与各自的红外激光头(2)连接；三个红外激光头(2)布置在含尘气体通道(3)的一侧，与三个红外激光头(2)匹配的三个红外探测器(4)布置在含尘气体通道(3)的另一侧；三个红外探测器与多通道锁相放大器的三个输入通道连接，多通道锁相放大器(5)的输出通道与处理终端(6)连接。本实用新型的有益效果：能够有效去除气体中已知粉尘的干扰，分别测量出SO2、NO2和NO三种气体的浓度，能够满足钢铁行业尾气排放监测领域的应用要求，既具有成本低廉、便于维护，经济适用的优点，又能够得到高精度的测量结果。
【专利说明】
一种含粉尘环境中检测包含S〇2、N〇2和NO三种气体浓度的装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种含粉尘环境中检测包含so2、n〇4pno三种气体浓度的装置，通 过特定波长的红外激光照射含有粉尘的气体，可测量出特定成分气体的浓度并不受粉尘的 干扰，属于气体浓度检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，针对不同的气体采用不同波长的红外光线进行测量，通常气体测量的红外 激光波长在1300nm-8000nm，甚至更高。由于国外技术垄断，高波长远红外测量设备存在成 本高，维护难，运输风险大等问题；国内针对S0 2、N0dPN0三种测量气体，提出使用2000-4000nm波长的中红外激光进行测量，中红外测量经济实用，好维护，技术门槛较低，国内可 研制开发，但是，存在问题是：测量精度无法达到远红外测量的精度。针对SO 2、N0dPN0三种 测量气体，使用2000_4000nm波长的中红外激光进行测量，如何得到高精度的测量结果，是 本领域亟待解决的技术问题。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型目的是提供一种含粉尘环境中检测包含S02、N02和NO三种气体浓度的 装置，在程序模拟中能够有效去除气体中已知粉尘的干扰，分别测量出SO 2、NOdPNO三种气 体的浓度，能够满足钢铁行业尾气排放监测领域的应用要求，既具有成本低廉、便于维护， 经济适用的优点，又能够得到高精度的测量结果，解决【背景技术】存在的上述问题。
[0004] 本实用新型技术方案是：
[0005] -种含粉尘环境中检测包含S02、N0dPN0三种气体浓度的装置，包含红外激光调节 器、红外激光头、含尘气体通道、红外探测器、多通道锁相放大器和处理终端，三个红外激光 调节器分别与各自的红外激光头连接，用于对红外激光头出射红外激光的波长进行调控， 使三个红外激光头射出的红外激光稳定保持在规定的波长范围内；三个红外激光头布置在 含尘气体通道的一侧，与三个红外激光头匹配的三个红外探测器布置在含尘气体通道的另 一侧，保证红外探测器能够接收到红外激光头发射的红外激光信号;三个红外探测器与多 通道锁相放大器的三个输入通道连接，多通道锁相放大器的输出通道与处理终端连接。
[0006] 所述含尘气体通道，是由高透光率材质制成且装有被测气体的长方形气室，其宽 度为0.8-1米;所述的红外激光头和与之匹配的红外探测器，布置在一条直线上，该直线垂 直于长方形气室的宽度方向；红外激光头和与之匹配的红外探测器之间的距离为1米以上， 根据红外激光的能量确定，保证红外探测器能够接收到红外激光头发射的红外激光信号。
[0007] 所述的三个红外激光头，发射的红外激光波长不同，分别匹配测量SO2、N0dPN0气 体浓度。
[0008] 所述处理终端为计算机。
[0009] 本实用新型红外探测器接收红外光信号后进行光电转换，多通道锁相放大器对接 收到的电信号进行处理后再转化为数字信号传送给处理终端，处理终端在分析检测到的数 字信号时候，使用去尘校正算法，消除气体中已知属性的粉尘颗粒对激光的影响;不论粉尘 浓度如何变化，只要红外探测器能够接收到红外激光信号，通过信号处理，数值运算解析出 与气体浓度呈比例的二次谐波信号，就能测量出各气体的浓度，并使各气体的浓度测量结 果保持在一个稳定的水平。
[0010]本实用新型的有益效果：能够有效去除气体中已知粉尘的干扰，分别测量出s〇2、 NO2和NO三种气体的浓度，能够满足钢铁行业尾气排放监测领域的应用要求，既具有成本低 廉、便于维护，经济适用的优点，又能够得到高精度的测量结果。
【附图说明】
[0011] 图1为本实用新型实施例结构示意图；
[0012] 图中：红外激光调节器1、红外激光头2、含尘气体通道3、红外探测器4、多通道锁相 放大器5、处理终端6。
【具体实施方式】
[0013] 以下通过实施例对本实用新型做进一步说明。
[0014] 一种含粉尘环境中检测包含s〇2、N〇#PN〇三种气体浓度的装置，包含红外激光调节 器1、红外激光头2、含尘气体通道3、红外探测器4、多通道锁相放大器5和处理终端6，三个红 外激光调节器1分别与各自的红外激光头2连接，用于对红外激光头出射红外激光的波长进 行调控，使三个红外激光头射出的红外激光稳定保持在规定的波长范围内；三个红外激光 头2布置在含尘气体通道3的一侧，与三个红外激光头2匹配的三个红外探测器4布置在含尘 气体通道3的另一侧，保证红外探测器能够接收到红外激光头发射的红外激光信号;三个红 外探测器与多通道锁相放大器的三个输入通道连接，多通道锁相放大器5的输出通道与处 理终端6连接。
[0015] 所述含尘气体通道3,是由高透光率材质制成且装有被测气体的长方形气室，其宽 度为0.8-1米;所述的红外激光头2和与之匹配的红外探测器4,布置在一条直线上，该直线 垂直于长方形气室的宽度方向；红外激光头2和与之匹配的红外探测器4之间的距离为1米 以上，根据红外激光的能量确定，保证红外探测器能够接收到红外激光头发射的红外激光 信号。
[0016] 所述的三个红外激光头2,发射的红外激光波长不同，分别匹配测量S02、N0#PN0气 体浓度。
[0017] 所述处理终端6为计算机。
[0018] 本实用新型红外探测器4接收红外光信号后进行光电转换，多通道锁相放大器5对 接收到的电信号进行处理后再转化为数字信号传送给处理终端6,处理终端6在分析检测到 的数字信号时候，使用去尘校正算法，消除气体中已知属性的粉尘颗粒对激光的影响;不论 粉尘浓度如何变化，只要红外探测器能够接收到红外激光信号，通过信号处理，数值运算解 析出与气体浓度呈比例的二次谐波信号，就能测量出各气体的浓度，并使各气体的浓度测 量结果保持在一个稳定的水平。
[0019] 本实用新型的原理如下：
[0020] 红外光在含尘气体中传播主要受到气体吸收和粉尘干扰。气体对红外光线的吸收 由朗伯比尔定律得：
[0021]
[0022] 式中1〇为激光器射出并进入长方形气室的入射光，经过电转换后单位(V) ; I为穿 过长方形气室后由红外探测器接收到的出射光，经过电转换后单位(V);P为气体压强，单位 (atm) ;C为所测量的气体摩尔浓度，单位(mol/(cm3 · atm)) ;L为测量光程，单位(cm) ;α为气 体的吸收系数，单位(〇112/1]1〇1)。3(1')为气体吸收线强，单位(1]1〇1/〇11)。对上式进行傅立叶 级数展开，然后提取出二次谐波系数的表达式进行运算化简后得如下公式：
[0023]
[0024] 式中Av是气体对应吸收波长的半高半宽;m为调制系数。由公式（2)关系可以看 出，二次谐波的幅值与气体的浓度成线性关系，在此基础上通过对已知浓度的气体进行比 例定标后即可应用于测量未知浓度的气体浓度了。
[0025]然后根据朗伯比尔粉尘消光定律：
[0026]
[0027] 得到Io经粉尘衰减后与I的关系式。式中N是分子数;L为测量光程，单位(cm) ;d为 粉尘颗粒直径，单位(M) ;K为消光系数，消光系数与粉尘的粒径分布、密度和双折射率有 关，只要粉尘物质确定，消光系数即可以确定为一常量。对分子数N进行N=M/(pv)变换后再 带入 v=(Jid3)/6 得：
[0028] (4)
[0029] 上式中M为粉尘质量，单位(g);P是粉尘颗粒密度，单位(g/m3)。由于粒径大小的分 布不同，对所有粒径分布需要进行一个离散化运算，n r(cU)为积分离散后的数值积分系数，f (Cl1)是粒径分布函数。
[0030] 随后使用公式(2)除以出射光I，通过一系列变换计算最终得出如下公式：
[0031] (5)
[0032] 公式(5)即为去尘校正算法公式。根据公式(5)可以看出，Ai所有参数中除气体浓 度C外都是已知常量，从而消除了粉尘对从光信号中提取出的二次谐波信号的干扰，使A^ f 只受气体浓度的影响，从而可以在有尘测量环境更稳定的测量出气体浓度的变化。
【主权项】
1. 一种含粉尘环境中检测包含S〇2、N〇2和NO三种气体浓度的装置，其特征在于:包含红 外激光调节器（1)、红外激光头（2)、含尘气体通道(3)、红外探测器(4)、多通道锁相放大器 (5)和处理终端(6)，三个红外激光调节器（1)分别与各自的红外激光头（2)连接;三个红外 激光头(2)布置在含尘气体通道(3)的一侧，与三个红外激光头（2)匹配的三个红外探测器 (4)布置在含尘气体通道(3)的另一侧;三个红外探测器与多通道锁相放大器的三个输入通 道连接，多通道锁相放大器(5)的输出通道与处理终端(6)连接。2. 根据权利要求1所述的一种含粉尘环境中检测包含S02、N02和NO三种气体浓度的装 置，其特征在于:所述含尘气体通道(3)，是由高透光率材质制成且装有被测气体的长方形 气室，其宽度为0.8-1米;所述的红外激光头(2)和与之匹配的红外探测器(4)，布置在一条 直线上，该直线垂直于长方形气室的宽度方向；红外激光头（2)和与之匹配的红外探测器 (4)之间的距离为1米以上。3. 根据权利要求1或2所述的一种含粉尘环境中检测包含S02、N0#PN0三种气体浓度的 装置，其特征在于:所述的三个红外激光头（2)，发射的红外激光波长不同，分别匹配测量 SO2、勵2和勵气体浓度;所述处理终端(6)为计算机。
【文档编号】G01N21/3504GK205538664SQ201620330927
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】杨友良, 曾怡帅, 马翠红, 孟凡伟
【申请人】华北理工大学