一种烟气中气态污染物测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种烟气中气态污染物测量装置，属于环境检测技术领域。

背景技术

烟气在线监测系统根据烟气的取样方式主要分为抽取式烟气在线监测系统和原位式烟气在线监测系统。抽取式烟气在线监测系统，即通过抽气装置将烟气抽取到烟道外部的测量装置中进行测量，比如CEMS分析仪，但是这种方式测量精度低，成本高，且容易对大气造成二次污染，同时还需要进行必要的预处理，管路较长，响应时间较慢。原位式烟气在线监测系统，是将烟气测量装置的测量腔体直接安装在烟道中，并将光源发射单元和接收单元分别安装在烟道壁两侧，光线穿过测量腔体内的待测烟气后被接收单元接收，从而实现烟气参数的在线测量分析，这种方式无需对烟气进行取样，并进行粉尘过滤、水蒸汽冷凝等预处理，不仅结构简单且测量精度更高。

但是现有的原位式烟气测量装置由于长期处于高温烟气中，电子元器件容易出现老化，同时受到周围环境温度、压力、湿度的影响，测量结果容易出现偏差，必须要定期对烟气测量装置进行零点校准和量程标定。但是现有的原位式烟气测量装置大多无法实现在线校准或标定，每次校准或标定都需将烟气测量装置从烟道上拆卸下来，然后安装在特定的气室上进行校准或标定，校准或标定完成后，再将测量装置安装回烟道上，这一过程不仅十分复杂繁琐，还会影响烟气在线监测系统的正常运行。

且为了保证测量的准确性，原位式测量对光学元件的安装精度要求比较高，即光源发射单元和接收单元需要较高的同心度，但烟道内的恶劣环境也给采用原位式的安装检测设备带来了严峻的考验，对于粉尘浓度高、高温、高湿、高振动的烟气环境下，无论是安装还是正常使用时都难以确保光源发射单元和接收单元的同心度，从而导致光路传递存在偏差，测量数据不准确。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种烟气中气态污染物测量装置，不仅测量时间短，测量精度高，且可以实现更加准确的在线零点校准和多种气体的量程标定，结构简单，标定容易，节约标气。

一种烟气中气态污染物测量装置，包括光学组件、控制组件、采样探头和标气罐组件，其中采样探头包括测量池、窗口片、反射棱镜、射流泵和滤芯，滤芯通过滤芯底座连接在测量池的一端，射流泵安装在滤芯底座上，且射流泵的负压口通过滤芯底座内的负压气路与测量池内部连通使烟气通过滤芯过滤后进入测量池内；反射棱镜安装在测量池内部靠近滤芯底座的一端，窗口片密封安装在测量池的另一端；所述光学组件包括光源、抛物面反射镜、分光片、光纤和光谱仪，光纤与光谱仪信号相连，抛物面反射镜与窗口片、反射棱镜处于同一水平光路上，分光片倾斜安装在光源与抛物面反射镜之间，且光源位于与上述水平光路垂直的光路上，光纤位于分光片远离光源一侧的分光片反射光路上，光源发射的光线依次通过分光片、抛物面反射镜准直后穿过窗口片进入测量池中，反射棱镜将光线反射后再次被抛物面反射镜聚焦并投射到分光片，经过分光片反射的光线被光纤接收并将光信号传入光谱仪；所述标气罐组件包括n个不同种类的标气罐和标气罐安装盘，n≥4，各标气罐沿标气罐安装盘周向均匀设置，标气罐安装盘在驱动器的带动下旋转并使各标气罐依次位于测量光路上；测量池外侧设置有标定气管，标定气管的一端通过控制组件中的标定控制电磁阀连接气源，另一端通过滤芯底座内的负压气路与测量池内部连通；控制组件还包括控制器和射流控制电磁阀，控制器与光谱仪、驱动器、标定控制电磁阀和射流控制电磁阀信号相连。

进一步的，测量池外侧安装有烟气转接管，所述烟气转接管的一端通过滤芯底座与射流泵的出气口连通，另一端与测量池远离滤芯的一端连通。

进一步的，所述分光片相对于垂直光路倾斜45度设置，所述分光片的一面镀有半反半透膜，另一面镀有增透膜。

进一步的，所述窗口片倾斜安装，倾斜角度为3°。

进一步的，采样探头还包括探头过渡管，所述探头过渡管与测量池相连，探头过渡管外侧设置有窗口吹扫管，窗口吹扫管一端通过窗口吹扫控制电磁阀与压缩空气连通，另一端与探头过渡管内腔连通，并朝远离窗口片的方向吹扫，控制器与窗口吹扫控制电磁阀信号相连。

进一步的，测量池外侧设置有反吹气管，反吹气管的一端通过反吹控制电磁阀与压缩空气连通，另一端通过连接腔体、滤芯底座内的反吹气路与滤芯连通，反吹控制电磁阀与控制器信号相连。

进一步的，探头测量池外侧安装有探头加热器和加热器温度传感器，控制组件还包括加热器电源。

进一步的，采样探头还包括设置于测量池和探头过渡管外侧的探头外套管，探头外套管外侧设置有射流压缩气预热护套和射流压缩气输送管，射流压缩气输送管与射流泵相连用于对射流泵进行供气。

进一步的，光学组件的各部件均安装在一光学箱体内，光学箱体内部具有一个光学箱支架，所述驱动装置为步进电机，光源、抛物面反射镜、分光片、光纤、光谱仪和步进电机均安装在光学箱支架的一侧，标气罐和标气罐安装盘安装在光学箱支架的另一侧，步进电机与标气罐安装盘相连并带动标气罐安装盘转动，步进电机与控制器信号相连以控制任一标气罐位于测量光路上。

本发明提供的烟气污染物测量装置将测量光路设计在探头中，无需将烟气抽离出烟道，直接在烟道中测量，烟气到测量腔距离短，响应速度快，测量无损耗；重复利用抛物面反射镜将光束准直和聚焦，光路具体结构简单，减小了光路的体积，对尺寸精度要求低，不容易受到振动影响，稳定性强；通过步进电机可以使任一标气罐处于测量光路上，自动进行在线量程校准，节约标准气体，可以随时校准，无需额外标气成本；通过标定气管向测量池内通入洁净空气，并通过射流泵和烟气转接管将洁净空气排出，实现测量池内持续充满洁净空气，进行零点校准。

附图说明

图1为本发明提供的装置立体结构示意图；

图2为本发明提供的采样探头立体结构示意图；

图3为本发明提供的采样探头立体爆炸结构示意图；

图4为本发明提供的滤芯和滤芯底座另一个方向的立体结构示意图；

图5为本发明提供的采样探头内部剖视图；

图6为本发明提供的光学组件立体结构示意图；

图7为本发明提供的控制组件立体结构示意图；

图8为本发明提供的气路控制原理示意图；

图9为本发明提供的测量装置内部光学原理示意图；

图中：1、光学组件；1.1、光源；1.2、抛物面反射镜；1.3、分光片；1.4、光纤；1.5、光谱仪；1.6、光学箱支架；

2、控制组件；2.1、控制器；2.2、标定控制电磁阀；2.3、射流控制电磁阀；2.4、窗口吹扫控制电磁阀；2.5、反吹控制电磁阀；2.6、加热器电源；

3、采样探头；3.1、测量池；3.2、窗口片；3.3、反射棱镜；3.4、射流泵；3.4.1、射流喷嘴；3.4.2、射流底座；3.5、滤芯；3.6、滤芯底座；3.6.1、连接腔体；3.7、探头过渡管；3.8、探头加热器；3.9、加热器温度传感器；3.10、探头外套管；3.11、射流压缩气预热护套；

4、标气罐组件；4.1、标气罐；4.2、标气罐安装盘；4.3、步进电机；

5、气路组件；5.1、标定气管；5.2、烟气转接管；5.3、窗口吹扫管；5.4、反吹气管；5.5、射流压缩气输送管。

具体实施方式

为更清楚的阐述本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至8所示，一种烟气中气态污染物测量装置，包括光学组件1、控制组件2、采样探头3和标气罐组件4，其中采样探头3包括测量池3.1、窗口片3.2、反射棱镜3.3、射流泵3.4和滤芯3.5，滤芯3.5通过滤芯底座3.6连接在测量池3.1的一端，射流泵3.4安装在滤芯底座3.6上，且射流泵3.4的负压口通过滤芯底座3.6内的负压气路与测量池3.1内部连通使烟气通过滤芯3.5过滤后进入测量池3.1内；反射棱镜3.3安装在测量池3.1内部靠近滤芯底座3.6的一端，窗口片3.2密封安装在测量池3.1的另一端；所述光学组件1包括光源1.1、抛物面反射镜1.2、分光片1.3、光纤1.4和光谱仪1.5，光纤1.4与光谱仪1.5信号相连，如图9所示，抛物面反射镜1.2与窗口片3.2、反射棱镜3.3处于同一水平光路上，分光片1.3倾斜安装在光源1.1与抛物面反射镜1.2之间，且光源1.1位于与上述水平光路垂直的光路上，光纤1.4位于分光片1.3远离光源1.1一侧的分光片1.3反射光路上，光源1.1发射的光线依次通过分光片1.3分光、抛物面反射镜1.2准直后穿过窗口片3.2进入测量池3.1中，反射棱镜3.3将光线反射后再次被抛物面反射镜1.2聚焦并投射到分光片1.3，经过分光片1.3反射的光线被光纤1.4接收并将信号发送至光谱仪1.5进行分析；所述标气罐组件4包括n个不同种类的标气罐4.1和标气罐安装盘4.2，n≥4，各标气罐沿标气罐安装盘4.2周向均匀设置，标气罐安装盘4.2在驱动器的带动下旋转并使各标气罐4.1依次位于测量光路上；测量池3.1外侧设置有标定气管5.1，标定气管5.1的一端通过控制组件2中的标定控制电磁阀2.2连接气源，另一端通过滤芯底座3.6内的负压气路与测量池3.1内部连通；控制组件2还包括控制器2.1和射流控制电磁阀2.3，控制器2.1与光谱仪1.5、驱动器、标定控制电磁阀2.2和射流控制电磁阀2.3信号相连。

本测量装置将测量池直接安装在烟道内，测量时，控制器2.1控制射流控制电磁阀2.3打开，使压缩气进入射流泵3.4，射流泵3.4产生负压，将烟气吸入测量池3.1中，光源1.1发射的光线先透过分光片1.3发射到抛物面反射镜1.2的表面，再经过抛物面反射镜1.2准直成平行光后穿过窗口片3.2射入测量池3.1中，光线穿过测量池3.1中的烟气投射到反射棱镜3.3将光路折回后再重复利用抛物面反射镜1.2将光束聚焦，聚焦后的光线被分光片1.3反射至光纤1.4。分光片1.3可以将反射的光线与光源1.1发出的光线分开，避免干扰测量结果；重复利用抛物面反射镜1.2将发射光线准直并将反射光束聚焦，不仅准直效果好光路具体结构简单，入射光束和反射光束重合，可以极大减小了光路的体积；这种光路结构即使发生一些位置偏移对反射的光线影响极小，因此对各光学结构的安装精度要求低，不容易受到振动影响，使用过程中稳定性强；测量池直接安装在烟道内无冷凝风险，烟气到测量池距离短，响应速度块；零点标定时，控制器2.1控制射流控制电磁阀2.3和标定控制电磁阀2.2均打开，洁净的空气在负压作用下进入测量池3.1进行零点标定；需要量程标定时，控制器2.1控制控制射流控制电磁阀2.3和标定控制电磁阀2.2均关闭，并控制驱动器带动标气罐安装盘4.2旋转，使待标定气体的标气罐4.1位于测量光路上，由于测量腔体充满洁净空气，光线沿预设光路经过待标定气体的标气罐4.1，形成一个特定的吸收光信号，实现待标定气体的量程标定。本实施例中一个标气罐安装盘4.2均匀布设有6个标气罐4.1，即可以实现6种待标定气体的量程标定，无需再通入大量标气依次进行标定，即大量节约了标气，同时大大缩短了标定时间，提高了测量效率。

测量池3.1外侧安装有烟气转接管5.2，所述烟气转接管5.2的一端通过滤芯底座3.6与射流泵3.4的出气口连通，另一端与测量池3.1远离滤芯的一端连通。

如图3和图8所示，射流泵3.4包括射流喷嘴3.4.1和射流底座3.4.2，压缩空气从射流底座3.4.2进入射流喷嘴3.4.1，使射流泵3.4与测量池3.1连通的气路产生负压，烟气依次通过滤芯3.5、滤芯底座3.6被吸入测量池3.1，并从测量池3.1另一端的烟气转接管5.2、滤芯底座3.6、射流底座3.4.2上的出气口排出。

如图9所示，所述分光片1.3相对于垂直光路倾斜45度设置，所述分光片1.3的一面镀有半反半透膜，另一面镀有增透膜。

所述窗口片3.2倾斜安装，倾斜角度为3°。窗口片3.2倾斜安装可以避免未经过测量池3.1的光线进入光纤1.4。

如图2、图3、图5、图9所示，采样探头3还包括探头过渡管3.7，所述探头过渡管3.7与测量池3.1相连，探头过渡管3.7外侧设置有窗口吹扫管5.3，窗口吹扫管5.3一端通过窗口吹扫控制电磁阀2.4与压缩空气连通，另一端与探头过渡管3.7内腔连通，并朝远离窗口片3.2的方向吹扫，控制器2.1与窗口吹扫控制电磁阀2.4信号相连。

控制器2.1打开窗口吹扫控制电磁阀2.4，通过窗口吹扫管5.3向探头过渡管3.7内腔灌入洁净空气，起到吹扫和保护窗口片3.2的作用，避免灰尘进入光路影响测量结果。同时还可以安装烟温传感器，用来测量烟道烟气的温度。

可选的，如图4所示，滤芯底座3.6的一侧安装有连接腔体3.6.1，在连接腔体3.6.1内开设有与测量池3.1连通的气路。

如图2、图3、图9所示，测量池3.1外侧设置有反吹气管5.4，反吹气管5.4的一端通过反吹控制电磁阀2.5与压缩空气连通，另一端通过连接腔体3.6.1、滤芯底座3.6内的反吹气路与滤芯3.5连通，反吹控制电磁阀2.5与控制器2.1信号相连。控制器2.1打开反吹控制电磁阀2.5，压缩空气依次通过反吹气管5.4、反吹气路对探头的滤芯3.5实现定期反吹，去除其表面积累的颗粒物，保持气路畅通防止滤芯3.5被灰尘堵塞。

本实施例中将标定气管5.1和反吹气管5.4集成设置，标定气管5.1和反吹气管5.4分别通过标定控制电磁阀2.2和反吹控制电磁阀2.5连接到洁净的压缩气源上，并通过控制组件2分别控制标定控制电磁阀2.2和反吹控制电磁阀2.5的通断来实现零点标定功能和反吹功能。

探头测量池3.1外侧安装有探头加热器3.8和加热器温度传感器3.9，控制组件2还包括加热器电源2.6。

所述探头加热器3.8可以选用螺旋加热电缆包覆在测量池3.1的外侧，以确保加热均匀。探头加热器3.8用于将测量池3.1加热到一个略高于烟气的温度，并通过加热器温度传感器3.9监测探头加热器3.8的温度，通过控制器2.1和加热器电源2.6实现测量池3.1恒温。

进一步的，采样探头3还包括设置于测量池3.1和探头过渡管3.7外侧的探头外套管3.10，探头外套管3.10外侧设置有射流压缩气预热护套3.11和射流压缩气输送管5.5，射流压缩气输送管5.5与射流泵3.4相连用于对射流泵3.4进行供气。

如图6所示，光学组件1的各部件均安装在一光学箱体内，光学箱体内部具有一个光学箱支架1.6，所述驱动装置为步进电机4.3，光源1.1、抛物面反射镜1.2、分光片1.3、光纤1.4、光谱仪1.5和步进电机4.3均安装在光学箱支架1.6的一侧，标气罐4.1和标气罐安装盘4.2安装在光学箱支架1.6的另一侧，步进电机4.3与标气罐安装盘4.2相连并带动标气罐安装盘4.2转动，步进电机4.3与控制器2.1信号相连以控制任一标气罐4.1位于测量光路上。

如图7所示，控制组件2中的各部件均安装在一控制箱体内。

标定气管5.1、烟气转接管5.2、窗口吹扫管5.3、反吹气管5.4、射流压缩气输送管5.5以及气源共同组成气路组件5。

将测量光路设计在探头中，无需将烟气抽离出烟道，直接在烟道中测量，烟气到测量腔距离短，响应速度快，测量无损耗；使用抛物面反射镜1.2将光源1.1准直射入烟道，利用一片倾斜安装的分光片1.3将光纤1.4位置与光源1.1分开，使用一片倾斜安装的平行窗口片3.2作为测量池3.1的窗口，然后安装一片反射棱镜3.3将光路360°折回，重复利用抛物面反射镜1.2将光束聚焦，光路具体结构简单，减小了光路的体积，对尺寸精度要求低，不容易受到振动影响，稳定性强；通过步进电机4.3可以使任一标气罐4.1处于测量光路上，可自动进行在线量程校准，节约标准气体，可以随时校准，无需额外标气成本；通过标定气管5.1向测量池3.1内通入洁净空气，并通过射流泵3.4和烟气转接管5.2将洁净空气排出，实现测量池3.1内持续充满洁净空气，进行零点校准。

下面对本测量装置的各工作工程进行具体阐述。

测量状态：

a.控制器2.1控制打开射流控制电磁阀2.3，射流压缩气体依次通过射流控制电磁阀2.3、射流压缩器输送管、探头外套管3.10进入射流泵3.4，射流泵3.4与测量池3.1连通的气路上产生负压，烟气依次通过探头滤芯3.5、滤芯底座3.6进入测量池3.1，测量池3.1内的烟气再通过烟气转接管5.2、滤芯底座3.6、射流泵3.4的出气口排出，从而使烟气处于循环流动状态；

b.探头测量池3.1内充满无颗粒物的烟气，光源1.1发射的光线依次通过分光片1.3分光、抛物面反射镜1.2准直后穿过窗口片3.2进入测量池3.1中，反射棱镜3.3将光线反射后再次被抛物面反射镜1.2聚焦并投射到分光片1.3，经过分光片1.3反射的光线被光纤1.4接收并将信号发送至光谱仪1.5进行分析，光谱仪1.5得到光信号之后，转换成电信号，并传送给系统处理。

零点标动状态：

a.射流泵3.4持续工作，同时控制器2.1打开标定控制电磁阀2.2，洁净空气通过标定控制电磁阀2.2、标定气管5.1、滤芯底座3.6内的气路进入测量池3.1中，同时在射流泵3.4负压的作用下，洁净空气再经由烟气转接管5.2、滤芯底座3.6、射流泵3.4的出气口被抽出；

b.探头测量池3.1内充满洁净空气，光源1.1发射的光线依次通过分光片1.3分光、抛物面反射镜1.2准直后穿过窗口片3.2进入测量池3.1中，反射棱镜3.3将光线反射后再次被抛物面反射镜1.2聚焦并投射到分光片1.3，经过分光片1.3反射的光线被光纤1.4接收并将光信号传输至光谱仪1.5，光谱仪1.5得到一个洁净空气的光信号特征再转换成电信号，并传送给系统处理，实现校零。

反吹状态

a.控制器2.1控制射流控制电磁阀2.3和标定控制电磁阀2.2关闭，射流泵3.4停止工作；

b.控制器2.1控制反吹控制电磁阀2.5打开，大量洁净压缩空气依次通过反吹控制电磁阀2.5、反吹气管5.4、滤芯底座3.6内的反气路将压缩气体导向探头滤芯，吹走探头滤芯3.5外侧附着的污染物，确保气路畅通。

量程标定状态

a.控制器2.1控制步进电机4.3驱动标气罐安装盘4.2旋转，将任一待标定气体的标气罐4.1转到测量光路上；

b.控制器2.1控制射流控制电磁阀2.3和标定控制电磁阀2.2打开，洁净空气通过标定控制电磁阀2.2、标定气管5.1、滤芯底座3.6内的气路进入测量池3.1中，同时在射流泵3.4负压的作用下，洁净空气再经由烟气转接管5.2、滤芯底座3.6、射流泵3.4的出气口被抽出使探头测量池3.1内充满洁净空气；

c.光源1.1发射的光线依次通过分光片1.3分光、抛物面反射镜1.2准直后经过上述任一待标定气体的标气罐4.1，再穿过窗口片3.2进入测量池3.1的洁净空气中，反射棱镜3.3将光线反射后再次被抛物面反射镜1.2聚焦并投射到分光片1.3，经过分光片1.3反射的光线被光纤1.4接收形成一个特定的吸收光信号，由于测量池3.1中的洁净空气不会产光线吸收信号，因此光纤1.4接收的信号即为待标定气体的信号特征，从而实现系统量程标定。本装置可以快速完成几种标准气体的量程标定。

本领域内的技术人员应明白，在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。