專利名稱：多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量方法及其裝置。更 具體地說，本發(fā)明涉及利用多源層析成像技術(shù)同時(shí)重建煙氣濃度、顆粒濃度和溫 度分布的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
大氣污染大部分來源于能源、電力、化工、冶金、紡織、制藥、垃圾焚燒等 各種工業(yè)過程在化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的各種煙氣，這些煙氣含有大量的對人體有害的 顆粒和氣態(tài)物質(zhì)，必須對其排放量進(jìn)行嚴(yán)格控制。因此，煙氣在線動(dòng)態(tài)測量對環(huán) 境保護(hù)和污染控制具有重要的意義。傳統(tǒng)的煙氣測量裝置，如利用化學(xué)發(fā)光原理或熱導(dǎo)式的煙氣測試儀，需要對 煙氣進(jìn)行取樣，無法實(shí)現(xiàn)對過程中的煙氣進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測量的要求。因此，采用 光學(xué)的、非接觸式的方法進(jìn)行煙氣的測量，從而實(shí)現(xiàn)對污染物的監(jiān)測和對生成過 程進(jìn)行控制，是燃燒測試領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。九十年代后，由于光信息技術(shù) 的迅猛發(fā)展， 一些關(guān)鍵元器件如半導(dǎo)體激光器和光纖元件發(fā)展迅速，性能大大提 高，價(jià)格大幅下降。室溫工作、長壽命、單模特性和較寬波長調(diào)諧范圍的半導(dǎo)體 激光器可從商業(yè)渠道獲得，并且一些高靈敏度的光譜技術(shù)也逐漸成熟，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable diode laser absorption spectroscopy)開始被較多 地應(yīng)用于科學(xué)和工程研究。半導(dǎo)體激光器發(fā)射出"窄線寬"的特定波長的激光束穿 過被測煙氣時(shí)，被測煙氣對激光束進(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的 衰減與被測煙氣和顆粒含量成正比，因此，通過測量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分 析獲得被測介質(zhì)的濃度和溫度信息。目前的測量大都在單一光路上進(jìn)行，只能獲得某個(gè)位置或者單一光路中的煙 氣濃度、顆粒濃度和溫度，無法了解在煙道截面上的分布情況，且測量的實(shí)時(shí)性 不高。隨著在計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(Computed Tomography)在醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)無損探測領(lǐng)域中的大量廣泛應(yīng)用，使得利用光學(xué)技術(shù)重建煙道內(nèi)的煙氣濃度、顆 粒濃度和溫度分布成為了可能，通過對被測物體進(jìn)行多源多方向投影，利用其在 不同角度得到的投影值來實(shí)現(xiàn)對于被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建。目前，這方面的方 法和裝置還未見報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供利用多源層析成像技術(shù)同時(shí) 重建煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提 供一種用于實(shí)現(xiàn)前述方法的裝置。本發(fā)明提供了一種多源層析激光測量煙氣濃度、顆粒濃度和溫度分布的方 法，包括以下步驟(1) 光纖分路器將激光信號(hào)傳送至均勻布置在煙道出口一側(cè)的180°范圍內(nèi) 的若干個(gè)光纖準(zhǔn)直器；(2) 光纖準(zhǔn)直器在發(fā)出光束的同時(shí)作往復(fù)式擺動(dòng)，光束穿過煙道出口后， 由鍍膜柱面反射鏡反射至與光纖準(zhǔn)直器作同步擺動(dòng)的光電探測器；(3) 光電探測器將測量信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)獲取斷層平面在多個(gè)角度下的投 影數(shù)據(jù)；(4) 根據(jù)下述方法利用投影數(shù)據(jù)獲得重建的氣體濃度和溫度爿=〖:—ln(l)c/v ^XS(r)丄 (1 )其中j為測量計(jì)算得到的光譜吸收率積分值，S^)為譜線強(qiáng)度，戶為氣體壓 力，X為氣體濃度，丄為吸收光路長度；根據(jù)氣體吸收方程，利用兩條譜線V/和W建立離散化方程組=(尸s(r)x) vU丄w, + (ps(r)x) vl, AU2+…+(ps(r)x) vlJV ￡vl w — < x(vi,2) = (ps(r)z)vu zvl21 + (i^(r)z)vl,2 lv1,22 +…+(戶s(r)x、,w zvl,2W= (M(r)x)vll zvl紹+ (ps(r)x)vl,2 zvl W2 +…+(M(r)義)^ 、碰、(V2，i)=(尸s(r)z)w ;211 + (i^(r)x)v2.2 ;212 +…+(尸s(r)z), 42,w,如,2) = (，)x)v21iv221+(輝)1),,2,人,22 + +,r)z)v2,wi:v2" (3)其中，J(W，婦為譜線V/在角度序號(hào)為M下的光譜吸收率積分值；Z^MW為 每個(gè)網(wǎng)格對于投影的貢獻(xiàn)值；對于氣體濃度和溫度的重建，首先假定初始溫度分布，結(jié)合第一條譜線的投影數(shù)據(jù)，利用濾波反投影算法首先重建出氣體的濃度場分布；在得到的濃度場分 布上利用第二條譜線的數(shù)據(jù)來進(jìn)行修正，得到溫度場分布，依次類推，直到溫度 場與濃度場在迭代過程中收斂，輸出其重建結(jié)果；(5)根據(jù)下述方法利用投影數(shù)據(jù)獲得重建的顆粒物濃度在單純顆粒吸收區(qū)域，激光的衰減表示為(4)其中，A為初始激光強(qiáng)度；/,為透射激光強(qiáng)度；《為顆粒對于激光強(qiáng)度的衰 減系數(shù)，與顆粒物濃度成正比；丄為激光在氣體中傳播的距離；得到投影數(shù)據(jù) 后，通過重建算法得到其顆粒濃度的分布情況，加以標(biāo)定即得到顆粒的濃度值。本發(fā)明還提供了一種用于實(shí)現(xiàn)前述多源層析激光測量煙氣濃度、顆粒濃度和 溫度分布方法的裝置，包括依次連接的信號(hào)發(fā)生器、激光源和光纖分路器，還包 括設(shè)于均勻布置在煙道出口一側(cè)180。范圍內(nèi)的若干電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上 設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和光電探測器，煙道出口另一側(cè)對應(yīng)設(shè)置鍍膜柱面反射鏡；電動(dòng) 旋轉(zhuǎn)臺(tái)與電動(dòng)臺(tái)控制器相連，光纖分路器和光電探測器分別通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī) 連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是-(1)可調(diào)諧激光分別掃描的顆粒和煙氣影響區(qū)域，煙氣和顆粒的測量互不干擾；(2) 通過布置多組數(shù)據(jù)發(fā)射和接收單元，同時(shí)重建煙氣、顆粒濃度和溫度 在斷面的分布，通過測量斷面沿?zé)煹垒S向方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三維重建；(3) 斷面場參數(shù)測量時(shí)間短(<100ms)，可以真實(shí)準(zhǔn)確的反映出在燃燒過 程中的動(dòng)態(tài)變化；(4) 通過增加或者更換激光二極管，可以對煙氣中各種不同的組份(如 02， H20， CO， C02， NO， N02， NH3， HF， H2S禾B CH4等)進(jìn)行測量，具有 較大的靈活性，并且在近紅外的激光二極管價(jià)格較為便宜，測量成本較低。


圖1為本發(fā)明中測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明中單組測量單元的布置圖； 圖3為本發(fā)明中重建數(shù)據(jù)流程圖。附圖標(biāo)記為l信號(hào)發(fā)生器；2激光源；3光纖分路器；4電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)；5光 纖準(zhǔn)直器；6光電探測器；7電動(dòng)臺(tái)控制器；8鍍膜柱面反射鏡；9煙道；10計(jì)算 機(jī)具體實(shí)施方式
參考附圖，下面將對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明中，用于實(shí)現(xiàn)多源層析激光測量煙氣濃度、顆粒濃度和溫度分布方法的裝置，包括依次連接的信號(hào)發(fā)生器1、激光源2和光纖分路器3，還包括設(shè)于 均勻布置在煙道9出口一側(cè)180。范圍內(nèi)的若干電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4上設(shè) 置光纖準(zhǔn)直器5和光電探測器6，煙道9出口另一側(cè)對應(yīng)設(shè)置鍍膜柱面反射鏡 8;電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4與電動(dòng)臺(tái)控制器7相連，光纖分路器3和光電探測器6分別通 過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)10連接。多源層析激光測量煙氣濃度、顆粒濃度和溫度分布的方法，包括以下步驟(1) 利用信號(hào)發(fā)生器1驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光源2，使之發(fā)射出波長周期性變化 的激光束，連接入光纖分路器3，將其能量均勻等分為五份后，光纖輸出至各個(gè) 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4的位置，并利用光纖準(zhǔn)直器5進(jìn)行光束準(zhǔn)直，從而作為每組測量單 元的發(fā)射光源；在光纖準(zhǔn)直器5的下側(cè)同軸放置一光電探測器6，用于接收激光 信號(hào)來進(jìn)行計(jì)算；(2) 在煙道9的外圍均勻布置五個(gè)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4，通過利用電動(dòng)臺(tái)控制 器7并行控制，使得這五組電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4同時(shí)啟動(dòng)停止和同速度旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)旋 轉(zhuǎn)臺(tái)4在一定角度內(nèi)帶動(dòng)發(fā)射光源進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對于對于測量測量的掃 描，其旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)實(shí)際煙道大小而定；(3) 在每組電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4的對面放置一調(diào)整好的鍍膜柱面反射鏡8，從光 纖準(zhǔn)直器5射出的光束通過被測煙氣吸收后，落在鍍膜柱面反射鏡8上而再次反 射穿越被測煙氣后返回測量單元的光電探測器6。由于光纖準(zhǔn)直器5和光電探測器6均放置在鍍膜柱面反射鏡8的曲率中心處，因此在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4的掃描過程中，由鍍膜柱面反射鏡8反射回的光束將落在光電探測器6的靶面上；(4)根據(jù)光電探測器6在旋轉(zhuǎn)過程中得到的激光強(qiáng)度信號(hào)來作為投影數(shù)根據(jù)Beer-Lambert定律<formula>formula see original document page 8</formula>(5) 戶[atm]為氣體的總壓；丄[cm]為激光在氣體中傳播的距離；I為氣體的體積濃 度；(Hv)為線型函數(shù)，它表示了被測吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力和氣體中 的各成分含量有關(guān)；并且滿足(6)<formula>formula see original document page 8</formula>為該譜線的線強(qiáng)度，它表示該譜線的吸收強(qiáng)度，只與溫度有關(guān)， 其值可以利用下式來進(jìn)行計(jì)算<formula>formula see original document page 8</formula> (7)<formula>formula see original document page 8</formula> 其中rc為參考溫度，2為總的分子內(nèi)部分割函數(shù)；五Z'"為低躍遷態(tài)的能量；W,為躍遷頻率；/z為普朗克常數(shù)，^:為波爾茲曼常數(shù)，c為光速。在溫度低于 2500K，波長小于2.5pm的情況下，最后一項(xiàng)可以被忽略。由于線型函數(shù)在整個(gè)頻域范圍內(nèi)的積分為常數(shù)l，因此式(5)可重新表示為<formula>formula see original document page 8</formula> (1 ) 式中j為測量計(jì)算得到的光譜吸收率積分值，該公式給出了光譜吸收率積分 值與被測氣體參數(shù)之間的關(guān)系，包括氣體濃度，溫度(譜線強(qiáng)度值)等。在得到 旋轉(zhuǎn)過程中各個(gè)角度的投影值后，便可以進(jìn)行重建。重建算法采用ART代數(shù)迭代算法來實(shí)現(xiàn)。代數(shù)重建法是一個(gè)迭代的過程,它 是一開始就在離散域中進(jìn)行的。首先把問題離散化,即將欲重建的未知圖像/「x, ^ 離散成一個(gè)"x" = 7V重建圖像網(wǎng)格,根據(jù)成像的物理過程和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，建立 重建圖像和投影數(shù)據(jù)之間關(guān)系的代數(shù)方程組，圖像重建問題就轉(zhuǎn)化為解線性方程 組。為了可以實(shí)現(xiàn)溫度和濃度的同時(shí)測量，因此需要選擇兩條氣體吸收譜線來進(jìn)行測量。通過在測量區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，并根據(jù)在不同的測量單元的不同旋轉(zhuǎn)角度 下計(jì)算得到的光譜吸收率積分值，建立方程組單,<formula>formula see original document page 9</formula>,她 其中，J i,^)為譜線W在角度序號(hào)為iW下的光譜吸收率積分值，通過測量 計(jì)算而得到；丄w,^v為每個(gè)網(wǎng)格對于投影的貢獻(xiàn)值，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)確定，這 樣便得到了關(guān)于氣體濃自口溫度r (譜線強(qiáng)度s^))的兩個(gè)方程組。在進(jìn)行重建 計(jì)算時(shí)，首先假定初始溫度分布，結(jié)合第一條譜線的投影數(shù)據(jù)，利用數(shù)值計(jì)算方法首先重建出氣體的濃度場分布；在得到的濃度場分布上利用第二條譜線的數(shù)據(jù)來進(jìn)行修正，得到溫度場分布，依次類推，直到溫度場與濃度場在迭代過程中收 斂，輸出其重建結(jié)果。對于顆粒物濃度的測量，則采用了消光法來進(jìn)行測量。在單純顆粒吸收區(qū)域，激光的衰減表示為/。 =/,exp(—K.丄) (4)其中，A為初始激光強(qiáng)度，力為透射激光強(qiáng)度，《為顆粒對于激光強(qiáng)度的衰 減系數(shù)，與顆粒物濃度成正比。因此，只要得到了由于顆粒影響而導(dǎo)致的激光強(qiáng) 度衰減的的投影數(shù)據(jù)后，便可以通過重建技術(shù)得到其顆粒濃度的分布情況，加以 標(biāo)定即得到顆粒的濃度值。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā) 明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公 開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度分布的方法，包括以下步驟(1)光纖分路器將激光信號(hào)傳送至均勻布置在煙道出口一側(cè)的180°范圍內(nèi)的若干個(gè)光纖準(zhǔn)直器；(2)光纖準(zhǔn)直器在發(fā)出光束的同時(shí)作往復(fù)式擺動(dòng)，光束穿過煙道出口后，由鍍膜柱面反射鏡反射至與光纖準(zhǔn)直器作同步擺動(dòng)的光電探測器；(3)光電探測器將測量信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)獲取斷層平面在多個(gè)角度下的投影數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)下述方法利用投影數(shù)據(jù)獲得重建的氣體濃度和溫度
2、 一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述多源層析激光測量煙氣、顆粒濃度和溫度 分布方法的裝置，包括依次連接的信號(hào)發(fā)生器、激光源和光纖分路器，其特征 在于，還包括設(shè)于均勻布置在煙道出口一側(cè)180°范圍內(nèi)的若干電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)， 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和光電探測器，煙道出口另一側(cè)對應(yīng)設(shè)置鍍膜柱 面反射鏡；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)與電動(dòng)臺(tái)控制器相連，光纖分路器和光電探測器分別通 過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煙氣濃度、溫度和顆粒物濃度分布的測量方法及其裝置，旨在提供一種利用多源層析成像技術(shù)同時(shí)重建煙氣濃度、顆粒濃度和溫度分布的測量方法及裝置。該方法包括將激光信號(hào)傳送至光纖準(zhǔn)直器；光纖準(zhǔn)直器在發(fā)出光束的同時(shí)作往復(fù)式擺動(dòng)，光束穿過煙道出口后，由鍍膜柱面反射鏡反射至光電探測器；光電探測器將測量信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)獲取斷層平面在多個(gè)角度下的投影數(shù)據(jù)；利用投影數(shù)據(jù)獲得重建的氣體濃度和溫度；利用投影數(shù)據(jù)獲得重建的顆粒物濃度。本發(fā)明中可調(diào)諧激光分別掃描的顆粒和煙氣影響區(qū)域，煙氣和顆粒的測量互不干擾；可同時(shí)重建煙氣、顆粒濃度和溫度在斷面的分布，實(shí)現(xiàn)三維重建；斷面場參數(shù)測量時(shí)間短動(dòng)態(tài)變化；測量成本較低。
文檔編號(hào)G01N15/06GK101216409SQ200810059090
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月9日
發(fā)明者嚴(yán)建華, 倪明江, 岑可法, 李曉東, 楊家林, 涌 池, 飛 王, 蔣旭光, 金余其, 陸勝勇, 馬增益, 黃群星 申請人:浙江大學(xué)