一种基于TDLAS技术的原位式烟气测量装置的制作方法

本发明涉及一种烟气测量装置，具体涉及一种基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，属于环境监测设备。

背景技术：

1、烟气是粉尘和气体的混合物，在工业生产中实时在线检测烟气浓度对于环境监测以及工业发展等都具有重要的意义。气体浓度的检测方法主要有电化学法、气相色谱法、光学法等。其中，tdlas技术即可调谐半导体激光吸收光谱技术，通过可调谐激光二极管向充满目标物质样品气体的测定池照射激光，所述激光的波段与目标物质的吸收波长相近，当符合气体特征吸收波长的光通过气体时，就会被气体分子吸收，导致出射光减弱并由探测器将光电信号转换为吸收信号，从而获得目标物质的浓度，这种方法具有灵敏度高、检测速度快、可以实时在线非接触检测的优点。

2、但传统tdlas原位式测量装置，使用的激光的强度会随着测定装置所处环境的变化(例如电源电压的变动)而每次测定时发生变化，测量装置中使用光学元件的特性会随着时间逐渐变化，因此,基于tdlas技术的原位式烟气测量装置在安装调试过程中测量光路设计自由度小，烟道振动和温度变化对设备性能要求高，光路设计复杂，容易受到振动影响，稳定性较差。此外，红外探测器感光面较小，一般在1mm2左右，在利用中红外tdlas技术测量气体时，由于所用的激光器出射中红外光不在可见光范围内，且出射光功率低(通常只有几个毫瓦)，低功率的中红外光源只有在光斑较小时才能够通过显色卡观察到，因此在系统安装或光路调试时无法直观地看到光斑照射方向和位置，给设备的安装和光路的调试造成很大困扰。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，现提供一种基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，不仅光路设计简单，且其稳定性强，不容易受到振动和温度变化的影响，安装调试简单，测量精度高，光路噪音小。

2、为了实现上述目的，一种基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，包括依次连接的光学发射接收组件、过渡段、窗口片组件、测量腔以及反射组件，测量腔以及反射组件设置在烟道的测量环境中，窗口片组件安装在测量腔和过渡段之间，光学发射接收组件被过渡段隔离在远离烟道的一端；其中，光学发射接收组件包括光源组件结构、抛物面反射组件结构和探测器组件结构，光源组件结构配置为可发射出预设发散角度的光束，抛物面反射组件结构包括抛物面反射镜和用于安装抛物面反射镜的抛物面安装座，抛物面安装座和抛物面反射镜与光源对应位置均开设有容许光线通过的通孔，且抛物面安装座的下方具有开孔并对应安装探测器组件结构；

3、所述光源组件结构包括激光器、用于安装激光器的激光器安装座、准直镜和用于安装准直镜的准直镜安装座，通过光源准直组件调光机构预先调整激光器和准直镜之间的距离来实现光源组件结构发射出预设发散角度的光束。

4、进一步的，所述预设发散角度的光束的发散角范围为0°～1°。

5、进一步的，探测器组件结构包括探测器以及安装探测器的探测器支架，探测器支架固定在抛物面安装座的下方，探测器设置在抛物面反射镜的焦点处。

6、进一步的，光源准直组件调光机构包含l型固定块、压缩弹簧和螺纹副组件；准直镜安装座通过螺钉固定连接在l型固定块上，且l型固定块与准直镜安装座通光孔对应位置同样开设有透光孔，l型固定块上设置有压缩弹簧，激光器安装座套装在准直镜安装座外侧，二者之间具有间隙，激光器安装座与压缩弹簧接触；螺纹副组件包括l型螺母座和螺纹顶杆，l型螺母座的一侧通过长螺栓固定在l型固定块上，并通过旋转安装在l型螺母座另一侧的螺纹顶杆使激光器安装座沿着准直镜安装座外侧平移。

7、进一步的，光源准直组件调光机构调节发散角的过程包括：

8、第一步，在l型固定块的一侧沿光束平行方向的不同位置设置两个显色卡；

9、第二步，旋转螺纹顶杆推动激光器安装座沿着准直镜安装座外侧平移，从而调节激光器和准直镜之间的距离；

10、第三步，测量两个显色卡上光斑直径大小，直至两个显色卡上的光斑直径大小相同停止旋转螺纹顶杆，此时可认为光源为平行光束；

11、第四步，通过光学设计软件仿真出平行光束后焦距离和预设发散角度光束后焦距离之间差为△d，继续旋转螺纹顶杆使激光器安装座沿着准直镜安装座外侧继续平移△d，使平行光束达到预设发散角度光束；

12、第五步，将激光安装座和准直镜安装座固定在一起，反向旋转螺纹顶杆，拆卸准直镜安装座上的螺钉，激光器安装座和准直镜安装座从光源准直组件调光机构上拆卸下来；

13、第六步，将激光器、激光器安装座、准直镜和准直镜安装座组成的一体式光源准直结构安装到原位式烟气测量装置中。

14、进一步的，光源组件结构还包括外壳和四氟隔热筒，激光器、激光器安装座、准直镜和准直镜安装座组成的一体式光源准直结构安装在外壳内，并通过四氟隔热筒将光源准直结构与外壳隔离。

15、进一步的，窗口片组件包括窗口片、窗口片安装座以及密封垫，窗口片通过密封垫密封安装在窗口片安装座内。

16、可选的，窗口片小角度倾斜安装，沿垂直方向的倾斜角度为3°～5°。

17、可选的，窗口片为楔形。

18、进一步的，反射组件包括反射器安装座、反射器和压环，反射器通过压环固定安装在反射器安装座中。

19、进一步的，测量腔设置反射器安装座的一端安装有滤芯，测量腔设置窗口片安装座的一端安装有射流器。

20、本发明的有益效果在于：1)光源组件结构的可以发射出预设发散角度的光束，从而使反射器反射回的光斑尺寸较大，即使光路结构收到振动、温度等影响发生微小偏移，也不会影响探测器捕捉反射光线的能量，测量装置的稳定性高；

21、2)采用中心带孔的抛物面镜，可以有效利用光路空间，使光路结构更加简单，预设发散角度的光束穿过抛物面反射镜中心通孔射入测量腔并由反射器反射回抛物面镜时，得到的反射后的光斑远远大于抛物面反射镜中心通孔的尺寸，从而使小部分光束通过中心孔往后传播，大部分光束照射到抛物面反射镜上的光束被反射汇聚到探测器上，即使红外探测器感光面较小也能捕获大部分光束；

22、3)将光源光束准直成一定角度的发散光，不仅有利于抛物面反射镜汇聚大部分光源，而且有利于减小通过中心孔往后传播光束对光源的影响，保证整个系统的测量精度；

23、4)辅助采用光源准直组件调光机构可以精确控制调整预设发散角度光束，从而有效解决了小能量红外光束发散角的精确调节和控制问题；

24、5)采用楔形窗口片或者平行窗口片小角度倾斜安装，避免或者减少窗口片反射/折射光束的干涉，大大降低光路噪音，进一步提高检测的稳定性和精确性。

技术特征：

1.一种基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，包括依次连接的光学发射接收组件、过渡段、窗口片组件、测量腔以及反射组件，测量腔以及反射组件设置在烟道的测量环境中，窗口片组件安装在测量腔和过渡段之间，光学发射接收组件被过渡段隔离在远离烟道的一端；其特征在于，光学发射接收组件包括光源组件结构、抛物面反射组件结构和探测器组件结构，光源组件结构配置为可发射出预设发散角度的光束，抛物面反射组件结构包括抛物面反射镜和用于安装抛物面反射镜的抛物面安装座，抛物面安装座和抛物面反射镜与光源对应位置均开设有容许光线通过的通孔，且抛物面安装座的下方具有开孔并对应安装探测器组件结构；

2.根据权利要求1所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，所述预设发散角度的光束的发散角范围为0°～1°。

3.根据权利要求2所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，探测器组件结构包括探测器以及安装探测器的探测器支架，探测器支架固定在抛物面安装座的下方，探测器设置在抛物面反射镜的焦点处。

4.根据权利要求1所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，光源准直组件调光机构包含l型固定块、压缩弹簧和螺纹副组件；准直镜安装座通过螺钉固定连接在l型固定块上，且l型固定块与准直镜安装座通光孔对应位置同样开设有透光孔，l型固定块上设置有压缩弹簧，激光器安装座套装在准直镜安装座外侧，二者之间具有间隙，激光器安装座与压缩弹簧接触；螺纹副组件包括l型螺母座和螺纹顶杆，l型螺母座的一侧通过长螺栓固定在l型固定块上，并通过旋转安装在l型螺母座另一侧的螺纹顶杆使激光器安装座沿着准直镜安装座外侧平移。

5.根据权利要求4所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，光源准直组件调光机构调节发散角的过程包括：

6.根据权利要求1所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，光源组件结构还包括外壳和四氟隔热筒，激光器、激光器安装座、准直镜和准直镜安装座组成的一体式光源准直结构安装在外壳内，并通过四氟隔热筒将光源准直结构与外壳隔离。

7.根据权利要求1所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，窗口片组件包括窗口片、窗口片安装座以及密封垫，窗口片通过密封垫密封安装在窗口片安装座内。

8.根据权利要求7所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，窗口片小角度倾斜安装，沿垂直方向的倾斜角度为3°～5°；或者窗口片为楔形。

9.根据权利要求1所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，反射组件包括反射器安装座、反射器和压环，反射器通过压环固定安装在反射器安装座中。

10.根据权利要求1至9任一权利要求所述的基于tdlas技术的原位式烟气测量装置，其特征在于，测量腔设置反射器安装座的一端安装有滤芯，测量腔设置窗口片安装座的一端安装有射流器。

技术总结
本发明涉及一种基于TDLAS技术的原位式烟气测量装置，包括依次连接的光学发射接收组件、过渡段、窗口片组件、测量腔以及反射组件，其中，光学发射接收组件包括光源组件结构、抛物面反射组件结构和探测器组件结构，通过光源准直组件调光机构来实现光源组件结构发射出预设发散角度的光束，抛物面反射组件结构包括抛物面反射镜和用于安装抛物面反射镜的抛物面安装座，抛物面安装座和抛物面反射镜与光源对应位置均开设有容许光线通过的通孔，且抛物面安装座的下方具有开孔并对应安装探测器组件结构。本发明不仅光路设计简单，且其稳定性强，不容易受到振动和温度变化的影响，安装调试简单，测量精度高，光路噪音小。

技术研发人员：邱云,黄彬
受保护的技术使用者：安荣信科技（北京）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12