一种浓度自适应调控的烟气雾滴粒径与浓度在线测量器的制作方法

1.本实用新型属于多相流测量领域，具体涉及一种浓度自适应调控的烟气雾滴粒径与浓度在线测量器。


背景技术：

2.近年来，随着环保力度不断地加大、减排措施不断地完善和落实，工业污染物的排放得到了有效地控制。特别的，针对颗粒粉尘等类似污染物的排放控制逐渐加强。在燃煤电厂、工业锅炉等具有大量烟气排放的应用场景中，这类污染物的排放标准处于超低限度。但在具体应用场景中，实际的颗粒物浓度随着系统运行状况的变化会不断的变化，某些情况下可能超标，处于超高的浓度水平。这对测量技术提出了严格的要求，不仅需要其能够测量超低颗粒浓度；同时，还要求其能够测量过高的浓度水平。例如，在达标情况下，在燃煤电厂脱硫塔除雾器后方的烟气雾滴浓度小于75mg/nm3，对于雾滴脱出效果良好的机组，烟气雾滴浓度可能处于30mg/nm3以下的水准。而在脱硫塔除雾器运行故障的情况下，烟气雾滴浓度可能超过10000mg/nm3浓度水平。其高低浓度跨度非常大，一般的测量仪器无法覆盖这样的浓度测量区间。
3.过高的浓度，一般可以采用稀释的方法来降低单位体积气体中的颗粒浓度。但对于低浓度的情况，特别是超低颗粒浓度，对测量的有效性提出了挑战。过低的颗粒浓度使得仪器，在长时间的连续监测中，存在无效检测的状况。对于具有较大数据处理量的技术来说，颗粒浓度过低会使测量的有效性和快速大打折扣。例如，数字全息测量技术，该技术在多相流颗粒的测量应用中，具有较强的实用性。在几微米这个测量尺度上，全息技术中通常会采用放大镜头来增大分辨率，与此同时，其测量空间也大大缩小。当颗粒浓度过低时，单次拍摄的图像很可能无法捕捉到颗粒，因此这张图片属于无效的信息。全息图像的处理比较耗时，如果测量过程中，多数图像没有拍摄到颗粒，将使得数据处理过程中多数时间在处理无效信号，测量的有效性和速度都无法得到充分地保证。
4.同时，有些光学、电学等方法也存在由于颗粒浓度过低，而无法开展测量的问题。例如，光脉动法，该方法通过建立光强衰减程度与颗粒粒径之间的关系来实现颗粒粒径计算以及浓度统计，获得颗粒粒径分布。当颗粒浓度非常低时，即单位体积内颗粒的数量十分有限，探测器就无法观测到明显的光强衰减或者仅能观测到间断的光强衰减。在这样的情况下，该方法则无法通过光强衰减曲线来有效地反演颗粒粒径。
5.综上所述，为解决现有的技术问题，本实用新型设计了一种浓度自适应调控的烟气雾滴粒径与浓度在线测量器，首先采用电学方法对被测区域的烟气雾滴颗粒浓度进行调整，之后采用数字全息测量方法对颗粒进行测量。


技术实现要素：

6.本实用新型为解决现有的技术问题，设计了一种浓度自适应调控的烟气雾滴粒径与浓度在线测量器，首先采用电学方法对被测区域的烟气雾滴颗粒浓度进行调整，之后采
用数字全息测量方法对颗粒进行测量。
7.本实用新型的目的可通过以下技术方案来实现：
8.一种浓度自适应调控的烟气雾滴粒径与浓度在线测量器，包括：
9.全息光路组件、激光发射臂、信号接收臂、连接臂、颗粒浓度调整组件；
10.所述信号接收臂的上端通过连接臂连接在激光发射臂的下端，所述颗粒浓度调整组件设置在连接臂的侧边，所述连接臂中部设有测量区域，所述测量区域与颗粒浓度调整组件连通。
11.进一步的，所述全息光路组件包括激光器、空间滤波器、准直透镜、镜头、相机，所述空间滤波器包括显微物镜、光学针孔，所述显微物镜设置在光学针孔上方。
12.进一步的，所述激光发射臂包括激光发射臂外壳、激光同轴固定件，所述激光器、空间滤波器、准直透镜设置在激光发射臂外壳内，所述激光器设置在激光发生臂外壳的上部，所述空间滤波器设置在激光器下方，所述准直透镜设置在空间滤波器下方，所述显微物镜设置在xyz位移调节件上，所述光学针孔设置在xy位移调节件上，所述准直透镜设置在激光同轴固定件上，所述激光器、xyz位移调节件、xy位移调节件、激光同轴固定件通过固定杆连接。
13.进一步的，所述信号接收臂包括信号接收臂外壳、相机同轴固定件，所述镜头、相机设置在信号接收臂外壳内，所述相机设置在信号接收臂外壳下部，所述镜头设置在相机上方，所述镜头、相机通过相机同轴固定件与信号接收臂外壳连接。
14.进一步的，所述颗粒浓度调整组件包括电离区侧壁电压板、富集区电压板、电离区中部电压板，所述电离区侧壁电压板平行且对称地设置在颗粒浓度调整组件左端的两侧，所述电离区中部电压板设置在颗粒浓度调整组件左端的中部，所述富集区电压板平行且对称地设置在颗粒浓度调整组件右端的两侧且与电离区侧壁电压板连接，所述电离区侧壁电压板的左端、电离区中部电压板的左端围合成气体进口流道，所述富集区电压板中部围合成富集区流道，所述富集区电压板远离电离区侧壁电压板的一端围合成气体出口流道。所述颗粒浓度调整组件中，其电离区侧壁电压板与电离区中部电压板带有相同极性的电压，用于产生自由电荷，电离区侧壁电压板与电离区中部电压板之间为电离区；富集区电压板之间为富集区富集区电压板带有与电离区电压板电极性相反的电压，富集区电压板、富集区流道构成了富集区，荷电烟气雾滴颗粒在富集区电压板所产生的电场作用下，向富集区流道的中部位置运动，汇聚在中部位置。
15.进一步的，所述电离区中部电压板左端为钝体结构，优选为三角形结构。钝体结构作用是使气流在富集区产生湍流。由于不同粒径大小的带电烟气雾滴颗粒在电场作用下的运动情况不一致，大粒径烟气雾滴颗粒可能运动的较慢，烟气雾滴颗粒粒径可能存在区域性特征。因此，设置钝体结构的障碍物可以在一定程度上消除这种区域性。
16.烟气从颗粒浓度调整组件的气体进口流道进入颗粒浓度调整组件后，气流中的烟气雾滴颗粒与电离区的自由电荷结合。荷电烟气雾滴颗粒在富集区电场的引导下运动并汇聚在局部区域，使局部区域的烟气雾滴颗粒浓度提高。其后，烟气从颗粒浓度调整组件的气体出口流道流出，进入测量区域。激光器发出单色激光，经过滤波和准直后，平行的准直激光照射测量区域，烟气雾滴颗粒的散射光与透射的准直激光干涉产生全息图像，这一全息图像被相机所记录，并传输至计算机中进行处理，进而得到烟气雾滴颗粒的粒径、浓度信
息。
17.相比现有技术，本实用新型结构设置合理：实现了对烟气雾滴颗粒浓度的动态调整，使后续的数字全息测量设备能够对不同浓度的颗粒场开展更为有效的测量工作，大大扩展了数字全息技术的浓度适用范围，提高了数字全息测量技术在大颗粒浓度跨度测量应用中的有效性。
附图说明
18.图1为本在线测量器整体示意图；
19.图2为本在线测量器剖面图；
20.图3为本在线测量器结构示意图；
21.图4为颗粒浓度调整组件结构示意图；
22.图5为颗粒浓度调整组件通过气流颗粒示意图；
23.参见图1至图5，其中：1、激光发射臂；2、信号接收臂；3、连接臂；4、颗粒浓度调整组件；5、测量区域；6、气体进口流道；7、电离区侧壁电压板；8、富集区电压板；9、电离区中部电压板；10、富集区流道；11、气体出口流道；12、气流中的颗粒；13、激光器；14、显微物镜；15、光学针孔；16、准直透镜；17、镜头；18、相机；19、信号接收臂外壳；20、相机同轴固定件；21、激光同轴固定件；22、xy位移调整件；23、xyz位移调整件；24、固定杆；25、激光发射臂外壳。
具体实施方式
24.下面结合实施例，对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.一种浓度自适应调控的烟气雾滴粒径与浓度在线测量器，包括：
27.全息光路组件、激光发射臂1、信号接收臂2、连接臂3、颗粒浓度调整组件4；
28.所述信号接收臂2的上端通过连接臂3连接在激光发射臂1的下端，所述颗粒浓度调整组件4设置在连接臂3的侧边，所述连接臂3中部设有测量区域5，所述测量区域5与颗粒浓度调整组件4连通。
29.优选的，所述全息光路组件包括激光器13、空间滤波器、准直透镜16、镜头17、相机18，所述空间滤波器包括显微物镜14、光学针孔15，所述显微物镜14设置在光学针孔15上方。
30.优选的，所述激光发射臂1包括激光发射臂外壳25、激光同轴固定件21，所述激光
器13、空间滤波器、准直透镜16设置在激光发射臂外壳25内，所述激光器13设置在激光发生臂外壳25的上部，所述空间滤波器设置在激光器13下方，所述准直透镜16设置在空间滤波器下方，所述显微物镜14设置在xyz位移调节件23上，所述光学针孔15设置在xy位移调节件22上，所述准直透镜16设置在激光同轴固定件21上，所述激光器13、xyz位移调节件23、xy位移调节件22、激光同轴固定件21通过固定杆24连接。
31.优选的，所述信号接收臂2包括信号接收臂外壳19、相机同轴固定件20，所述镜头17、相机18设置在信号接收臂外壳19内，所述相机18设置在信号接收臂外壳19下部，所述镜头17设置在相机18上方，所述镜头17、相机18通过相机同轴固定件20与信号接收臂外壳19连接。
32.优选的，所述颗粒浓度调整组件4包括电离区侧壁电压板7、富集区电压板8、电离区中部电压板9，所述电离区侧壁电压板7平行且对称地设置在颗粒浓度调整组件4左端的两侧，所述电离区中部电压板9设置在颗粒浓度调整组件4左端的中部，所述富集区电压板8平行且对称地设置在颗粒浓度调整组件4右端的两侧且与电离区侧壁电压板7连接，所述的电离区侧壁电压板7的左端、电离区中部电压板9的左端围合成气体进口流道6，所述富集区电压板8中部围合成富集区流道10，所述富集区电压板8远离电离区侧壁电压板7的一端围合成气体出口流道11。
33.优选的，所述电离区中部电压板9左端为钝体结构，优选为三角形结构。
34.本实用新型的工作流程是：低颗粒浓度烟气从装置的气体进口流道6进入装置。电离区侧壁电压板7及电离区中部电压板9构成了电离区。向电离区侧壁电压板7及电离区中部电压板9施加正电，增大电压到一定程度，使气体进口流道6处的空气被电离，产生负电荷。当烟气从气体进口流道6进入装置时，负电荷附着在烟气中的雾滴颗粒上，使雾滴颗粒带有负电荷。富集区电压板8与电压板中间的富集区流道10构成了富集区。向富集区电压板8施加一定大小的负电压，但不会使电压板中间的空气发生电离。当带有负电荷的雾滴颗粒流经富集区流道10时，受到富集区电压板8上的电压的作用，向中间区域汇集。由于气体的流动基本不受外部电场的影响，因此流道内的气体运动并未发生明显的变化。因此，在气体出口流道11的中部位置，气流的雾滴颗粒浓度大大提高，实现了雾滴颗粒的富集。经过浓度调整后的烟气从颗粒浓度调整组件的气体出口流道11流出后进入测量区域5。激光器13发出一束单色激光经过由显微物镜14和光学针孔15所组成的空间滤波器滤波；其后，经过透镜16后，形成平行的激光束。该平行光束照射测量区域5中流经的气流。被烟气雾滴颗粒阻挡的平行光束与颗粒相互作用，形成全息成像中的物光波；未于烟气雾滴颗粒相互作用的光，则直接穿过测量区域，作为全息成像中的参考光波。物光波与参考光波被布置于前方的镜头17所收集，并在相机18的靶面上相互干涉，并形成全息图。全息图像经过数据传输线缆传输至外部计算机处理，得到烟气雾滴颗粒的粒径、浓度等信息，完成测量过程。
35.本实施例中，电离区侧壁电压板7及电离区中部电压板9上带有同种极性的电压，可以同为正电压或者负电压。电压强度应满足可以产生足够的自由电子。由于电子扩散以及附着与气流的速度、气流颗粒浓度相关，因此电离区的电压强度可以根据上述气流速度、颗粒浓度来进行调整。
36.本实施例中，电离区侧壁电压板7及电离区中部电压板7的长度可以根据烟气雾滴颗粒荷电效果进行调整。
37.本实施例中，富集区电压板8所带的电极与电离区侧壁电压板7及电离区中部电压板9所带的电压相反。其电压大小则可以根据烟气雾滴颗粒的富集效果进行调整。
38.本实施例中，电离区中部电压板9为三角形的钝体结构，作用是使气流在富集区产生湍流。由于不同粒径大小的带电烟气雾滴颗粒在电场作用下的运动情况不一致，大粒径烟气雾滴颗粒可能运动的较慢，因此富集区的烟气雾滴颗粒粒径可能存在区域性特征，影响后续的测量。同时设置钝体结构的障碍物，可以气流在经过障碍物时产生湍流，进而在一定程度上增加内部烟气雾滴颗粒的均匀性。
39.本实施例中，xy位移调整件22装载光学针孔15，可以实现光学针孔15在横向纵向两个方向上的调整；xyz位移调整件23装载显微物镜14，可以实现显微物镜14在横向纵向深度方向三个方向上的调整；通过调整xy位移调整件22、xyz位移调整件23的来调整光学针孔14与显微物镜15的位置，以对激光器13所发出的激光进行良好的滤波；根据激光器13的光束参数，可以选取不同的光学针孔以及显微物镜组成合适的空间滤波器。
40.本实施例中，激光器13、光学针孔14、显微物镜15、镜头17、相机18在调整后为同轴结构。所述的同轴结构，指的是激光器13发出的激光经过滤波、扩束后，垂直照射到相机18的靶面上。
41.本文中所描述的仅为本实用新型的优选实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此。本实用新型所属领域的技术人员对所描述的具体实施例进行的修改或补充或采用类似的方式替换，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。