专利名称：基于二极管激光的汞气连续监测装置及监测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于二极管激光的汞气连续监测装置及监测方法，属于汞气监测技术领域。
背景技术：
燃煤烟气排放中的汞污染物以气态单质汞为主要形式，其总汞的含量可以通过热催化或化学转化的方式将其它形态的汞转化为气态单质汞来测得。燃煤汞排放的监测方法主要分为湿化学法和在线分析法两大类。目前被广泛采用的标准测汞方法都是基于湿化学原理，尽管这些方法可以提供较高的灵敏度，但其耗时是以天计数的，难以提供实时的监测数据。与成熟的湿化学法相比，具有实时性优势的在线分析方法尚处于研究和发展过程中。 在目前已有应用的汞排放连续监测系统中最常被采用的是基于吸收光谱学检测原理的冷蒸汽原子吸收光谱技术。但在大部分基于冷蒸汽原子吸收光谱的汞气测量系统中，烟气流中的汞在引入光学检测系统分析前，需经预富集和解吸附两个步骤来提高测量灵敏度以及去除干扰气体，这会使系统的结构复杂，并大大降低汞排放监测的实时性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的汞气测量存在系统结构复杂并且汞排放监测实时性差的问题，提供一种基于二极管激光的汞气连续监测装置及监测方法。本发明所述基于二极管激光的汞气连续监测装置，它由信号发生器、第一激光二级管控制器、第二激光二级管控制器、第一激光二极管、第二激光二极管、第一反射镜、二向色镜、第一凸透镜、BBO晶体、第二凸透镜、分光棱镜、第二反射镜、分光镜、样品池、参考池、 第一滤光片、第二滤光片、第一探测器、第二探测器和数据采集分析器组成，第一激光二级管控制器的控制信号输出端连接第一激光二极管的控制信号输入端，第一激光二极管发射的激光束入射至二向色镜的正面，信号发生器用于产生锯齿波或三角波的控制信号，信号发生器的控制信号输出端连接第二激光二级管控制器的控制信号输入端，第二激光二级管控制器的控制信号输出端连接第二激光二极管的控制信号输入端，第二激光二极管发射的激光束经第一反射镜反射后入射至二向色镜的反面，二向色镜正面入射光束的透射光束与二向色镜反面入射光束的反射光束重叠共线后入射至第一凸透镜，经第一凸透镜汇聚的光束入射至BBO晶体，经该BBO晶体透射的激光束经过第二凸透镜准直后入射至分光棱镜，该分光棱镜分离出的紫外激光束经第二反射镜反射后入射至分光镜，再经该分光镜分为透射光束和反射光束，分光镜的透射光束经过样品池和第一滤光片后，被第一探测器的光探测面接收， 第一探测器的信号输出端连接数据采集分析器样品信号输入端，分光镜的反射光束经过参考池和第二滤光片后，被第二探测器的光探测面接收， 第二探测器的信号输出端连接数据采集分析器参考信号输入端；
BBO晶体设置于第一凸透镜和第二凸透镜的焦平面上；参考池中的介质为常温常压下汞的饱和蒸气。第一激光二极管发射的激光束波长λ 1和第二激光二极管发射的激光束波长λ 满足I/ λ !+I/ λ 2 = 1/254的关系,所述波长的单位为nm ；二向色镜对第一激光二极管发射的激光束的透过率大于90%，二向色镜对第二德光二极管发射的激光束的反射率大于90%。参考池中汞蒸气的浓度与参考池中的光程长度的乘积为50 μ g/m2 500 μ g/m2。第一滤光片和第二滤光片对入射光束的透过波长均为254nm,第一滤光片和第二滤光片的带宽均小于20nm, 于IO3
第一滤光片和第二滤光片在254nm波长处和400nm-800nm波段的透过率之比均大
第一凸透镜和第二凸透镜的焦距在2cm IOcm范围内；
分光镜为半反射半透射的分束镜。
BBO晶体在垂直于光束传播方向的面积介于25mm2至IOOmm2之间，BBO晶体在沿着光束传播方向的长度大于7mm并且小于20mm。信号发生器产生的锯齿波或三角波信号的频率为2Hz 20kHz ；第一探测器和第二探测器的光探测面在入射光束波为长为254nm处的响应率大于 103A/Wo一种基于上述基于二极管激光的汞气连续监测装置的监测方法，由第一激光二级管控制器控制第一激光二极管的温度和电流，使第一激光二极管发射波长为λ i的光束，信号发生器输出NHz锯齿波或三角波信号给第二激光二级管控制器，O < N < 105，使第二激光二级管控制器控制第二激光二极管的温度和电流，进而使第二激光二极管发射波长为λ 2的光束，使得λ i和λ 2满足条件I/ λ 1+1/λ 2 = 1/254，λ i和入2的单位均为nm,入射至BBO晶体的两束激光在BBO晶体内部通过非线性和频过程产生中心波长为 254nm、以NHz调谐变化的紫外光，该BBO晶体输出三束激光光束的波长分别为λ ρ λ 2、和 254nm，该三束激光光束经第二凸透镜准直后，经过分光棱镜将254nm的紫外激光束分离出来，分光镜将第二反射镜反射的光束分为两束，分光镜的透射光束与样品池内的待测萊气在254nm波长处产生共振吸收,分光镜的反射光束与参考池内的待测萊气在254nm波长处产生共振吸收，数据采集分析器采集获得第一探测器探测获得的样品光强信号和第二探测器探测获得的参考光强信号，对该样品光强信号中非吸收波段的样品光强信号Is和参考光强信号中非吸收波段的参考光强信号Ik做多项式拟合，获得所述样品光强信号中吸收波段在无萊气吸收时对应的样品光的初始光强信号ISCi和参考光强信号中吸收波段在无萊气吸收时对应的参考光的初始光强信号IR(| ；根据下式计算获得样品池中待测汞气浓Cs ；
权利要求
1.一种基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于它由信号发生器(I)、第一激光二级管控制器(2-1)、第二激光二级管控制器(2-2)、第一激光二极管(3-1)、第二激光二极管(3-2)、第一反射镜(4)、二向色镜(5)、第一凸透镜(6)、BBO晶体(7)、第二凸透镜 (8)、分光棱镜(9)、第二反射镜(10)、分光镜(11)、样品池(12-1)、参考池(12-2)、第一滤光片(13-1)、第二滤光片(13-2)、第一探测器(14-1)、第二探测器(14-2)和数据采集分析器 (15)组成，第一激光二级管控制器(2-1)的控制信号输出端连接第一激光二极管(3-1)的控制信号输入端，第一激光二极管(3-1)发射的激光束入射至二向色镜(5)的正面，信号发生器(I)用于产生锯齿波或三角波的控制信号，信号发生器(I)的控制信号输出端连接第二激光二级管控制器(2-2)的控制信号输入端，第二激光二级管控制器(2-2) 的控制信号输出端连接第二激光二极管(3-2)的控制信号输入端，第二激光二极管(3-2) 发射的激光束经第一反射镜(4)反射后入射至二向色镜(5)的反面，二向色镜(5)正面入射光束的透射光束与二向色镜(5)反面入射光束的反射光束重叠共线后入射至第一凸透镜￠)，经第一凸透镜(6)汇聚的光束入射至BBO晶体(7)，经该BBO 晶体(7)透射的激光束经过第二凸透镜(8)准直后入射至分光棱镜(9)，该分光棱镜(9)分离出的紫外激光束经第二反射镜(10)反射后入射至分光镜(11)，再经该分光镜(11)分为透射光束和反射光束，分光镜(11)的透射光束经过样品池(12-1)和第一滤光片(13-1)后,被第一探测器 (14-1)的光探测面接收，第一探测器(14-1)的信号输出端连接数据采集分析器(15)样品信号输入端，分光镜(11)的反射光束经过参考池(12-2)和第二滤光片(13-2)后，被第二探测器 (14-2)的光探测面接收，第二探测器(14-2)的信号输出端连接数据采集分析器(15)参考信号输入端；BBO晶体(7)设置于第一凸透镜(6)和第二凸透镜(8)的焦平面上；参考池(12-2)中的介质为常温常压下汞的饱和蒸气。
2.根据权利要求I所述的基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于第一激光二极管(3-1)发射的激光束波长X工和第二激光二极管(3-2)发射的激光束波长X2满足1/^+1/X 2 = 1/254的关系，所述波长的单位为nm;二向色镜(5)对第一激光二极管(3-1)发射的激光束的透过率大于90%，二向色镜(5)对第二激光二极管(3-2)发射的激光束的反射率大于90%。
3.根据权利要求I或2所述的基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于参考池(12-2)中汞蒸气的浓度与参考池中的光程长度的乘积为50 ii g/m2 500 ii g/m2。
4.根据权利要求3所述的基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于第一滤光片(13-1)和第二滤光片(13-2)对入射光束的透过波长均为254nm,第一滤光片(13_1) 和第二滤光片(13-2)的带宽均小于20nm,第一滤光片(13-1)和第二滤光片(13-2)在254nm波长处和400nm-800nm波段的透过率之比均大于103。
5.根据权利要求4所述的基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于第一凸透镜(6)和第二凸透镜⑶的焦距在2cm IOcm范围内；分光镜(11)为半反射半透射的分束镜。
6.根据权利要求5所述的基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于ΒΒ0晶体(7)在垂直于光束传播方向的面积介于25mm2至IOOmm2之间，BBO晶体(7)在沿着光束传播方向的长度大于7mm并且小于20mm。
7.根据权利要求6所述的基于二极管激光的汞气连续监测装置，其特征在于信号发生器(I)产生的锯齿波或三角波信号的频率为2Hz 20kHz ；第一探测器(14-1)和第二探测器(14-2)的光探测面在入射光束波为长为254nm处的响应率大于103A/W。
8.一种基于权利要求I所述基于二极管激光的汞气连续监测装置的监测方法，其特征在于由第一激光二级管控制器(2-1)控制第一激光二极管(3-1)的温度和电流，使第一激光二极管(3-1)发射波长为λ j的光束,信号发生器(I)输出NHz锯齿波或三角波信号给第二激光二级管控制器(2-2)，O < N < 105，使第二激光二级管控制器(2-2)控制第二激光二极管(3-2)的温度和电流，进而使第二激光二极管(3-2)发射波长为λ2的光束，使得A1 和入2满足条件
9.根据权利要求8所述的基于二极管激光的汞气连续监测方法，其特征在于数据采集分析器(15)采集获得第一探测器(14-1)探测获得的样品光强信号和第二探测器(14-2)探测获得的参考光强信号，对该样品光强信号中非吸收波段的样品光强信号Is 和参考光强信号中非吸收波段的参考光强信号Ik做多项式拟合，获得所述样品光强信号中吸收波段在无萊气吸收时对应的样品光的初始光强信号ISCi和参考光强信号中吸收波段在无萊气吸收时对应的参考光的初始光强信号IR(|的具体方法为步骤一，去除所述样品光强信号和参考光强信号中吸收波段所对应的光强信号值，保留非吸收波段的样品光强信号Is和非吸收波段的参考光强信号Ik ;步骤二，对非吸收波段的样品光强信号Is和非吸收波段的参考光强信号Ik做三次曲线拟合，得到形式为Y = a+bX+cX2+dX3的多项式，X为光强信号的时间值，Y为对应的光强信号值，a、b和c分别为多项式的系数；步骤三，将步骤一中去除的所述样品光强信号中吸收波段所对应的光强信号值对应的时间值代入步骤二的多项式中，获得的Y值即为吸收波段信号在无汞气吸收时对应的样品光的初始光强Istl ;将步骤一中去除的所述参考光强信号中吸收波段所对应的光强信号值对应的时间值代入步骤二的多项式中，获得的Y值即为吸收波段信号在无汞气吸收时对应的参考光的初始光强IRCi。
10.根据权利要求9所述的基于二极管激光的汞气连续监测方法，其特征在于所述非线性修正系数A的获得方法为步骤A :将样品池(12-1)中充满已知浓度为Csi的汞气；步骤B :根据下式计算获得非线性修正系数A _ Csi Ls ln(/fi0 IIr)~~c~rTr \n{isjisy步骤C :重复执行步骤A和步骤B，直到获得7 9组不同汞气浓度所对应的非线性修正系数A，并分别以已知的汞气浓度Csi除以对应的非线性修正系数A获得的值C' s为横轴，C/ = ，非线性修正系数A为纵轴描绘A与C' s的对应关系曲线；步骤D :根据步骤C中获得的A与C' s的对应关系曲线，得到待测汞气浓度Cs在未经非线性修正系数A修正时对应的非线性修正系数A。
全文摘要
基于二极管激光的汞气连续监测装置及监测方法，属于汞气监测技术领域。它解决了现有的汞气测量存在系统结构复杂并且汞排放监测实时性差的问题。监测装置由信号发生器、第一激光二级管控制器、第二激光二级管控制器、第一激光二极管、第二激光二极管、第一反射镜、二向色镜、第一凸透镜、BBO晶体、第二凸透镜、分光棱镜、第二反射镜、分光镜、样品池、参考池、第一滤光片、第二滤光片、第一探测器、第二探测器和数据采集分析器组成，监测方法利用二极管激光吸收光谱技术实现对汞气浓度的连续监测，用参考气体本身的光谱信息实现了对气态单质汞的选择性识别和定量探测，排除了二氧化硫和二氧化氮等气体带来的干扰。本发明用于汞气的在线监测。
文档编号G01N21/85GK102590097SQ20121005510
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者吴少华, 娄秀涛, 张治国, 瑞小川, 袁承勋 申请人:哈尔滨工业大学