一種測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的方法及裝置的製作方法
2023-10-08 00:19:29 4
專利名稱：一種測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的方法及裝置，屬於煙氣測量但是不同氣體之間的特徵吸收光譜帶彼此有重疊，因而除目標氣體外的其它氣體也會吸收測量波長範圍內的光能，造成測量誤差，這些氣體被稱為幹擾氣體。煙道氣中的氣體成分複雜，幹擾氣體對測量結果的影響很大。上述文獻中提到的儀器或裝置從測量方法上無法消除由此造成的誤差。現有的儀器或裝置採用氣泵將煙道氣從煙道中採集出來，從其中濾除灰塵以及CO2和H2O等幹擾氣體後送入待測氣體樣品腔進行測量。此種方法得到的測量結果並不能實時反映煙道內的一氧化碳濃度，而且由於煙道氣在傳送過程中溫度和壓力都發生了改變，濃度也發生了改變，因此必須對測量結果進行額外的修正才能精確的得到煙道氣內部的一氧化碳濃度。另外，測量裝置中的光電探測器自身的光電探測特性隨溫度變化，這對測量結果產生嚴重的影響。
目前，國內外的研究和實踐均證明，燃燒設備的煙氣中，尤其是垃圾焚燒過程中會產生二次汙染物，如二惡英、呋喃等對人體有害的高毒性物質，這些物質的生成與煙氣中的CO濃度有關。因此，準確測量煙氣中的一氧化碳濃度，並根據測量結果對垃圾焚燒過程進行反饋控制，從而有效地減少二惡英等有害物質的排放量，是值得研究的課題。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的裝置，它包括紅外光學系統和以單片機為核心的對光電轉換後的信號進行放大、濾波、A/D轉換的信號處理系統，所述的光學系統含有拋物面反射鏡、位於該反射鏡焦點處的紅外光源、依次設置在出射光光路中的調製盤、濾光片以及用於匯聚光能的拋物面反射鏡和位於其焦點上的光電探測器，其特徵在於在光路中設有安裝在煙道壁上的兩組藍寶石窗片以及固定在煙道另一側其鏡面互相垂直的兩塊平面反射鏡；所述的調製盤上含有一個裝有純淨一氧化碳氣體的參考氣體腔和一個裝有純淨氮氣的衰減氣體腔。
本發明的技術特徵還在於在所述的調製盤上的兩個氣體腔所在圓周的外緣還設有四個均布的同步孔，在調製盤兩側分別設有發光二極體和光電三極體，其連線通過同步孔中心所處的圓周；調製盤轉動時產生的同步脈衝信號經整形、移相、延時和電平轉換電路後與單片機的控制端相連。
本發明還提供了一種測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的方法，該方法包括如下步驟(1)紅外光源發出的光經拋物面反射鏡後交替通過調製盤上的衰減氣體腔和參考氣體腔，經濾光片和設置在煙道壁上的一組藍寶石窗片穿過煙道，再經過設置在煙道另一側的互成直角的反射鏡反射後經另一組藍寶石窗片再次穿過煙道，然後經拋物面反射鏡匯聚到光電探測器上，使其接收到有一定差值的兩路光信號；(2)在調製盤轉動的一個周期以內，設置在調製盤一側的光電三級管通過設置在調製盤上的四個同步孔，接收來自調製盤另一端的發光二極體發出的光，產生四個同步脈衝，經過整形、移相、延時和電平轉換處理後生成同步信號送入單片機的控制端；(3)經光電探測器轉換後輸出的兩路電信號經過前置放大、程控放大和低通濾波處理後送入A/D輸入端，當同步信號處於低電平時對其進行A/D採樣；利用固化在單片機中的軟體處理程序將調製盤轉動一個周期內採樣的四組數據分別進行累加，並計算相鄰兩組累加數據的差值；再利用兩個差值與一氧化碳濃度的關係式計算得到一氧化碳的濃度。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性進步本發明採用了氣體濾波相關檢測方法，消除了幹擾氣體對煙道氣中一氧化碳濃度測量結果的影響，因此可以直接對煙道氣進行測量而不需要將其引出並經過各種過濾裝置，簡化了測量系統的複雜性；結構比較靈活，可以廣泛應用於各種焚燒設備中不同直徑不同形狀的煙道，便於在工業生產中推廣。測量過程具備真正的在線特性，測量結果能夠真實反映當前煙道氣中一氧化碳的濃度；同時本發明能夠自動消除或補償電壓波動、光源波動以及光電探測器的光電轉換特性隨溫度變化引起的測量誤差，具有高精度、高穩定性的特點。
圖2為本發明中的調製盤的結構示意圖。
圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為本發明的信號處理系統的結構框圖。
圖5為本發明中A/D採樣控制過程的信號圖。
圖6為本發明中的A/D採樣結果圖。
圖7是本發明的軟體流程框圖。
由於氣體對特定光波長的紅外光具有吸收作用，其吸收能量的強度與氣體的濃度有關，本發明正是通過測量一氧化碳氣體對其特徵光波長吸收的光能的多少來測量一氧化碳濃度的。
圖1為本發明提供的測量裝置的光學系統示意圖。測量光路由紅外光源1、拋物面反射鏡2、調製盤3、濾光片7、兩組藍寶石窗片8和10、兩塊互成直角的平面反射鏡9、拋物面反射鏡11和銻化銦光電探測器12組成。其中紅外光源1位於拋物面反射鏡2的焦點位置；調製盤3上對稱裝有兩個氣體腔，分別是充有純淨一氧化碳氣體的參考氣體腔4和充有純淨氮氣的衰減氣體腔5，兩個氣體腔的外形結構尺寸應完全一樣，以保證調製盤的動平衡；濾光片7的光譜透光帶的中心波長為一氧化碳的特徵吸收波長4.65μm，透光帶半寬為0.2μm，與一氧化碳的光譜吸收峰一致，即濾光片只允許透過一氧化碳能夠吸收的那部分波長的光能量，這樣就消除了雜散光的影響。藍寶石窗片位於煙道壁上開的透光孔位置，它既能夠保證測量光束進入煙道，又能夠防止煙道12中的灰塵、水蒸氣等進入測量裝置內部造成汙染。
在測量過程中，紅外光源1發出的光能經過拋物面反射鏡2反射後成平行光射出，經過調製盤3上面的參考氣體腔4或者衰減氣體腔5、濾光片7，然後通過第一組藍寶石窗片8穿過煙道。光束經過兩塊經過校正的反射鏡9反射後通過第二組藍寶石窗片10再次經過煙道，由另一個拋物面反射鏡11匯聚在位於其焦點位置的銻化銦光電探測器12上。調製盤轉動一個周期的過程中，參考氣體腔4和衰減氣體腔5交替進入光路，這樣銻化銦光電探測器12就會按照時間順序接收到兩個不同的光信號。設參考氣體腔4通過光路時光電探測器接收到的光強為Ig，衰減氣體腔5通過光路時光電探測器接收到的光強為Ig』。銻化銦光電探測器12將兩個光信號轉換成兩個電信號後送入信號處理系統13進行信號處理。
氣體濾波相關檢測法的基本原理是，當調製盤3帶動參考氣體腔4移動到光路上時，因為其中充有純淨的一氧化碳，即濃度為100％，因此它準確地吸收了一氧化碳的吸收譜線上幾乎所有的光能。而煙道中的一氧化碳吸收的光能幾乎可以忽略，此時光電探測器12接收到的光信號與煙道中的一氧化碳氣體濃度c無關。當調製盤3帶動衰減氣體腔5移動到光路中時，因為氮氣對紅外光無吸收，此時光電探測器12接收到的信號就與煙道氣中的一氧化碳氣體濃度有關。兩個信號的差值Ig』-Ig也就與煙道氣中的一氧化碳氣體濃度有關。
而對於煙道氣中的幹擾氣體，無論是參考氣體腔4還是衰減氣體腔5進入光路，都不影響幹擾氣體對自己特定吸收譜線光能的吸收，也就是說幹擾氣體對光能的吸收造成的兩個信號的衰減大小是一樣的，即不影響它們的差值。因此兩個信號Ig』-Ig的差值只由煙道氣中的一氧化碳氣體濃度決定。這樣經過氣體濾波後，由於幹擾氣體與目標氣體的吸收譜線交疊造成的誤差就得到了有效的消除。
除了幹擾氣體以外，紅外光源1出射光譜特性的變化以及濾光片7的濾光特性的變化也會對測量結果造成影響。因為除了通過的氣體腔不同，Ig和Ig』都是通過同一個光路得到的，所以這些誤差源對這兩個光信號造成的誤差與光信號的大小成正比。
綜上所述，按照公式(1)計算得到的R可以消除上述種種誤差，其值只與一氧化碳的濃度有關。R=Ig-IgIg+Ig-----(1)]]>圖2為本發明中調製盤3的結構示意圖，圖3為圖2的A-A剖視圖。調製盤3上除了結構對稱的參考氣體腔4和衰減氣體腔5以外，在兩個氣體腔所在圓周的外緣還設有四個均布的同步孔14，在調製盤兩側分別設有發光二極體15和光電三極體16，其連線通過同步孔中心所處的圓周。這樣當任意一個同步孔14上轉動到兩者的連線上時，發光二極體15發出的光經過同步孔被光電三極體16接收，產生一個同步脈衝信號。因為有四個均布同步孔14，所以在調製盤3轉動的一個周期以內產生四個彼此相位差為90度的同步脈衝，圖4是本發明提供的測量裝置中信號處理系統13的結構框圖。銻化銦光電探測器12對接收到的光信號進行光電轉換後可以得到與入射光信號對應的電信號，此信號經過前置放大、程控放大、低通濾波等處理過程後進入A/D轉換器件的輸入端。其中程控放大的倍數可調，放大倍數由單片機控制。光電三極體16按照前述機理產生的同步脈衝信號經過整形、移相、延時以及電平轉換處理後生成同步信號送入單片機的控制端，單片機在同步信號的作用下控制A/D採樣的進行。
A/D採樣的控制過程如圖5所示。調製盤3轉動的一個周期內，銻化銦光電探測器12接收到兩個光信號，調製盤3不停地轉動，銻化銦光電探測器12上就會接收到一系列光信號，這些光信號經過上述的信號處理過程後成為送入A/D轉換器件的信號21；而在調製盤3轉動的同時，光電三極體16產生一系列的同步脈衝信號17。此信號經過整形、移相(信號18)、延時(信號19)以後，再進行電平轉換(CMOS電平轉換為TTL電平，幅值和波形不變)，再將其反相後的信號20作為單片機對A/D採樣的控制信號。移相和延時過程的要求是同步信號20與A/D的輸入信號21同相位。
單片機用中斷方式控制A/D採樣，用信號21的下降沿作為一個A/D採樣周期的起點，用上升沿作為一個A/D採樣的終點，採樣出來的信號如圖6所示。其中信號22是衰減氣體腔4經過光路時的A/D轉換結果，對應Ig』；信號24是參考氣體腔5經過光路時的A/D轉換結果，對應Ig。信號23和25是銻化銦光電探測器12沒有接收到光信號時的A/D轉換結果。
A/D轉換的結果應該與銻化銦光電探測器12接收到的光信號強度成正比。但是銻化銦光電探測器12的光電探測特性會隨環境溫度的變化而變化，導致在沒有入射光信號的情況下，A/D轉換結果也不為零，而是隨溫度的變化而變化。因此，當有入射光入射到銻化銦光電探測器12時，A/D轉換的輸出信號22和24並不正比於此時入射光信號的大小Ig和Ig』。因此在測量過程中，不但測量出有入射光時A/D轉換的輸出信號22和24，還能測量出沒有入射光時A/D轉換的輸出信號23和25。因為溫度漂移是比較緩慢的，所以我們可以認為在每個調製盤周期(約0.05秒)內溫度漂移對於信號22～25的影響是一樣的。
測量裝置使用的單片機軟體流程如圖7所示。在調製盤3的每個轉動周期中，單片機對信號22、23、34、25分別進行累加，設累加之和分別為V1、V2、V3、V4。通過兩者的比較得到與入射光強度成正比的輸出電壓信號。如公式(2)所示Vg』＝V1-V2Vg＝V3-V4(2)因為溫度漂移造成的誤差對於V1～V4的影響是一樣的，這樣經過上式的運算得到的Vg和Vg』就分別正比於入射光信號Ig和Ig』。根據公式(1)，按照下面的公式得到的VcVc=Vg-VgVg+Vg-----(3)]]>其值也只與一氧化碳的濃度c有關，兩者之間的關係可以表示為c=-1ln(1-(Vc))-----(4)]]>式中的係數α和β可以通過對已知濃度的一氧化碳定標擬合得到。並固化在單片機中。這樣根據公式(4)就可以求得煙道氣中的一氧化碳濃度。
在測量裝置進行在線測量前需進行定標。在定標過程中，將定標氣體腔6移動到光路中，放置在調製盤3和濾光片7之間，將反射鏡9移動到煙道的同一側放置在濾光片7之後，使得上述測量光束在經過調製盤3後先經過定標氣體腔6，然後經過濾光片7後不是入射到煙道中而是直接由兩塊反射鏡9反射到拋物面反射鏡11上匯聚到光電探測器12。將定標氣體腔6內充入已知濃度c的一氧化碳氣體，利用測量裝置對其濃度進行測量可以得到測量結果Vc，改變定標氣體腔6內部的一氧化碳濃度c，就可以得到一系列的測量結果Vc。按照公式(4)對兩組數據進行最小二乘擬合就可以得到α和β。定標結束後光學系統即可回復到測量狀態。
本發明提供的煙道氣一氧化碳濃度測量裝置可以廣泛應用於各種焚燒設備的煙道氣一氧化碳濃度檢測。在實現了對煙道氣一氧化碳濃度的精確在線檢測的基礎上，可以利用其與焚燒設備燃燒效率的關係對燃燒過程進行反饋控制。將該裝置應用於城市生活垃圾焚燒過程控制，可使焚燒過程提高燃燒效率，減少二惡英類物質的排放量。
權利要求
1.一種測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的裝置，它包括紅外光學系統和以單片機為核心的對光電轉換後的信號進行放大、濾波、A/D轉換的信號處理系統，所述的光學系統含有拋物面反射鏡、位於該反射鏡焦點處的紅外光源、依次設置在出射光光路中的調製盤、濾光片以及用於匯聚光能的拋物面反射鏡和位於其焦點上的光電探測器，其特徵在於在光路中設有安裝在煙道壁上的兩組藍寶石窗片以及固定在煙道另一側其鏡面互相垂直的兩塊平面反射鏡；所述的調製盤上含有一個裝有純淨一氧化碳氣體的參考氣體腔和一個裝有純淨氮氣的衰減氣體腔。
2.按照權利要求1所述的測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的裝置，其特徵在於在所述的調製盤上的兩個氣體腔所在圓周的外緣還設有四個均布的同步孔，在調製盤兩側分別設有發光二極體和光電三極體，其連線通過同步孔中心所處的圓周；調製盤轉動時產生的同步脈衝信號經整形、移相、延時和電平轉換電路後與單片機的控制端相連。
3.一種利用如權利要求1或2所述裝置測量煙道氣中一氧化碳濃度的方法，該方法包括如下步驟(1)紅外光源發出的光經拋物面反射鏡後交替通過調製盤上的衰減氣體腔和參考氣體腔，經濾光片和設置在煙道壁上的一組藍寶石窗片穿過煙道，再經過設置在煙道另一側的互成直角的反射鏡反射後經另一組藍寶石窗片再次穿過煙道，然後經拋物面反射鏡匯聚到光電探測器上，使其接收到兩路有一定差值的光信號；(2)在調製盤轉動的一個周期以內，設置在調製盤一側的光電三級管通過設置在調製盤上的四個同步孔，接收來自調製盤另一端的發光二極體發出的光，產生四個同步脈衝，經過整形、移相、延時處理後生成同步信號送入單片機的控制端；(3)經光電探測器轉換後輸出的兩路電信號經過放大、低通濾波處理後送入A/D輸入端，當同步信號處於低電平時對其進行A/D採樣；利用固化在單片機中的軟體處理程序將調製盤轉動一個周期內採樣的四組數據分別進行累加，並計算相鄰兩組累加數據的差值；再利用兩個差值與一氧化碳濃度的關係計算得到一氧化碳的濃度。
全文摘要
一種測量燃燒設備煙道氣中一氧化碳濃度的方法及裝置，屬於煙氣測量技術領域。本發明採用氣體濾波相關檢測方法，利用設置在調製盤上的CO氣體腔和參考氣體腔消除了幹擾氣體對煙道氣中CO濃度測量結果的影響；並直接對煙道氣進行測量而不需要將其引出，簡化了測量系統的複雜性；同時本發明利用設置在調製盤上的四個同步孔獲得的四個光電信號，經處理後能夠自動消除或補償電壓波動、光源波動以及光電探測器的光電轉換特性溫度變化引起的測量誤差，具有高精度、高穩定性的特點。本發明結構比較靈活，可以廣泛應用於各種具有不同直徑、不同形狀煙道的燃燒設備中，便於在工業生產中推廣。
文檔編號G01N21/35GK1462874SQ0313775
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月24日 優先權日2003年6月24日
發明者王東生, 王志鵬, 吳佔松, 黃聲野 申請人:清華大學