CN114460039B - 用于tdlas煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，本发明方法通过在锅炉冷机状态、锅炉起机初期、锅炉起机中期及锅炉起机后期过程中，对半导体激光器、光功率放大器、分束器、光开关以及光电探测器的参数进行自适应调节，能够保证在锅炉冷机状态下，光电探测器不会因过高的光功率而受到损坏，也能保证在锅炉起机过程中输入到光电探测器的光功率始终处在光电探测器的线性范围内，并能够保证锅炉起机过程中，光电探测器输出足够的电压，以利于采集卡进行数据采集。所述发射光功率管理方法能够克服煤粉锅炉从冷机状态至完全起机过程中，TDLAS测量***中的探测器接收到光功率存在超大动态范围的问题。

Description

用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法
技术领域
本发明涉及一种用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法。
背景技术
锅炉内高温燃烧区域的温度场测量，一直以来是一项重大科研课题。传统的测量仪器如热电偶、热电阻、集成温度传感器等由于无法承受燃烧区高达1500℃的温度，不能有效地获取燃烧数据，导致燃烧区存在着测量盲区。可调谐二极管激光吸收光谱法（TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）常被用于气体温度等参数测量。由于高温气体分子对不同线强温度系数谱线(即谱线对)的光强吸收存在特定关系，因此TDLAS能够实现温度的非接触式测量，具有灵敏度高、分辨率高、响应快等特点，可进行实时在线检测，非常适合应用在工业锅炉等高温环境的温度测量，进而真正达到燃烧控制的目的。
煤粉锅炉炉膛内由于大量煤粉的存在，致使TDLAS技术在应用到煤粉炉的温度测量时存在较大困难，激光透过率由于煤粉散射等因素降低至发射功率的10-9量级。为实现信号的探测，从而不得不通过光功率放大器将光功率提升至瓦级。但由于锅炉从冷机状态至完全起机过程中，光路上对有效信号的衰减倍数约从几倍至数千万倍之间变化，而光电探测器自身的损伤阈值较小，如不进行有效的光功率自动切换，光电探测器将无法正常工作甚至损坏。因此需要综合光电探测器及发射端光功率放大器性能参数，对发射端光功率进行自动切换，以实现当衰减倍数大范围变化时，接收端光电探测器接收的透射光功率维持在合理的范围内。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法。本发明方法通过在锅炉冷机状态、锅炉起机初期、锅炉起机中期及锅炉起机后期过程中，对半导体激光器、光功率放大器、分束器、光开关以及光电探测器的参数进行自适应调节，能够保证在锅炉冷机状态下，光电探测器不会因过高的光功率而受到损坏，也能保证在锅炉起机过程中输入到光电探测器的光功率始终处在光电探测器的线性范围内，并能够保证锅炉起机过程中，光电探测器输出足够的电压，以利于采集卡进行数据采集。所述发射光功率管理方法能够克服煤粉锅炉从冷机状态至完全起机过程中，TDLAS测量***中的探测器接收到光功率存在超大动态范围的问题。
本发明所采用的技术方案有：
一种用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，包括：
1）锅炉冷机状态，光功率放大器保持关闭，半导体激光器输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，通过分束器后输出两路信号，分别从分束器的高功率端和低功率端输出，此时光开关切换到分束器的低功率输出端，光电探测器的放大倍数设置为最小；
2）锅炉起机初期，光功率放大器保持关闭，半导体激光器输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，光开关切换到分束器的低功率输出端，调整光电探测器的放大倍数以确保输出电压在合理范围；
3）锅炉起机中期，光功率放大器保持关闭，半导体激光器输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，光开关切换到分束器的高功率端，调整光电探测器的放大倍数以确保输出电压在合理范围；
4）锅炉起机后期，光功率放大器开启，半导体激光器输出的光功率经光功率放大器放大后输出，并根据光电探测器输出的电压信号调整光功率放大器的放大倍数，以确保光电探测器输出的电压信号在合理范围，光开关切换到分束器的高功率端，调整光电探测器的放大倍数以确保输出电压在合理范围；
5）锅炉稳定燃烧阶段，光功率放大器的放大倍数切换到最大，半导体激光器输出的光功率经光功率放大器放大后输出，光开关切换到分束器的高功率端，光电探测器的放大倍数设置为最大。
进一步地，所述光电探测器的参数为：
最大损伤阈值为1mW；
线性光功率范围为-60~ -20 dBm；
输出信号幅度为0~ 4000 mV；
增益为1.39~27.9 MV/W；
压流增益调节范围700~1150 V/A。
进一步地，所述半导体激光器的输出光功率为20mW。
进一步地，所述光功率放大器输出光功率可调范围为100mW至1W。
进一步地，所述分束器将光功率放大器输出光功率按99:1比例分别在高功率端和低功率端输出。
本发明具有如下有益效果：
1）本发明能够保证在锅炉冷机状态下，光电探测器不会因过高的光功率而受到损坏；
2）本发明能够在锅炉起机的初期、中期、后期过程中都能保证输入到光电探测器的光功率始终处在光电探测器的线性范围内；
3）本发明能够保证在起机的初期、中期、后期过程中，光电探测器输出足够的电压，以利于采集卡进行数据采集。
附图说明
图1为本发明的装置图。
图中，1-半导体激光器，2-光功率放大器，3-分束器，4-高功率端，5-低功率端，6-光开关，7-待测区域，8-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明一种用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法， 本发明方法能够在激光透过率变化的情况下，通过光电探测器输出的电压信号自适应的改变发射端的发射光功率，所述方法包括以下步骤：
1）锅炉冷机状态，光功率放大器2保持关闭，半导体激光器1输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，通过分束器3后输出两路信号，分别从分束器的高功率端4和低功率端5输出，此时光开关6切换到分束器3的低功率输出端5，光电探测器8的放大倍数设置为最小；
2）锅炉起机初期，光功率放大器2保持关闭，半导体激光器1输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，光开关6切换到分束器3的低功率输出端5，调整光电探测器（8）的放大倍数以确保输出电压在合理范围；
3）锅炉起机中期，光功率放大器2保持关闭，半导体激光器1输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，光开关6切换到分束器3的高功率端4，调整光电探测器8的放大倍数以确保输出电压在合理范围；
4）锅炉起机后期，光功率放大器2开启，半导体激光器1输出的光功率经光功率放大器（2）放大后输出，并根据光电探测器8输出的电压信号调整光功率放大器的放大倍数，以确保光电探测器8输出的电压信号在合理范围，光开关6切换到分束器3的高功率端4，调整光电探测器8的放大倍数以确保输出电压在合理范围；
5）锅炉稳定燃烧阶段，光功率放大器2的放大倍数切换到最大，半导体激光器1输出的光功率经光功率放大器2放大后输出，光开关6切换到分束器3的高功率端4，光电探测器8的放大倍数设置为最大。
光电探测器8主要参数如表1所示，图1中的其他设备参数如表2所示。
参数 最小 最大 单位
损伤阈值 1 mW
线性光功率范围 -60 -20 dBm
输出信号幅度 0 4000 mV
增益 1.39 27.9 MV/W
压流增益调节范围 700 1150 V/A
表1
参数名称 参数值 单位
半导体激光器1输出光功率 20 mW
光功率放大器2输出光功率 100-1000 mW
分束器3分束比 99:1 ——
采集卡采样范围 0-5 V
表2
由表1知，光电探测器8线性输入光功率为1nW至10μW，为保证一定的性能，可选择10nW为阈值进行光功率切换。此外当APD（光电探测器8）输入光功率大于损伤阈值时将对APD造成不可逆的损坏。
如表2所示，半导体激光器1出光功率为20mW，光功率放大器光功率2从100mW至1W范围可调，可如图1中虚线所示将光功率放大器放大功能关闭后直接将半导体光输出20mW光功率，分束器3将光功率放大器输出光功率按99:1比例分别在端口4和端口5输出，再通过光开关6选择分束器的高功率端4或低功率输出端5投射至待测区域，最终透射光传输至光电探测器8。
因此，光功率放大器2输出范围为20mW（光功率放大器关闭）或100mW~1W，分束器3实现99：1比例输出，通过控制光功率放大器输出功率及光开关6，匹配当前燃烧区域的衰减比例，使接收端APD光功率在其线性工作范围，并且不得超过其损伤阈值。
本实施例具体实现方案如下：
1、冷机状态下
当直接使用半导体激光器20mW功率的光源穿透锅炉区域时，接收端光功率约为数mW，也即此时激光透过率>10-1，此时透射光功率已大于光电探测器损伤阈值，因此选择关闭光功率放大器，直接以半导体激光器光功率输出，光开关选择分束器的低功率端口5输出，此时光电探测器接收光功率最大为200μW，小于光电探测器的损伤阈值。
2、起机过程的初期、中期及后期
当锅炉起机后，炉内粉尘急剧增加，信号的衰减倍数也随之变大。当输入到光电探测器的光功率小于10nW时（对应衰减倍数为20，000），光开关6选择分束器3的高功率端口4输出，输入到光电探测器的光功率可提升至10nW*99≈1μW，满足其线性工作范围，此时调节光电探测器增益至1.39MV/W， 光电探测器输出电压为1.39V，该电压值有利于采集卡进行数据采集。
随着炉内粉尘继续加大，光电探测器接收到的光功率将持续降低。当上述调节状态下APD接收光功率降至10nW（对应衰减倍数为2，000，000）左右时又需进行切换。此时将光功率放大器输出光功率设置为100mW-1000mW之间输出，光开关仍然保持在分束器的高功率端输出，光电探测器接收光功率可达50nW，满足其线性工作范围，配合APD增益调整，使得光电探测器输出电压在合理范围。
3、热态稳定运行阶段
锅炉完全起机至满负荷运行时，透过率为10-9量级，此时需将光功率放大器调节至1W功率，同时光开关6选择99比例端口4输出，光电探测器接收到的光功率达到nW级别（对应透过率为10-9），仍然满足光电探测器线性光功率输入范围。具体的切换过程如表3：
表3
采用上述发射端光功率切换方案后，在锅炉衰减倍数大范围内变化时，接收端光电探测器的光功率始终可处在其线性范围内，且输出电压也有利于采集卡进行数据采集。
上述实施方法不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是采用了TDLAS技术用于透过率多变所致的大动态范围条件下，一种发射光功率的管理方法，以及其中涉及的技术细节。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，对本发明做出的任何形式的修改均应归入本发明的保护范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，其特征在于：包括：
1）锅炉冷机状态，光功率放大器保持关闭，半导体激光器输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，通过分束器后输出两路信号，分别从分束器的高功率端和低功率端输出，此时光开关切换到分束器的低功率输出端，光电探测器的放大倍数设置为最小；
2）锅炉起机初期，光功率放大器保持关闭，半导体激光器输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，光开关切换到分束器的低功率输出端，调整光电探测器的放大倍数以确保输出电压在279mV~饱和电压之间；
3）锅炉起机中期，光功率放大器保持关闭，半导体激光器输出的光功率未经光功率放大器放大直接输出，光开关切换到分束器的高功率端，调整光电探测器的放大倍数以确保输出电压在279mV~饱和电压之间；
4）锅炉起机后期，光功率放大器开启，半导体激光器输出的光功率经光功率放大器放大后输出，并根据光电探测器输出的电压信号调整光功率放大器的放大倍数，以确保光电探测器输出的电压信号在合理范围，光开关切换到分束器的高功率端，调整光电探测器的放大倍数以确保输出电压在279mV~饱和电压之间；
5）锅炉稳定燃烧阶段，光功率放大器的放大倍数切换到最大，半导体激光器输出的光功率经光功率放大器放大后输出，光开关切换到分束器的高功率端，光电探测器的放大倍数设置为最大。
2.如权利要求1所述的用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，其特征在于：所述光电探测器（8）的参数为：
最大损伤阈值为1mW；
线性光功率范围为-60~ -20 dBm；
输出信号幅度为0~ 4000 mV；
增益为1.39~27.9 MV/W；
压流增益调节范围700~1150 V/A。
3.如权利要求1所述的用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，其特征在于：所述半导体激光器（1）的输出光功率为20mW。
4.如权利要求1所述的用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，其特征在于：所述光功率放大器（2）输出光功率可调范围为100mW至1W。
5.如权利要求1所述的用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，其特征在于：所述分束器（3）将光功率放大器（2）输出光功率按99:1比例分别在高功率端（4）和低功率端（5）输出。
6.如权利要求1所述的用于TDLAS煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法，其特征在于：
1）锅炉冷机状态，光电探测器（8）的放大倍数设置为1；
2）锅炉起机初期，调整光电探测器（8）的放大倍数以确保输出电压在279mV~饱和电压之间；
3）锅炉起机中期，调整光电探测器（8）的放大倍数以确保输出电压在279mV~饱和电压之间；
4）锅炉起机后期，光功率放大器（2）开启，半导体激光器（1）输出的光功率经光功率放大器（2）放大后输出，并根据光电探测器（8）输出的电压信号调整光功率放大器的放大倍数在5-50之间，光开关（6）切换到分束器（3）的高功率端（4），调整光电探测器（8）的放大倍数以确保输出电压在279mV~饱和电压之间；
5）锅炉稳定燃烧阶段，光功率放大器（2）的放大倍数切换到50，半导体激光器（1）输出的光功率经光功率放大器（2）放大后输出，光开关（6）切换到分束器（3）的高功率端（4），光电探测器（8）的放大倍数设置为27.9MV/W。
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