CN110501306A - 一种基于tdlas技术的高灵敏度柴油机排放no2浓度测量装置 - Google Patents

一种基于tdlas技术的高灵敏度柴油机排放no2浓度测量装置 Download PDF

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张子建
谌绍天
穆彦龙
刘晓楠
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姜子印
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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Abstract

本发明涉及一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置领域，所述测量装置包括：激光器，参考气池，空芯光纤，光学窗镜，压缩空气接口，柴油机排气管，汇聚透镜，激光探测器，数据处理模块，所述参考气池通过所述空芯光纤连接于所述光学窗镜上，所述光学窗镜与所述汇聚透镜对称分布在所述柴油机排气管的两侧，所述汇聚透镜通过所述空芯光纤与所述激光探测器相连接。本发明通过***参考气池可以省去参考通道从而简化***结构，柴油机在运行过程中，原本机械噪声与仪器的低频噪声较多，容易对测量产生影响，通过参考气池的加入可以有效提高装置的信噪比，提高测试灵敏度和精度。

Description

一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置
技术领域
本发明涉及激光测量装置领域，尤其涉及一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置领域。
背景技术
着全球环境问题的日益严重，各国都十分重视对于环境的保护。在我国环境问题也已经成为制约社会发展、影响国计民生的问题，在大气污染方面，船舶动力装置的排放一直是一个重要问题。交通运输部也针对于船舶污染物排放有了进一步的要求和制约，这也对相应的测试方法装置等提出了新的要求，传统测试方法已经难以满足新的要求。之后在船舶排柴油机放污染物的测试方法必然向更高精度、更高响应特性方向发展，也会更加注重船舶柴油机在实际运行中的实时在线测量。
TDLAS技术在近些年得到迅速发展，通过运用TDLAS技术，可以完成几十种气体分子的高选择性、高灵敏度的在线实时测量，实现了不同领域气体浓度、温度、流速、压力等参数的高精度探测。TDLAS技术具有以下几个显著的优点：(1)无需采样处理，实时在线测量；(2)非接触式测量，可以应用于船舶柴油机这种恶劣工况下的在线测量；(3)根据待测气体选取相应的吸收峰，避免其他气体对测量的干扰。TDLAS技术始于20世纪60年代中期，伴随着该技术的发展，TDLAS技术的上述优点也愈发突出，所以受到研究人员的广泛关注。安徽光机所在20世纪90年代开展了TDLAS检测相关研究工作，随后其开发的TDLAS检测***在大气检测及工业领域得到了应用。浙江大学能源工程学院的能源清洁利用国家重点实验室将TDLAS技术应用于燃烧诊断研究，取得了较为理想的研究成果。哈尔滨工程大学动力与能源工程学院的杨晓涛率先提出将TDLAS技术应用于船舶柴油机排放测试中，并进行了相关研究和实验，取得了一定的成果。
可调谐激光吸收光谱技术采用可调谐激光光源作为信号源，利用激光输出的可调谐特性，使激光输出波长覆盖被测物质的某一特定吸收谱线，根据朗伯比尔(Beer-Lambert)吸收定律获得被测物质的浓度信息。该技术通过输出特性的可调谐，避免了传统光谱吸收技术受输出光强波动影响的问题，提高了测试精度。可调谐激光光谱技术中采用的是窄线宽输出激光器，针对被测物质的吸收谱线，通过电流调谐器件，实现在特定吸收谱线的小范围内全覆盖，可以有效避免其他物质吸收谱线的干扰，特别是燃烧中大量存在的H2O和CO2组分间的相互干扰。但是在实际测量中不难发现，基于TDLAS技术的柴油机排放测试中也存在一定问题，比较显著的包括：(1)船舶柴油机在实际运行过程中会产生不小的振动，这就对测试仪器的抗振性提出了一定要求；(2)基于直接吸收法的测量原理相对简单，但是其测量结果受低频噪声影响较大，导致精度受到一定限制；(3)若采用谐波测量法可以降低低频噪声的影响，但同时也使装置结构和原理更加复杂，不便于在柴油机上开展实验。因此，虽然TDLAS技术本身是有诸多显著优点，但是若将其实际运用到柴油机排放测试中还要进一步完善实验装置、优化实验过程等，尽可能提高测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，利用TDLAS技术实现对柴油机排放NO2浓度的高灵敏度测量。
本发明是这样实现的：
一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，包括：激光器1，参考气池2，空芯光纤3，光学窗镜4，压缩空气接口5，柴油机排气管6，汇聚透镜7，激光探测器8，数据处理模块9，所述参考气池2通过所述空芯光纤3连接于所述光学窗镜4上，所述光学窗镜4与所述汇聚透镜7对称分布在所述柴油机排气管6的两侧，所述汇聚透镜7通过所述空芯光纤3与所述激光探测器8相连接。
所述空芯光纤3外部设有聚四氟乙烯高温保护套。
所述激光器1为可调谐激光器。
所述光学窗镜4与所述柴油机排气管6的连接部分设有至少2个压缩空气接口5。
所述压缩空气接口5在连接部上对称布置。
本发明的有益效果是：(1)通过***参考气池可以省去参考通道从而简化***结构；(2)便于找寻确定气体吸收峰的位置；(3)参考气池中的已知浓度的NO2气体还可以用于校准仪器的输出；(4)柴油机在运行过程中，原本机械噪声与仪器的低频噪声较多，容易对测量产生影响，通过参考气池的加入可以有效提高装置的信噪比，提高测试灵敏度和精度。
附图说明
图1为基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置示意图。
具体实施方式
附图说明：1激光器，2参考气池，3空芯光纤，4光学窗镜，5压缩空气接口，6柴油机排气管，7汇聚透镜，8激光探测器，9数据处理模块。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明属于激光测试领域，是一种根据激光穿过柴油机排气管前后光强的变化情况，进而获得排放温度或气体组分浓度的方法。
本发明的创新点在于：通过在实验装置***中加入一个气体吸收池，在实验测量前，在该气体吸收池中充入已知浓度的NO2气体，由于本身柴油机排放气体组分中NO2气体的浓度比较低，因此通过该参考气池可以有效增强低浓度下的吸收峰辨识能力，以提高二氧化氮浓度测量信号的信噪比。除此之外，激光依次通过参考气池和测量通道设计方案与双通道(测量通道和参考通道)并行的方案相比具有以下优点：(1)通过***参考气池可以省去参考通道从而简化***结构；(2)便于找寻确定气体吸收峰的位置；(3)参考气池中的已知浓度的NO2气体还可以用于校准仪器的输出；(4)柴油机在运行过程中，原本机械噪声与仪器的低频噪声较多，容易对测量产生影响，通过参考气池的加入可以有效提高装置的信噪比，提高测试灵敏度和精度。
本发明的目的是这样实现的：首先通过调整半导体激光器的温度将激光器中心波长调制气体吸收峰的附近，然后通过调节激光器的注入电流来调制激光器的输出波长及幅值。在扫频模式下，激光器调制信号是一个低频三角波(Hz)叠加一个高频正弦波(kHz)。低频三角波的作用是调制激光器的中心波长扫过气体的特征吸收峰，从而得到气体的特征光谱；正弦波调制配合锁相放大技术，可以得到各次谐波。当激光穿过被测气体时，其光强的衰减符合朗伯—比尔定律
It(v)＝I0(v)exp[-α(v)PXL]
式中：I0为激光的初始光强，It为激光穿过油膜后的光强，T是温度，P是被测气体的总压，X是被测气体的体积浓度，L为光程，α(v)是吸收系数。经数学推导验证，吸收系数α(v)的各阶傅里叶系数的幅值都正比于气体的浓度和光程的乘积。利用波长调制技术并使用一次谐波来归一化二次谐波信号。激光先后穿过参考气池以及柴油机排气管后，出射激光被光电探测器接受，后续连接数据处理模块，经过计算最后获得所测二氧化氮气体的浓度组分。
本发明还包括这样一些特征：
1.所用激光器为可调谐激光器，改变注入电流即可改变输出激光的波数。
2.测量方式为非接触式测量，而且测量还具有高灵敏度、高响应特性等特点，安全可靠。
3.与柴油机排气管相连部分设有压缩空气接口，使压缩空气可以对光学镜片进行吹扫，从而可以避免因镜片污染而导致的透光率下降。
4.柴油机排气管与前后装置相连是通过空芯光纤实现的，光纤外部都增加聚四氟乙烯高温保护套，光纤的加入可以增加整个装置的抗振性以降低振动对光路及测量的影响，除此之外，通过光纤来增加光电探测器与排气管的距离，避免测量过程中柴油机排气管温度过高而使探测器损伤。
5.数据处理模块集成了信号发生器、激光控制器、温度控制器、锁相放大器等，较为有效的优化了***结构，便于进行对激光器的调节以及后续的信号接收及数据处理过程。
本发明进一步描述如下：
一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，包括激光控制器，激光器1，光学窗镜4，光电探测器，参考气池2，汇聚透镜7，空芯光纤3等结构，利用TDLAS技术实现对柴油机排放NO2浓度的测量。
激光器1输出激光的波长锁定至NO2气体吸收峰的峰值位置，避免其他气体的干扰。
激光直接穿过柴油机排气管6进行测量，无需采样过程，可实现实时在线测量。
在测量光路中添加了一个充满已知浓度NO2的参考气池2，用以提高***在低NO2浓度环境下测量信号信噪比，便于数据处理过程中确定气体吸收峰的位置。
通过在气体测量光路中***参考气池2，可以省去参考通道简化***结构，也便于校准仪器的输出。
装置中和柴油机排气管6前后相连的为空芯光纤3，可以有效增强整个装置的抗振性，并且能使光电探测器远离柴油机排气管6，以保证其工作温度正常。
与柴油机排气管6相连的法兰接件均为圆形结构，并设有专门的压缩空气进气口，目的在于吹扫镜片防止其污染，从而遮挡光路对测量造成影响。
如图1所示，激光器射出激光，出射激光首先穿过充满已知浓度的NO2的参考气池，从参考气池出来后进入光纤，通过之后穿过柴油机排气管，出射的光经过汇聚透镜后被光电探测器接收，最后经过数据处理模块得到NO2浓度。数据处理模块用于调节激光器，信号处理以及测量结果的输出。
本发明在使用时，按照以下步骤：(1)首先要调节光路，本装置***的光路调节并不复杂，检查光路对准之后即可准备下一步工作；(2)向参考气池内充入定量的NO2气体，在不运行柴油机的情况下，接通激光器以及光电探测器等，进行测量以便校正仪器；(3)正常打开柴油机进行测试，过程中要保证持续从压缩空气接口处充气，以保证对镜片的吹扫使其不会被污染，打开激光器以及光电探测器进行测量。(4)完成测量后通过数据处理模块完成后续数据处理得到测量结果，再根据未开机测得的数据进行仪器的误差校正，最终得到矫正后的测量结果。
测量过程中，因为柴油机在工作运行时排放的NO2气体浓度较低，因此用传统方法进行测量时不易捕捉寻找吸收峰，而且所得测量精度也较低。使用本发明可以非常直观的寻找到NO2气体的吸收峰，即便NO2气体很低也不会被忽略掉；除此之外，柴油机运行中测试原本机械噪声以及仪器低频噪声就很多，容易对测量结果产生干扰，通过本发明可以有效提高装置的信噪比，因此提高了测量的灵敏度和精度。整个测量***是基于TDLAS技术进行设计实现的，因此它具有高灵敏度、高响应特性、高测量精度以及可以实现实时在线非接触式测量的优点，因此将其应用于船用柴油机的排放测试中是十分合适的。
综上所述，本发明公布了一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，原理是激光穿过参考气池和柴油机排气管后经过NO2分子的吸收会导致光强的变化。本发明的创新点在于参考气池、光纤、压缩空气接口几个设计。参考气池的主要作用是可以提高***在低浓度环境下测量信号的信噪比，且便于寻找确定气体吸收峰的位置，因此可以提高测试的灵敏度，也能提高低浓度测试时的测量精度。装置中光纤的加入提高了整个装置的抗振性，降低了由于机械振动对于仪器的影响。压缩空气接口的存在可以充入压缩空气空气吹扫镜片，防止镜片污染，并且有一定的降温作用，防止温度过高对镜片或光纤接口产生损伤。激光先后穿过参考气池和排气管之后，经过汇聚透镜再被光电探测器接收，最终通过数据处理模块信号进行处理，输出NO2浓度测量结果。

Claims (5)

1.一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，包括：激光器(1)，参考气池(2)，空芯光纤(3)，光学窗镜(4)，压缩空气接口(5)，柴油机排气管(6)，汇聚透镜(7)，激光探测器(8)，数据处理模块(9)，其特征是：所述参考气池(2)通过所述空芯光纤(3)连接于所述光学窗镜(4)上，所述光学窗镜(4)与所述汇聚透镜(7)对称分布在所述柴油机排气管(6)的两侧，所述汇聚透镜(7)通过所述空芯光纤(3)与所述激光探测器(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，其特征是：所述空芯光纤(3)外部设有聚四氟乙烯高温保护套。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，其特征是：所述激光器(1)为可调谐激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，其特征是：所述光学窗镜(4)与所述柴油机排气管6的连接部分设有至少2个压缩空气接口(5)。
5.根据权利要求4所述的一种基于TDLAS技术的高灵敏度柴油机排放NO2浓度测量装置，其特征是：所述压缩空气接口(5)在连接部上对称布置。
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