[发明专利]一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置，还公开了一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量方法。本发明将光散射测量光路与波长调制测量光路进行耦合，实现低浓度颗粒物与气体浓度的同步测量，该方法不需要额外考虑探测器的背景暗电流等低频噪声，有效提高了低浓度颗粒物及气体浓度测量的信噪比，具有较高的灵敏度，降低了现有颗粒物与气体浓度的检测下限，因此，本发明技术对于在具有超低排放需求的燃煤电厂中实现待测颗粒物与气体浓度同步在线监测具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于光散射和光谱学技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置，还涉及上述基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

近年来，随着国家对于环境保护的日趋重视，以及出于保证工业生产安全高效进行的需要，准确监测颗粒物与污染物气体组分的浓度对于控制空气污染排放有着重要的意义。为方便环保部门监督管理使污染物的排放降到最低，研究制造能准确快速地测量气体浓度及颗粒物浓度的技术与设备都迫在眉睫。

目前应用于污染物气体浓度测量的方法，按照工作原理来分，主要分为非光学和光学分析法两种。非光学分析法主要有超声波技术法、气敏法、热催化法、气相色谱等，但是由于其极易受如温度、压力、湿度等环境因素的影响，很难应用于现场气体分析。光学气体浓度分析法，主要是基于光谱学的基本原理，当激光频率与气体吸收组分的跃迁频率相同时，激光能量将被吸收，通过对比入射光强与透射光强可以得到沿光路径的吸收值，进而确定气体温度和浓度等物性参数，具有无需预处理、响应快速、数据准确、多参数同时检测等优势，成为目前应用于众多领域的现场在线检测技术之一。

光谱法主要包括傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、激光光声光谱技术(PAS)、可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)等。FTIR技术主要基于迈克尔逊干涉仪原理，红外光源经准直透镜准直后发出平行光，经待测气体吸收后由望远镜系统接收，再经过干涉仪汇聚到探测器，从而得到待测气体的干涉信号，经傅里叶变换后即可得到不同浓度下气体的吸收光谱信息，从而计算出气体的浓度。但是FTIR设备比较庞大，响应速度也相对较慢，并且价格相对昂贵，因此未来还需要一定的发展。PAS技术是一种利用光声效应的气体浓度测量方法，激光二极管发射的激光速能量被待测气体吸收后转化为热能，从而使局部气体的温度产生了变化，同时引起气压的变化，产生光声波，利用声波微音器探测产生额声波并根据声波的幅值完成气体浓度的反演。但是采用共振模式极易受环境噪声的干扰，影响测量精度。TDLAS技术是基于半导体激光器的窄线宽特性的一种光谱测量方法，可以实现混合气体的多组分、多参数同时测量，其通用性非常强，测量分辨率高，选择合式的待测气体特征吸收谱线即可以测出痕量气体的浓度。

颗粒物浓度的测量方法，总体上可以分为两大类：取样法与非取样法。非取样法由其无需对待测对象进行采样，可直接对颗粒物进行测量，不会对测量对象产生扰动等优点已被广泛应用。非取样法可以分为黑度法、浊度法、光散射法等。黑度法又叫林格曼黑度法。它是基于监测人员用有不同黑色面积的玻璃片对排放颗粒物的黑度进行目测，然后与林格曼黑度(共分六级)对比后，确定被测烟尘的黑度，再按林格曼黑度级与颗粒物浓度对照表得到烟尘排放浓度，该方法依赖于监测人员的工程经验，无法准确获取颗粒物浓度。浊度法主要根据Beer-Lambert定律，透射光强与颗粒的大小和浓度相关，从而确定颗粒物的质量浓度，该方法常应用于颗粒物浓度较大的场合。光散射法基于光散射原理，当光束入射到颗粒上时，将向空间四周散射，光的各个散射参数与颗粒的浓度密切相关。光散射法由其测量灵敏度高，测量下限低等优点被广泛应用于燃煤电厂颗粒物浓度测量。

在颗粒物浓度极低时，散射光强极小，容易受到外部光源的影响，且光路抖动、机械振动以及探测器噪声均会对探测信号造成影响，从而使得信噪比不能满足测量的需求。同时，研究制造能准确快速地测量气体浓度及颗粒物浓度的技术与设备来满足现场测量需求迫在眉睫。因此，发展一种降低低频噪声，提高信噪比的颗粒物与气体浓度同步测量装置及方法尤为重要。

发明内容