专利名称：烟气污染物的实时在线检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及大气环境监测，主要用于煤燃烧过程中管道烟气 中多种污染物的实时在线检测。
背景技术：
随着可持续发展的需要和环境保护意识的提高，人类开始普遍关 注大气污染的�：�。最新的科学研究表明煤燃烧产生的烟气是大气 污染的主要污染源，已成为环境治理的主要对象。如何有效控制燃烧 过程和燃烧污染物的排放，己逐渐成为政府部门和科研机构愈加关注 的热点。控制烟气中污染物排放的前提是要知道污染物的成份及含 量，而实时在线的测量，其检测结果可及时发现燃烧过程中出现的问 题，以便及时采取措施，以减少重大污染事件的发生。
目前常用的检测烟气中污染物的方法大多是离线的，代表性的有 电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)和火焰光度分析法。这两 种方法较大地提高了对污染物质的检测精度，但均必须在实验室内完 成，且均需在检测前对样品进行前期处理，因此对检测环境要求严格、 测试周期长，需要耗费大量的人力、物力资源，因而无法在燃烧的过 程中进行实时、有效的控制。目前在线检测污染物成份的装置仅见单
3一元素分析及汽车尾气检测等。例如 一种在线大气汞分析仪(申请 号200510123603.1)只能对单一元素汞进行分析。又如对汽车尾 气进行实时检测用的红外激光检测系统和方法(申请号01141682.3) 可以对汽车尾气是否超标进行实时监测，但是无法判断其污染物的成 份。这些装置均不适合用于煤燃烧过程中烟气多种污染物的实时在线
鉴于以上现实，考虑到烟气成份的复杂性，且其在线监测处于高 温环境中，目前，尚未发现可以对烟气中多种污染物进行现场、实时、 连续检测的装置。 发明内容
本实用新型的目的是提供烟气污染物的实时在线检测装置。该 装置采用激光诱导击穿光谱技术，利用聚焦的高能量激光束将被测烟 气中的物质激发到高能态，它们在回到基态的过程中将辐射出各自的 特征光谱，分析这些光谱的波长和强度，可得到被测烟气中污染物的 成份及其浓度。该装置结构简单，操作方便，能够对烟气中的多种污 染物进行实时、在线、连续的检测。
为了达到上述目的本实用新型采用如下技术方案 烟气污染物的实时在线检测装置由脉冲发生器、脉冲激光器、时 间延时器、透反镜、长焦距聚焦透镜、收光器、光纤、分光计、光电 检测器、A/D转换器和计算机组成。脉冲发生器分别连接脉冲激光器 的外触发端和时间延时器的输入端；在脉冲激光器的激光发射方向顺 序同轴安置透反镜和长聚焦透镜，收光器的接收端安置在透反镜反射方向的同轴位置，收光器的输出端通过光纤与分光计的输入端连接，
分光计的输出端连接到光电检测器的输入端；时间延时器的输出端连 接到光电检测器的另一输入端，光电检测器的输出端连接到A/D转换 器的输入端，A/D转换器的输出端连接到计算机。
本实用新型的工作原理是采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术 这种元素分析方法，该方法出自美国David A.Cremers和Leon J.Radziemski编写的《激光诱导击穿光谱手册》(Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)。它是利用聚焦的高能量激光 束将被测烟气击穿形成高温等离子体，烟气中的各种物质都被激发到 高能态，在高能态回到基态的过程中各种物质将辐射出各自的特征光 谱，通过分析这些光谱的波长和强度，可得到被测烟气中污染物的成 份及其浓度。元素谱线的确定参照美国国家标准和技术研究院(NIST)的 原子光谱标准与技术数据库。根据大量模拟管道烟气测量实验，取污染 物元素的特征谱线如下镁-279.6纳米，铁-404.6纳米，铜-324.8纳米、 铝-309.3纳米、铅-405.8纳米、铬-520.8纳米、汞-253.7纳米、砷-228.8 纳米。
利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，可以实时在线的得到烟气 污染物排放的结果，这些结果可以作为烟气污染物的排放是否符合标 准，燃烧物是否满足要求，以及燃烧过程是否合理的依据。
本实用新型用于烟气中检测镁、铁、铜、铝、铅、铬、汞、砷等 污染物。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点1、 可以同时检测烟气中镁、铁、铜、铝、铅、铬、汞、砷等污
染物及其浓度；
2、 可对烟气中的镁、铁、铜、铝、铅、铬、汞、砷等污染物进 行实时、在线的连续检测；
3、 在检测前不需对待测样品进行前期处理，能及时得到分析结果;
4、 发射和接收装置的共轴设计，能够更容易检测样品的光谱信号；
5、 结构简单，操作方便，适合在煤燃烧烟气管道中使用。
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是用本实用新型检测到的烟气中铅元素405.8纳米特征谱线 的"光谱强度-浓度"的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型作进一步的说明。 如图1所示，烟气污染物的实时在线检测装置由脉冲发生器1、 脉冲激光器2、时间延时器3、透反镜4、长焦距聚焦透镜5、收光器 6、光纤7、分光计8、光电检测器9、 A/D转换器10和计算机ll组 成。脉冲发生器1分别连接脉冲激光器2的外触发端和时间延时器3 的输入端；在脉冲激光器2的激光发射方向顺序同轴安置透反镜4和 长聚焦透镜5 ，收光器6的接收端安置在透反镜4反射方向的同轴位 置，收光器6的输出端通过光纤7与分光计8的输入端连接，分光计 8的输出端连接到光电检测器9的输入端；时间延时器3的输出端连 接到光电检测器9的另一输入端，光电检测器9的输出端连接到A/D转换器10的输入端，A/D转换器10的输出端连接到计算机11。
脉冲激光器2的输出波长为1064纳米，激光能量范围为100 500毫焦。
本实用新型检测烟气污染物的工作过程为烟气污染物的实时在 线检测装置的安置要满足使长聚焦透镜5的焦点位于烟气的取样点处 的要求，打开该装置后，脉冲发生器l同时给脉冲激光器2和时间延 时器3发出脉冲信号，脉冲激光器2的外触发端收到一个脉冲信号， 脉冲激光器2就发出一个脉冲激光，脉冲激光经透反镜4与长聚焦透 镜5后，聚焦到烟气上，烟气被聚焦的高能量激光束击穿形成高温等 离子体，烟气中的各种物质将被激发到高能态，在上一个脉冲激光与 下一个脉冲激光之间，高能态的各种物质将回到基态，在此过程中， 各种物质会辐射出各自的特征光谱，这些特征光谱反射到长聚焦透镜 5后，经透反镜4反射，进入收光器6 ，再经光纤7传导到分光计8 ， 分光计8对光信号分光，再传入光电检测器9，与此同时，与脉冲发 生器1激发该脉冲激光同时发出的另一个脉冲信号经时间延时器3 正好到达光电检测器9，触发光电检测器9开门采集，并将采集到的
光信号转换成电信号，电信号经A/D转换器10把模拟信号转为数字 信号，导入计算机ll分析处理。计算机ll将得到的烟气样品激光诱 导击穿光谱，根据所得原子发射光谱特征光谱线，分析判断其样品内 污染物的成份，再根据各特征谱线的强度计算出该物质所含的浓度。
发射光谱定量分析的基本公式为罗马金 一 赛伯 (Lomakin~Scheibe)公式信号，导入计算机ll分析处理。计算机ll将得到的烟气样品激光诱 导击穿光谱，根据所得原子发射光谱特征光谱线，分析判断其样品内 污染物的成份，再根据各特征谱线的强度计算出该物质所含的浓度。 发射光谱定量分析的基本公式为罗马金一赛伯
(Lomakin—Scheibe)公式
/ = aC6
式中/为谱线强度，"为常数，属于系统误差，与硬件系统参数
和环境因素等相关，6称为自吸收系数，与元素的含量相关，C为元
素的浓度。对上式取对数，则得
lg/ = 61gC + lga
上式表明，在实验条件稳定的情况下，谱线强度对数lg/与等离 子体中元素含量得对数lgC成线性关系。因此，当元素浓度c已知时，
测量谱线强度/，便可得到常数"。当常数"确定后，通过测量谱线谱 线强度/，便可得到所测元素的含量，这就是发射光谱定量分析的基
本原理。
图2是用本实用新型检测到的烟气中铅元素405.8纳米特征谱线 的"光谱强度-浓度"的曲线图。其中，横坐标为元素含量的对数lgC， 纵坐标为谱线强度对数lg/，线性度0.99，斜率0.41，即自吸收系数 为0.41。
权利要求1、烟气污染物的实时在线检测装置，其特征在于，该装置由脉冲发生器(1)、脉冲激光器(2)、时间延时器(3)、透反镜(4)、长焦距聚焦透镜(5)、收光器(6)、光纤(7)、分光计(8)、光电检测器(9)、A/D转换器(10)和计算机(11)组成；脉冲发生器(1)分别连接脉冲激光器(2)的外触发端和时间延时器(3)的输入端；在脉冲激光器(2)的激光发射方向顺序同轴安置透反镜(4)和长聚焦透镜(5)，收光器(6)的接收端安置在透反镜(4)反射方向的同轴位置，收光器(6)的输出端通过光纤(7)与分光计(8)的输入端连接，分光计(8)的输出端连接到光电检测器(9)的输入端；时间延时器(3)的输出端连接到光电检测器(9)的另一输入端，光电检测器(9)的输出端连接到A/D转换器(10)的输入端，A/D转换器(10)的输出端连接到计算机(11)。
2、根据权利要求1所述的烟气污染物的实时在线检测装置，其 特征在于，所述脉冲激光器(2)的输出波长为1064纳米，激光能量 为100-500毫焦。
专利摘要本实用新型公开了烟气污染物的实时在线检测装置，涉及大气环境监测。该装置由脉冲发生器(1)、脉冲激光器(2)、时间延时器(3)、透反镜(4)、长焦距聚焦透镜(5)、收光器(6)、光纤(7)、分光计(8)、光电检测器(9)、A/D转换器(10)和计算机(11)组成。本实用新型利用聚焦的高能量激光束将烟气中的物质激发到高能态，在高能态回到基态的过程中各种物质将辐射出各自的特征光谱，通过分析这些光谱可得到被测烟气中镁、铁、铜、铝、铅、铬、汞、砷等污染物的成份及其浓度。优点是结构简单，方法可靠，操作方便，适合对煤燃烧过程中管道烟气进行实时、在线的连续检测。
文档编号G01N21/63GK201152851SQ200820065698
公开日2008年11月19日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者孙奉娄, 宋述燕, 张文艳, 林兆祥 申请人:中南民族大学
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