CN110426349B - 一种提高烟气分析仪稳定性的方法及其气室、测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高烟气分析仪稳定性的方法及其气室、测量仪，所述方法为发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜后成为与准直透镜主光轴呈夹角α的平行光，所述平行光经由角锥棱镜反射后保持与夹角α相同度数并经由准直透镜会聚到接收光纤端部，所述气室包括真空隔热管，设置在真空隔热管内部的内管，内管两端焊接的内管前端法兰、内管后端法兰，内管后端法兰里安装准直透镜，所述内管前端法兰里安装角锥棱镜，所述角锥棱镜其中两个反射面相互垂直，所述相互垂直的两个反射面与第三反射面的二面角相等，且这两个反射面的交线与第三反射面的夹角为锐角。所述测量仪安装有上述气室。极大提高了气室、测量仪光路稳定性，且安装、调试方便。
Description
技术领域
本发明属于烟气检测技术领域，具体涉及一种提高烟气分析仪稳定性的方法及其气室、测量仪。
背景技术
目前烟气排放监测需要测量烟气中的SO2、NO、NO2等污染物浓度，可以采用紫外吸收法进行测量。通常紫外吸收法测量烟气中污染物浓度有热湿法和冷干法。其中热湿法无需除湿，能够避免冷凝过程中SO2、NH3等易溶于水的组分溶解损失，并且可以将气室置于采样管内部，设计成采样管和主机一体的结构，便于携带，因而更加适合便携式烟气分析仪。但是热湿法测量烟气组分的过程中，气室经常处于从环境温度到超过120℃反复交替变化过程中，对于气室光路的稳定性提出了更高的要求。当前热湿法烟气分析仪的气室结构普遍存在稳定性较差的缺点，光电传感器接收到的光信号较大程度上受到气室结构的影响，当气室结构有轻微变形，就会造成接收到的光能量发生较大变化，严重影响了热湿法烟气测量方式的可靠性。除此之外，气室位于采样管内，还存在维护过程难度大的缺点，需要将气室从采样管内拆卸下来后，方可对光***进行擦拭和维护，完成后还需要重新调校光路。因此，当前的热湿法烟气分析仪普遍存在维护周期短、维护难度大的缺点。
中国专利号：201621006601.4，专利名称为“一种测量气室及安装有该气室的紫外烟气分析仪”的专利文献提供了一种采用热湿法方式测量烟气污染物浓度的气室和装有该气室的紫外烟气分析仪。该测量气室采用Y型分叉式光纤，其中一根光纤连接光源称为发射光纤，另一根连接光谱仪称为接收光纤，公共端连接气室。连接气室的光纤中的发射光纤发射出紫外光，经过透镜后进入气室，投射到气室另外一端的反射镜上后反射回到透镜上，被透镜会聚后到达另外一根光纤端部，通过接收光纤到达光谱仪。该结构的透镜和反射镜角度发生轻微变化，就会导致回到接收光纤端部的光能量发生很大变化。而气室经常高低温交替变化，仪器也经常搬运，尤其是搬到几十米高的采样监测平台上，气室的机械结构的稳定性很难得到保证，因此该方案无法满足便携式紫外烟气采样的需要。
中国专利号：201220570891.0，专利名称为“基于角锥棱镜的烟气分析仪”的专利文献也提供了一种采用热湿法方式测量烟气污染物浓度的烟气分析仪。该烟气分析仪包括光源、光谱仪、Y型光纤、气室，Y型光纤的三个分支分别与光源、光谱仪和气室的一端连接，所述的气室内与Y型光纤分支连接的一端安装有准直透镜，气室内另一端安装有角锥棱镜，气室中部的外壁上设置有进气口和出气口。角锥棱镜的轴线和准直透镜的轴线位于同一条直线上。该结构的光路按原光路返回，因此，只有少量的光能达到接收端，也就是光谱仪，实际应用的价值不大，也无法满足便携式紫外烟气采样的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提高烟气分析仪稳定性的方法及其气室、测量仪，克服现有热湿法烟气分析仪存在的光路***不稳定影响测量可靠性，以及分析仪维护困难等问题。
本发明提供了一种提高烟气分析仪稳定性的方法，
所述方法为：所述方法为发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜后成为与准直透镜主光轴呈夹角α的平行光，所述平行光经由角锥棱镜反射后保持与夹角α相同度数并经由准直透镜会聚到接收光纤端部，所述角锥棱镜其中两个反射面相互垂直，所述相互垂直的两个反射面与第三反射面的二面角相等，且这两个反射面的交线与第三反射面的夹角β为锐角，所述角锥棱镜夹角β为
，其中，发射光纤和接收光纤中心距离为L纤，准直透镜焦距为f′，角锥棱镜的折射率为n锥。
参见图7，所述角锥棱镜夹角β的推导过程为：
设发射光纤和接收光纤中心距离为L纤，汇聚透镜焦距为f′，角锥棱镜的折射率为n锥，发射光纤和接收光纤关于主光轴对称，所述准直透镜和角锥棱镜的主光轴同轴，并且角锥棱镜入射面(出射面)垂直于主光轴的情况，则两光纤中心相对于准直透镜中心的张角为：
此时发射光纤中心发出的通过准直透镜光心的光线和主光轴的夹角为:
从发射光纤中心发出的光，经过准直透镜后成为平行光，与主光轴的夹角都为
平行光入射到角锥棱镜的入射面上，则入射角为/>
根据折射定律，折射角为：/>
。光线进入到角锥棱镜内部后入射到第一反射面，设第一反射面为减小θ角度的反射面，则在该反射面上，入射角相对于未减小角度时增加了θ，反射后的光线相对于未减小角度时增加了2θ，其他反射面不变，则最终角锥棱镜的出射光线会朝向主光轴偏转。当角锥棱镜的出射光线和入射光线关于主光轴对称时，反射回的光线经过准直透镜后能够恰好汇聚到接收光纤上。此时对应的/>
，则角锥棱镜的锐角β角度为：/>
。
本发明还提供了一种气室，包括真空隔热管，设置在真空隔热管内部的内管，内管两端焊接的内管前端法兰、内管后端法兰，内管后端法兰里安装准直透镜，在现有技术的基础上，本发明进一步作出改进：所述内管前端法兰里安装角锥棱镜，所述角锥棱镜其中两个反射面相互垂直，所述相互垂直的两个反射面与第三反射面的二面角相等，且这两个反射面的交线与第三反射面的夹角为锐角。
光纤装在准直透镜一端的气室上，发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜后成为与准直透镜主光轴呈夹角α的平行光，由于发射光纤和接收光纤的光纤头并列且关于主光轴对称，所以发射光纤偏离主光轴，入射光经过准直透镜后的平行光与主光轴形成夹角α。
角锥棱镜其中一个入射面和另外两个入射面的交线的夹角不再是直角，而是减小了一个小角度的锐角，当平行光入射角锥棱镜后，经过3次全反射后的出射光线与入射光线不再平行，而是向主光轴偏转一个小角度返回准直透镜一端。反射回的光线偏转的角度与角锥棱镜改变夹角的入射面有关。通过本发明的设计，可以让经过角锥棱镜反射后的光线经由准直透镜正好会聚到接收光纤。在此种光路中，入射到角锥棱镜反射回去的光线与主光轴的夹角基本上只与角锥棱镜反射面改变的夹角有关，因此，当角锥棱镜安装位置和角度稍有变化时，反射回接收光纤的光能量基本不变，稳定性非常高。
优选的，还包括用以调节角锥棱镜的调节组件，所述调节组件设置在内管前端法兰内部，包括固定筒、筒盖、胶垫，所述固定筒为两端有开口的圆筒结构，所述角锥棱镜入射面一侧顶在固定筒内部的一端，所述角锥棱镜的反射面一侧顶住胶垫，所述筒盖顶住胶垫与固定筒连接。维护时，比如需要擦拭角锥棱镜和楔形镜，只需拧开筒盖即可，整个调节组件也可以拆除，调整角锥棱镜的角度时，只需要转动调节组件即可。本发明角锥棱镜的三个反射面不再互相垂直，入射面指的是光线进入角锥棱镜的面，和出射面为同一个面。反射面是指入射光线发生反射的面。本发明中，3个反射面中两个互相垂直，并且这两个反射面的交线与第三反射面不垂直，成一个锐角。
优选的，所述内管前端法兰另一端焊接外管前端法兰。
优选的，还包括用以过滤烟气的一级滤芯、二级滤芯，所述二级滤芯设置在内管前端法兰内，所述一级滤芯紧邻二级滤芯设置在外观前端法兰内。二级过滤，保证测量精度。
优选的，还包括滤芯压帽，所述滤芯压帽顶住一级滤芯和二级滤芯与外管前端法兰固定。当角锥棱镜、楔形镜需要维护时，只需卸下滤芯压帽，取出一级滤芯和二级滤芯即可。
优选的，所述准直透镜在内管后端法兰被透镜固定筒固定。
优选的，还包括光纤接头，所述光纤接头一端套设在透镜固定筒外部，一端伸出真空隔热管。
优选的，还包括出气嘴，所述出气嘴固定在内管后端法兰上，并且与内管内部连通。
本发明还提供了一种测量仪，所述测量仪安装有上述的气室。
本发明的有益效果：
1、本发明的方法发射光纤端部发出的光通过准直透镜变成平行光后，只要能照射到角锥棱镜上，就能够保证返回的光回到接收光纤端部，极大的提高了烟气分析仪的稳定性，基于该方法原理设计的气室、测量仪的光路对采样管变形不敏感，稳定性非常高，降低了光路故障率；
2、安装或调试、维护时取下两个滤芯即可通过旋转调节组件来调整进入到光谱仪的光能量，无需拆下气室，完全解决了热湿法紫外烟气分析仪器维护困难的问题。
3、当光学零件表面由于接触烟气而变得脏污需要擦拭时，只需从前端取下两个滤芯和调节组件，即可擦拭角锥入射面；准直透镜可以采用前端带有脱脂棉或者镜头纸的长杆，利用酒精进行擦拭，擦拭完后按照原样装配，仅需通过旋转调节组件将接收到的光信号调整到所需强度即可。
附图说明
图1为本发明方法的光路原理图，
图2为本发明气室的结构示意图，
图3为本发明内管前端法兰的结构示意图，
图4为本发明内管后端法兰的结构示意图，
图5为本发明测量仪外部结构示意图，
图6为本发明测量仪内部结构示意图，
图7为本发明方法的二维光路原理图。
附图标注：
1、真空隔热管，2、内管，3、内管前端法兰，31、导气槽，4、内管后端法兰，41、紧定螺钉孔，42、出气孔，5、角锥棱镜，6、准直透镜，9、调节组件，91、固定筒，92、筒盖， 93、胶垫，94、第一O型圈，95、第二O型圈，96、棱镜压紧体，10、外管前端法兰，11、一级滤芯，12、二级过滤，13、滤芯压帽，14、一级滤芯胶垫，15、透镜固定筒，16、光纤接头，18、气室，19、胶圈，20、主机箱，21、气室转接管，22、把手，23、显示屏，24、电源接口，25、数据接口，26、采样泵，27、光谱仪，28、工控机，29、脉冲氙灯，30、电化学传感器组件，31、蠕动泵，32、冷凝除水组件，33、下位机电路板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
实施例
参照图1，本实施例的提高烟气分析仪稳定性的方法为：Y型光纤发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜6后成为与准直透镜6主光轴具有夹角α的平行光，也就是光组a和光组 b的光线是相互平行的，且分别与主光轴具有夹角α，图中光组a和光组b分别有两条光线，由于光线的间距非常小，所以图示存在重合，所述平行光经由角锥棱镜5反射后依然与准直透镜6主光轴呈夹角α，所述的准直透镜6和角锥棱镜5的主光轴同轴，也就是光组c和光组d也和主光轴具有夹角α，光组c是光组a反射回来的光，光组d是光组b反射回来的光，光组c和光组d的光线再经过准直透镜5会聚到接收光纤端部。
所述角锥棱镜5其中两个反射面相互垂直，所述相互垂直的两个反射面与第三反射面的二面角相等，且这两个反射面的交线与第三反射面的夹角β为锐角，
所述角锥棱镜5夹角β为
，其中，发射光纤和接收光纤中心距离为L纤，准直透镜焦距为f′，角锥棱镜的折射率为n锥。
本实施例用的Y型光纤的发射光纤和接收光纤中心距离为0.4mm,准直透镜6的焦距为 20mm,角锥棱镜5的折射率为1.5，根据角锥棱镜5两垂直反射面交线与第三反射面夹角β计算公式计算本实施例的角锥棱镜5的夹角β为89.6°。
图1仅仅说明了发射光纤和接收光纤中心与主光轴构成的平面上的光线的偏转情况，并且角锥棱镜偏转方向也与该平面一致，在此状态下，图示光线完全返回到接收光纤端部。当角锥棱镜5绕主光轴转动一个角度后，返回的光线将不会完全回到接收光纤端部，而会有部分光能的损失。因此，可以通过旋转角锥棱镜5来调整进入到接收光纤中的光能量。
参照图2，采用上述方法设计的气室包括真空隔热管1，设置在真空隔热管1内部的内管 2，内管2两端焊接的内管前端法兰3、内管后端法兰4，内管前端法兰3里安装角锥棱镜5，内管后端法兰4里安装准直透镜6。Y型光纤装在准直透镜6一端的气室上。所述内管前端法兰3如图3所示，内管前端法兰3具有导气槽31，所述内管后端法兰4如图4所示，内管后端法兰4具有紧定螺钉孔41，出气孔42。
采用本实施例方法设计的气室，光路不会受气室结构轻微变形的影响，接收光纤几乎会聚全部发射出去的光能量，测量的精度非常高，不易出现故障。
为了方便光学部件的安装和维护，作为本实施例的一个优选实施方式，所述气室还包括用以调节角锥棱镜5的调节组件9，参照图2，所述调节组件9设置在内管前端法兰3内部，包括固定筒91、筒盖92、胶垫93，所述固定筒91为两端有开口的圆筒结构，所述角锥棱镜5入射面一侧顶在固定筒91内部的一端，所述角锥棱镜5的反射面一侧顶住胶垫93，所述筒盖92顶住胶垫93与固定筒91连接。
进一步为了增加调节组件9的气密性，参照图2，所述筒盖92上套有第一O型圈94，保证筒盖92与固定筒91更紧密结合。为了保护角锥棱镜5，在角锥棱镜5与固定筒91的接触面设置第二O型圈95。在筒盖92上还设置有棱镜压紧体96，以防止角锥棱镜5窜动。
参照图2，本实施例气室的内管前端法兰3另一端焊接外管前端法兰10。为了保证烟气被有效过滤，保证测量精度，作为本实施例的一个优选实施方式，所述气室还包括一级滤芯 11、二级滤芯12，所述二级滤芯12设置在内管前端法兰3内，所述一级滤芯11紧邻二级滤芯12设置在外管前端法兰10内。所述一级滤芯11为不锈钢烧结滤芯片，所述二级过滤12为聚四氟乙烯材质滤芯。
为了方便拆卸一级滤芯11和二级滤芯12，作为本实施例的一个优选实施方式，所述气室还包括滤芯压帽13，所述滤芯压帽13顶住一级滤芯11和二级滤芯12与外管前端法兰10固定。为了增加气室的气密性，所述一级滤芯11和滤芯压帽13之间可以设置一级滤芯胶垫14。当角锥棱镜5需要维护时，只需卸下滤芯压帽13，取出一级滤芯11和二级滤芯12即可，无需将整个气室拆卸。
本实施例准直透镜6在内管后端法兰4被透镜固定筒15固定。本实施例气室还包括光纤接头16，所述光纤接头16一端套设在透镜固定筒15外部，一端伸出真空隔热管1。所述内管后端法兰4上还设置有出气嘴(图中未示出)，所述出气嘴与内管后端法兰4的出气孔42连通。所述光纤接头16被穿过内管后端法兰4紧定螺钉孔41的紧定螺钉固定。所述内管后端法兰4和真空隔热管1之间还设置有胶圈19。
参照图5、6，本实施例还提供了一种测量仪，所述测量仪具有主机箱20，主机箱20上安装有气室转接管21，气室转接管21连接本实施例的气室18，所述主机箱20上设置有把手 22、显示屏23、电源接口24、数据接口25。主机箱内部设置有采样泵26、光谱仪27、工控机28、脉冲氙灯29、电化学传感器组件30、蠕动泵31、冷凝除水组件32、下位机电路板33。测量仪除气室18外的其他结构均为现有技术，不再赘述其连接关系。
本实施例的测量仪工作时，采样泵26工作，使烟气从气室端部的滤芯压帽13经过一级滤芯11、二级滤芯12两级过滤后，从内管前端法兰3的导气槽31进入到内管2内，并经过内管后端法兰4的出气孔42从出气嘴排出气室，出气嘴通过软管和主机箱20中的冷凝除水组件32连接，冷凝除水组件32产生的泠凝水，通过软管进入到蠕动泵31排出，除水后的烟气进入到采样泵26后，再通过软管进入到电化学传感器组件30，最后通过与电化学传感器组件30连通的导气管排出。
Claims (6)
1.一种提高烟气分析仪稳定性的方法，其特征在于：所述方法为发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜后成为与准直透镜主光轴呈夹角α的平行光，所述平行光经由角锥棱镜反射后保持与夹角α相同度数并经由准直透镜会聚到接收光纤端部，发射光纤和接收光纤关于主光轴对称，并且角锥棱镜入射面垂直于主光轴，所述角锥棱镜其中两个反射面相互垂直，所述相互垂直的两个反射面与第三反射面的二面角相等，且这两个反射面的交线与第三反射面的夹角
为锐角，光线进入到角锥棱镜内部后入射到第三反射面，第三反射面为减小/>
角度的反射面，则在该第三反射面上，入射角相对于未减小角度时增加了/>
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，其他反射面不变，则最终角锥棱镜的出射光线会朝向主光轴偏转，当角锥棱镜的出射光线和入射光线关于主光轴对称时，反射回的光线经过准直透镜后能够恰好汇聚到接收光纤上，此时对应的/>
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所述角锥棱镜夹角
为/>
，其中，发射光纤和接收光纤中心距离为/>
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，角锥棱镜的折射率为/>
。
2.一种气室，包括真空隔热管，设置在真空隔热管内部的内管，内管两端焊接的内管前端法兰、内管后端法兰，内管后端法兰里安装准直透镜，其特征在于：所述内管前端法兰里安装角锥棱镜，所述角锥棱镜其中两个反射面相互垂直，所述相互垂直的两个反射面与第三反射面的二面角相等，且这相互垂直的两个反射面的交线与第三反射面的夹角为锐角；所述内管前端法兰另一端焊接外管前端法兰；所述准直透镜在内管后端法兰被透镜固定筒固定；还包括光纤接头，所述光纤接头一端套设在透镜固定筒外部，一端伸出真空隔热管；还包括出气嘴，所述出气嘴固定在内管后端法兰上，并且与内管内部连通。
3.根据权利要求2所述的气室，其特征在于：还包括用以调节角锥棱镜的调节组件，所述调节组件设置在内管前端法兰内部，包括固定筒、筒盖、胶垫，所述固定筒为两端有开口的圆筒结构，所述角锥棱镜入射面一侧顶在固定筒内部的一端，所述角锥棱镜的反射面一侧顶住胶垫，所述筒盖顶住胶垫与固定筒连接。
4.根据权利要求2所述的气室，其特征在于：还包括用以过滤烟气的一级滤芯、二级滤芯，所述二级滤芯设置在内管前端法兰内，所述一级滤芯紧邻二级滤芯设置在外管前端法兰内。
5.根据权利要求4所述的气室，其特征在于：还包括滤芯压帽，所述滤芯压帽顶住一级滤芯和二级滤芯与外管前端法兰固定。
6.一种测量仪，其特征在于：所述测量仪安装有权利要求2-5任意一项所述的气室。
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