專利名稱：煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種利用光學(xué)和光譜學(xué)技術(shù)對氣體濃度進行測量的光學(xué)系統(tǒng)，作為光信號傳輸物理通道的光學(xué)系統(tǒng)是煙氣濃度分析儀的核心和關(guān)鍵部分，它的信噪比和光傳輸效率很大程度上直接決定了整個分析儀的信噪比、靈敏度和測量準(zhǔn)確度等關(guān)鍵指標(biāo)。
背景技術(shù)：
煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS, Continuous Emission Monitoring System)是指導(dǎo)電廠脫硫、脫硝系統(tǒng)閉環(huán)運行的重要監(jiān)控設(shè)備，同時又是煙氣排放的重要監(jiān)測設(shè)備。隨著我國節(jié)能減排工作的不斷推進，氣態(tài)污染物中S02、N0X, NH3等的排放濃度越來越低，原來基于紅外吸收光譜技術(shù)的適用于低濕、高硫的直接抽取冷干法很難適應(yīng)目前的高濕、低硫的工況。20世紀(jì)70年代末由德國海德堡大學(xué)Platt. U等人提出的，作為直接測量法中較 有代表性的差分吸收光譜法(Differential Optical Absorption Spectroscopy, D0AS)在大氣痕量氣體濃度監(jiān)測和污染源煙氣排放濃度的直接測量中獲得了成功而廣泛的應(yīng)用?；谧贤獠罘治展庾V技術(shù)的煙氣濃度分析儀，光學(xué)系統(tǒng)是其中的核心和關(guān)鍵部分，它的靈敏度、信噪比等很大程度上決定了分析儀的靈敏度、信噪比和測量準(zhǔn)確度等關(guān)鍵指標(biāo)。煙氣濃度直接測量系統(tǒng)安裝于脫硫脫硝前后以及污染源的排放口如煙囪或煙道等，由于被測對象通常和其它干擾氣體以及粉塵等共存，因此系統(tǒng)對發(fā)射光束和返回光束的能量有一定的要求；且由于現(xiàn)場存在振動、高溫等因素的影響，要求系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。目前，此類分析儀器大多采用折射式和折反式光學(xué)系統(tǒng)。由于系統(tǒng)所用光源一般為氣燈(190-410 nm)或氣燈(200-1100 nm),光源福射波段較寬,對于同時要求傳輸寬波段光束又具有較高能量的折射式或折反式系統(tǒng)，必須進行色差校正；此外，能透過紫外光線的材料很少，再加上現(xiàn)場的振動和高溫等因素，折射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計會比較復(fù)雜。折射式光學(xué)系統(tǒng)常選用CaF2來進行色差校正，由于其材料柔軟易碎，對溫度的適用性差，加工具有一定的難度；同時系統(tǒng)要具有較高的能量，必須使用不同材料的光學(xué)原件消色差，系統(tǒng)復(fù)雜、加工成本較高且系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得不到保證。由于折射式或折反式系統(tǒng)存在以上缺點，有必要對現(xiàn)有煙氣濃度分析儀的光學(xué)系統(tǒng)進行創(chuàng)新設(shè)計。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有煙氣濃度分析儀光學(xué)系統(tǒng)信噪比和靈敏度低，穩(wěn)定性和可靠性差的缺點，提供一種煙氣分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)拋物面反射鏡的準(zhǔn)直特性，即在理想情況下，焦點出射的光束經(jīng)拋物面反射后嚴(yán)格平行的特點，通過三面直角棱鏡、分光鏡(單面鍍反射膜)、離軸拋物面反射鏡合理的空間布置和結(jié)構(gòu)及尺寸優(yōu)化，本實用新型設(shè)計一種無色差的全反射式光學(xué)系統(tǒng)。與相同原理的煙氣濃度測量系統(tǒng)相比，基于該光學(xué)系統(tǒng)的煙氣濃度分析儀具有較高的靈敏度、測量準(zhǔn)確度和可靠性，同時具有較好的穩(wěn)定性。尤其是在光源的輻射光強較弱或被測氣體濃度較高的情況下，系統(tǒng)的靈敏度和測量準(zhǔn)確度也顯著提高；同時，高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計也相對延長了光源的有效使用時間。本實用新型的具體技術(shù)解決方案如下一種煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、測量光反射鏡、參考光反射鏡、光譜儀和活動遮光板，其特征是該系統(tǒng)還包括第一(準(zhǔn)直)離軸拋物面反射鏡和第二 (聚焦)離軸拋物面反射鏡，其中第一離軸拋物面反射鏡與測量光反射鏡相對設(shè)置形成測量光路，且測量光反射鏡的中心對稱軸與第一離軸拋物面反射鏡的光軸重合；其中第二離軸拋物面反射鏡與參考光反射鏡相對設(shè)置形成參考光路，且參考光反射鏡的中心對稱軸與第二離軸拋物面反射鏡的光軸重合；第一離軸拋物面反射鏡的光軸與第二離軸拋物面反射鏡的光軸垂直相交，并在交·點右側(cè)的測量光路上設(shè)有煙氣通道；一分光鏡置于第一、第二離軸拋物面反射鏡兩光軸交點處，并設(shè)在第一、第二離軸拋物面反射鏡的一半光路上(上部)；第二離軸拋物面反射鏡的光軸與該分光鏡夾角呈45°，參考光反射鏡的中心對稱軸與該分光鏡夾角呈135° ；所述活動遮光板活動設(shè)于第一和第二離軸拋物面的另一半光路上(下部)；所述光源位于第一離軸拋物面反射鏡的焦點上，一光纖入射端位于第二離軸拋物面反射鏡的焦點處，該光纖的出射端連接光譜儀。本實用新型的進一步設(shè)計在于，所述分光鏡迎著第一離軸拋物面反射鏡的面單面鍍有反射膜。所述分光鏡位于第一、第二離軸拋物面反射鏡兩光軸交點處一側(cè)的邊緣設(shè)有45°倒角，該倒角朝向測量光反射鏡。所述測量光反射鏡、第一離軸拋物面反射鏡、參考光反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡的口徑大小均相同。所述活動遮光板為弧形擋板，并連接在一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上。所述測量光反射鏡和參考光反射鏡均采用三面直角棱鏡。本實用新型的技術(shù)效果如下I、本實用新型煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，使光源發(fā)出的光束有一半可進入了參考光路，另一半可進入了測量光路；2、系統(tǒng)采用全反射設(shè)計，光束準(zhǔn)直部分采用離軸拋物面反射鏡，從理論上實現(xiàn)了無色差，從而使光源發(fā)出的光束能夠得到很好的準(zhǔn)直，避免了折射系統(tǒng)由于色差校正困難，光束發(fā)散而導(dǎo)致的光束傳播過程中的能量損失，準(zhǔn)直后，光源輻射的光能量有一半進入了參考光路，另一半進入了測量光路；3、與折射式或折反式系統(tǒng)相比，在相同光源輻照強度下，通過本系統(tǒng)的光能量大大提高，系統(tǒng)靈敏度增加；4、系統(tǒng)信噪比等于接收的有用光強信號與噪聲的均方根之比，在積分時間和平均次數(shù)相同條件下，探測器噪聲相同，光強越大，系統(tǒng)信噪比越高，系統(tǒng)的測量精度也就越聞;5、利用離軸拋物面反射鏡的準(zhǔn)直特性，本實用新型采用全反射光學(xué)系統(tǒng)來解決紫外寬波段折射式或折反式光學(xué)系統(tǒng)色差大和透紫外波段材料很少的問題。在相同光源的輻射強度下，使用靈敏度高的光學(xué)系統(tǒng)進入光電探測器的光強要遠(yuǎn)高于一般的光學(xué)系統(tǒng)，提高了煙氣分析儀的靈敏度和信噪比，使得儀器的測量準(zhǔn)確度得到提高。光學(xué)系統(tǒng)靈敏度的提高，也相對“延長” 了光源的使用壽命。

圖I為本實用新型煙氣濃度分析儀全反射式光路設(shè)計示意圖，其中擋板所處位置A和位置B分別處于測量光路和參考光路。圖I中，I、光源；2、燈泡玻璃壁面；3、第一離軸拋物面反射鏡；4、第一離軸拋物面反射鏡主軸；5、分光鏡；6、參考光反射鏡；7、測量光反射鏡；8、第二離軸拋物面反射鏡；9、第二離軸拋物面反射鏡主軸；10、光纖；11、活動擋板；12、光譜儀；13、煙氣通道。
具體實施方式
實例一如圖I所示，本實用新型的煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，在第一離軸拋物面反射鏡光軸和第二離軸拋物面反射鏡中光軸相交組成的平面內(nèi)，第四象限有一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動一活動擋板在參考光路和測量光路之間進行切換。其中，第四象限的角平分線將該象限分成了擋板所處的A、B兩個位置，位置A處于測量光路，位置B處于參考光路。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心通過旋轉(zhuǎn)電磁鐵的得電和失電帶動擋板在位置A和位置B兩個位置進行切換，從而實現(xiàn)了參考光和測量光的分時測量。第一、第二離軸拋物面反射鏡和分光鏡5均以石英材料做為基底，第一、第二離軸拋物反射面外表面鍍紫外高反射膜，分光鏡5迎著第一離軸拋物面反射鏡的那一面鍍單面紫外高反射膜，目的是為了盡量減小雙面鍍膜差異引起的反射光光譜結(jié)構(gòu)差異。分光鏡5與第一離軸拋物面反射鏡3的光軸呈α角，大小為45°，與參考光反射鏡中心對稱軸呈β角，大小為135°，并且處于第一離軸拋物面反射鏡光軸和第二離軸拋物面反射鏡光軸相交處的分光鏡邊緣，成45°刀口狀，刀口朝向測量光反射鏡。參考光反射鏡6 (或測量光反射鏡7)為三面直角棱鏡,具有三個直角面和一個圓形面，是依據(jù)臨界角原理制造的內(nèi)部全反射棱鏡。垂直入射棱鏡表面的平行光，在棱鏡內(nèi)部經(jīng)過全反射后，將被按原光路高效的反射回去。本實用新型的光譜儀12為光電探測器，它將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號?？稍俳?jīng)過處理單元將信號連到計算機，最后在計算機上輸出全波段的光譜圖。光纖10為芯徑600 μ m、數(shù)值孔徑為O. 22的高透紫外光纖，光纖兩端均為SMA905標(biāo)準(zhǔn)接頭?；顒訐醢?1為具有一定寬度和高度的圓弧形薄片，在旋轉(zhuǎn)電磁鐵的帶動下實現(xiàn)了參考光和測量光的切換。圖I中，系統(tǒng)以第一離軸拋物面反射鏡3所在光軸為系統(tǒng)的橫向主光軸，以第二離軸拋物面反射鏡8所在光軸為系統(tǒng)的縱向主光軸。光源I發(fā)出的光經(jīng)第一離軸拋物面反射鏡3準(zhǔn)直成平行光，平行光經(jīng)分光鏡5后其中有一半光束穿過被測量對象后垂直進入測量光反射鏡7，測量光反射鏡7的中心對稱軸與第一離軸拋物面反射鏡3的光軸重合。測量光反射鏡7又稱為三面直角棱鏡，其特點是有三個直角面，光線在其內(nèi)部經(jīng)全反射后沿入射光反方向出射。光源I發(fā)射光束的另一半平行光沿與分光鏡5法線成45°入射，反射光為平行光且與入射光成90°。在分光鏡5迎著光源這一側(cè)的反射光路上有一參考光反射鏡6,沿參考光反射鏡6中心對稱軸在分光鏡5的另一側(cè)有離軸拋物面8，參考光反射鏡6中心對稱軸與第二離軸拋物面反射鏡8的光軸重合。本實用新型的工作過程如下本實用新型中所用光源為氘燈，發(fā)光點的大小為O. 5_。氘燈光源I發(fā)出的直徑30 mm光束先經(jīng)第一離軸拋物面反射鏡3準(zhǔn)直變成平行光，該平行光束經(jīng)過分光鏡5后按能量平均變成兩束光一束為直徑42. 5mm的半圓形平行光束(測量光)，沿原光路方向經(jīng)過被測對象垂直入射測量光路上測量光反射鏡7的半圓面，進入測量光反射鏡7的光線在其內(nèi)部經(jīng)過全反射后，與入射光成180°從測量光反射鏡7的另外一個半圓面出射至分光鏡5未鍍高反膜的那一側(cè)表面，然后照射到高反膜上，經(jīng)過反射后的平行光束進入第二離軸拋物面反射鏡8聚焦，光線聚焦后進入透紫外的石英光纖，通過光纖的傳導(dǎo)作用再進入光譜·儀12。光譜儀12載有煙氣濃度的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，可再經(jīng)過一系列處理后變成數(shù)字量送入裝有煙氣濃度測量軟件的計算機；另一路直徑同樣為42. 5mm的半圓形平行光束(參考光)直接入射到分光鏡5鍍高反膜的那一側(cè)表面，經(jīng)反射后光線垂直入射參考光反射鏡6的半圓面，在參考光反射鏡6內(nèi)部經(jīng)全反射后，與入射光成180°從參考光反射鏡6的另外一個半圓面沿與第二離軸拋物面反射鏡8光軸平行的方向入射至第二離軸拋物面反射鏡8，平行光線經(jīng)第二離軸拋物面反射8聚焦后進入透紫外的石英光纖，通過光纖將不包含任何被測對象濃度信息的參考光送入光譜儀。利用該參考光進行煙氣濃度計算的同時能判斷光源的使用壽命。對于某一時刻，光學(xué)系統(tǒng)中只能有一路光路是通的，即參考光和測量光不能同時存在。根據(jù)需要控制旋轉(zhuǎn)電磁鐵帶動活動擋板在圖I中的位置A和位置B進行切換，從而實現(xiàn)了利用單一探測器對參考光和測量光進行的分時測量。應(yīng)用實例一根據(jù)圖1，本實用新型其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘述如下本實用新型中所用氘燈光源發(fā)光點的大小為O. 5mm，燈泡壁厚為1mm，光源輻射波段范圍為190 410nm。光源發(fā)光點置于第一離軸拋物面反射鏡3的焦點上，即位于第一離軸拋物面反射鏡3所在拋物面反射鏡的頂點水平距離為100_的位置，第一離軸拋物面反射鏡3的半徑為200mm，離軸量為77. 5mm，第一離軸拋物面反射鏡3的孔徑角為20. 33°，大于所用氘燈的發(fā)散角，能有效的接受氘燈的輻射能量。第二離軸拋物面反射鏡8的半徑為240mm，離軸量為75mm，光纖接口置于第二離軸拋物面反射鏡8的焦點上，即位于第二離軸拋物面反射鏡8所在拋物面的頂點水平距離為120mm的位置，第一離軸拋物面反射鏡3的數(shù)值孔徑為O. 172，小于接收光纖的數(shù)值孔徑，能有效的接受光的能量。本系統(tǒng)中分光鏡4為一矩形石英平板,其中長為64_、寬為43_、厚為4_。為了盡量消除由于分光鏡4鍍膜造成的參考光譜與吸收光譜結(jié)構(gòu)上的差異，分光鏡5迎著光源的那個面單面鍍反射膜。處于第一離軸拋物面反射鏡光軸上的分光鏡5的邊緣處成45°斜角，分光鏡5與光源側(cè)第一離軸拋物面反射鏡光軸成45°夾角，且分光鏡5處于第一離軸拋物面反射鏡光軸的上方。參考光反射鏡6的大面直徑為85mm，高度為63. 75mm，光束偏轉(zhuǎn)角為180°，材料為JGSl。測量光反射鏡7的大面直徑為85mm，高度為63. 75mm，光束偏轉(zhuǎn)角和材料與參考光反射鏡6相同。在第一離軸拋物面反射鏡3和第二離軸拋物面反射鏡 8光軸相交處，有一旋轉(zhuǎn)電磁鐵帶動活動擋板11圍繞該點轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為45°，活動擋板的高度為88mm,寬度為5. 31mm,為該圓周的八分之一。
權(quán)利要求1.一種煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括光源、測量光反射鏡、參考光反射鏡、光譜儀和活動遮光板，其特征是該系統(tǒng)還包括第一離軸拋物面反射鏡和第二離軸拋物面反射鏡， 其中第一離軸拋物面反射鏡與測量光反射鏡相對設(shè)置形成測量光路，且測量光反射鏡的中心對稱軸與第一離軸拋物面反射鏡的光軸重合； 其中第二離軸拋物面反射鏡與參考光反射鏡相對設(shè)置形成參考光路，且參考光反射鏡的中心對稱軸與第二離軸拋物面反射鏡的光軸重合； 第一離軸拋物面反射鏡的光軸與第二離軸拋物面反射鏡的光軸垂直相交，并在交點右側(cè)的測量光路上設(shè)有煙氣通道；一分光鏡置于第一、第二離軸拋物面反射鏡兩光軸交點處，并設(shè)在第一、第二離軸拋物面反射鏡的一半光路上；第一離軸拋物面反射鏡的光軸與該分光鏡夾角呈45°，參考光反射鏡的中心對稱軸與該分光鏡夾角呈135° ； 所述活動遮光板活動設(shè)于第一和第二離軸拋物面的另一半光路上； 所述光源位于第一離軸拋物面反射鏡的焦點上，一光纖入射端位于第二離軸拋物面反射鏡的焦點處，該光纖的出射端連接光譜儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述分光鏡迎著第一離軸拋物面反射鏡的面單面鍍有反射膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述分光鏡位于第一、第二離軸拋物面反射鏡兩光軸交點處一側(cè)的邊緣設(shè)有45°倒角，該倒角朝向測量光反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述測量光反射鏡、第一離軸拋物面反射鏡、參考光反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡的口徑大小均相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述活動遮光板為弧形擋板，并連接在一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述測量光反射鏡和參考光反射鏡均采用三面直角棱鏡。
專利摘要本實用新型針對現(xiàn)有煙氣濃度分析儀光學(xué)系統(tǒng)靈敏度和信噪比低，穩(wěn)定性和可靠性差的缺點，提供一種煙氣濃度分析儀全反射式光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括光源、測量光反射鏡、參考光反射鏡、光譜儀和活動遮光板，該系統(tǒng)還包括第一(準(zhǔn)直)離軸拋物面反射鏡和第二(聚焦)離軸拋物面反射鏡，其中第一離軸拋物面反射鏡與測量光反射鏡相對設(shè)置形成測量光路，且測量光反射鏡中心對稱軸與第一離軸拋物面反射鏡的光軸重合；其中第二離軸拋物面反射鏡與參考光反射鏡相對設(shè)置形成參考光路，且參考光反射鏡的中心對稱軸與第二離軸拋物面反射鏡的光軸重合。該系統(tǒng)還設(shè)有分光鏡和光纖。
文檔編號G01N21/33GK202693470SQ20122038546
公開日2013年1月23日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者湯光華, 李利, 陳祥, 陳書建, 武善磊, 成佳慧, 張西謀, 孔紅兵 申請人:南京國電環(huán)?？萍加邢薰?br>