烟气组分含量连续监测系统探头设计及标定方法

造成大气污染的主要原因有两个:一是燃煤锅炉排放的烟尘、废气;二是机动车辆的尾气排放。其中各类燃烧器、工业及商用锅炉的烟气排放造成了严重的空气污染,对烟气中的有毒有害气体进行监测是环境保护工作的一个重要方面。常见的光学烟气组分监测探头组成结构比较简单,由光源发出光束,经过准直扩束后进入被测气体测量区,再通过聚焦透镜进入光纤。在实际应用中,这种光路由两种结构来实现:一种是双边式,将光路的接收端和发射端分别安装于烟道两侧[1],体积过大,安装和调整不方便;另一种是单边插入式,将接收端信号通过光纤引回光谱仪,探头会因为现场高温高湿等因素而出现形变,光纤耦合效率降低,且调整时需要将探头从烟道中取出。差分吸收光谱方法(differential opticalabsorption spectroscopy, DOAS)由德国的Platt提出[2],用于大气的有害气体的监测[3-4]。随着应用范围的不断扩大, DOAS也已经在烟气排放监测领域应用[5]。DOAS的实现所需要的光谱强度信息是通过固定的测量光路来获得,而发射、接收装置就组成了一套光谱的“传感器”。作为信息获取的源头,光路的设计显得相当关键。本文将分别从探头光路设计和标定方法两方面对烟气连续监测系统的关键技术进行研究。

1　单边双光路探头设计

DOAS的原理是紫外光束通过一定厚度的气体后会产生由于气体对光的吸收特性造成的强度损失。光谱仪器采集到吸收后的光谱强度,与光源出射光谱比较得到吸收度;去除随波长低频变化部分,获得差分吸收度;再通过查找相关气体的吸收截面,便可求得气体的种类和浓度。DOAS的基础是Lambert-Beer定律,通过被测气体之后的理想光强变化可以表示为:

式中:A为被测物质的吸光度;I0和Id分别为通过测量物质前后的光强;φ为被测物质的体积分数;x为测量区被测物质的厚度;σ为吸收截面。其中,光学厚度OD定义为(σφx),单位含量定义为(φx)。从信号处理的角度,所接收到的光谱通过光谱分析仪器的过程可以等效为一个电信号通过一个线性系统的过程,故在λ0处的接收光强表示为进入光谱仪器的光强和仪器光谱响应函数的卷积:

式中:Id为接收到的光强;σ为吸收截面;F(λ)为仪器的光谱响应函数。假设F(λ)是宽度为Δλ的矩形脉冲函数,则接收光强就是在Δλ区域上的平均透过光强。

单边双光路探头由紫外光源、抛物面反射镜、准直扩束透镜、角隅棱镜、聚焦透镜和光纤接收头等器件组成,如图1所示。将紫外光源(氘灯)置于抛物面反射镜的焦点处,它所发出的光线经抛物面反射镜反射后沿水平光束射出,经过准直扩束后进入测量区,由被测气体对其进行选择性吸收。吸收后的光束通过角隅棱镜完成两次反射,光束平移一段距离后沿原光路方向返回,由聚焦透镜将光束会聚到光纤接收端,通过光纤进入光谱分析仪器。另外,利用聚焦透镜通光孔径作为孔径光阑限制非近轴杂散光束进入探测器[6]。