專利名稱：激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光診斷和測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)入爐煤進(jìn)行在線快速分析的裝置。
背景技術(shù)：
燃煤電廠的基建投資、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、以及對(duì)環(huán)境影響等，在很大程度上與煤質(zhì)有關(guān)。在火力發(fā)電成本中，煤炭費(fèi)用占80％。因此，了解和研究煤質(zhì)諸因素對(duì)燃煤電廠的影響是至關(guān)重要的。離線的煤質(zhì)分析方法有氣相色譜法、液相色譜法、質(zhì)譜法、火焰光度分析法和ICP-AES等一些光譜化學(xué)分析手段。這些離線的煤質(zhì)測量方法，從采樣、制樣到檢驗(yàn)結(jié)果的報(bào)出一般需要幾個(gè)小時(shí)。檢測結(jié)果嚴(yán)重滯后于鍋爐燃燒，這不僅在一定程度上造成了能源的浪費(fèi)，而且無法在線實(shí)時(shí)指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行。離線的煤質(zhì)分析方法已經(jīng)很難滿足火電廠煤炭檢測技術(shù)發(fā)展的要求，采用先進(jìn)、快速的分析手段已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，特別是研發(fā)出有效的煤質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，使檢測結(jié)果直接反饋到鍋爐燃燒的運(yùn)行控制中心，指導(dǎo)鍋爐燃燒優(yōu)化運(yùn)行，根據(jù)煤質(zhì)變化，及時(shí)調(diào)整鍋爐燃燒過程，實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐的高效低污染運(yùn)行，成為火電廠煤炭檢測技術(shù)發(fā)展的方向。目前，在線的煤質(zhì)測量方法有X射線熒光光譜、雙能量γ射線透射法、快中子和γ射線吸收法等。但X射線熒光光譜只適合分析原子量為13的鋁和原子量為92的鈾之間的元素。雙能γ射線透射法最大的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴、安全隱患大。目前，一臺(tái)Gamma-Metrics公司的在線煤質(zhì)分析儀的價(jià)格約400萬人民幣左右；而且，γ射線的對(duì)人體的危害很大。另外，γ射線煤質(zhì)分析儀的γ射線源和γ射線接收器是分開的兩個(gè)獨(dú)立的部分，給工業(yè)安裝也提供了困難。
激光感生擊穿光譜技術(shù)具有高檢測靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)在線測量，一次光譜可測量多種組分，不干擾被測對(duì)象，測量對(duì)象可以是氣體、液體、也可以是固體。相對(duì)與前面提到的煤質(zhì)在線分析方法，它可大幅度降低設(shè)備成本，結(jié)構(gòu)緊湊，發(fā)射源和接收、檢測部分不分離，利于工業(yè)安裝，并且可以做成便攜式。使用安全、簡單，不存在像γ射線等帶來的安全隱患。以J.P.Singh等人為代表的研究者對(duì)激光感生擊穿光譜進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)方框圖見圖1。
圖1中，帶箭頭的實(shí)線為光源發(fā)射光，帶箭頭的虛線為等離子體發(fā)射光。等離子體的發(fā)射光經(jīng)光纖傳輸?shù)絾紊珒x分光后，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理。分光鏡使波長為532nm的光反射到反光鏡、使波長為1064nm的光透射后被擋光板吸收。以上實(shí)驗(yàn)中對(duì)于固體樣品，需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行溶樣處理，然后用滴管將濃度為1000μg/ml的溶樣100μl滴到炭棒的頂端，溶樣在炭棒的表面蒸發(fā)成氣態(tài)后與激光作用產(chǎn)生等離子體。樣品池的旋轉(zhuǎn)用一個(gè)外接的尼龍螺絲人為控制。該實(shí)驗(yàn)方法主要是用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，不適合工業(yè)在線應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀，解決目前燃煤電廠對(duì)煤樣在線快速分析的問題；針對(duì)少數(shù)燃煤電廠進(jìn)口的煤質(zhì)在線測量儀器一一Gamma-Metrics公司的在線煤質(zhì)分析儀價(jià)格昂貴、體積巨大的問題，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)型的煤質(zhì)在線快速分析儀。
本實(shí)用新型的一種激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀，包括取樣部分和分析部分，分析部分包括光源系統(tǒng)、由單色儀或多色儀構(gòu)成的分光系統(tǒng)、由脈沖發(fā)生器和時(shí)間延時(shí)器組成的時(shí)序控制系統(tǒng)和由檢測器和分析采集卡組成的采集分析系統(tǒng)；光源系統(tǒng)包括激光器和倍頻器，取樣部分產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光路上裝有聚集透鏡，將等離子體發(fā)光聚集在分光系統(tǒng)，分光系統(tǒng)出光口安裝檢測器，后者與分析采集卡電信號(hào)連接，脈沖發(fā)生器輸出信號(hào)分別作為激光器和時(shí)間延遲器的輸入信號(hào)，時(shí)間延遲器延遲信號(hào)輸出控制檢測器，其特征在于(1)所述取樣部分由旋風(fēng)分離器和裝設(shè)在其下方的石英分析池組成，在使用時(shí)、石英分析池從旋風(fēng)分離器取下后固定于由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的分析池固定臺(tái)上；(2)所述光源系統(tǒng)激光器出射光口裝載有濾波片，出射光路上與之成45°角裝有平面鏡，對(duì)應(yīng)該平面鏡與出射光路垂直沒有凸透鏡，凸透鏡焦點(diǎn)處為所述石英分析池；所述的激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀，所述分析采集卡可以裝設(shè)于單片機(jī)或嵌入式計(jì)算機(jī)中并與顯示器相連。
本實(shí)用新型的有益效果是利用旋風(fēng)分離器從磨煤機(jī)出口直接取煤樣，不需要對(duì)煤樣進(jìn)行破碎、磨粉、溶解等再處理；樣品直接落入分析池；裝有樣品的分析池固定在激光感生擊穿光譜分析儀中進(jìn)行快速分析；直接分析出入爐煤的元素種類及其濃度值。本實(shí)用新型在激光器的出射光口安裝有一個(gè)濾波片，濾掉波長為1064nm的原始光，出射的532nm的激光直接經(jīng)反射鏡反射到聚焦透鏡上；本實(shí)用新型中激光發(fā)射光的方向與接收等離子體發(fā)射光的方向垂直，這樣能最有效地去除激光光源的影響，而圖1所示的方框圖中二者的方向是水平的；為了使儀器緊湊，本實(shí)用新型中等離子體的發(fā)射光經(jīng)聚焦后直接入射到單色儀的入射狹縫，不需要通過光纖傳輸，減少光損耗；同時(shí)本實(shí)用新型的分析池平臺(tái)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以保證測量對(duì)象的激光照射點(diǎn)的均勻性，提高了測量的準(zhǔn)確性。
該裝置可以一次同時(shí)測量煤中的主量元素、大部分次量元素和少數(shù)痕量元素；取樣和測量時(shí)間小于5分鐘；裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于工業(yè)安裝。該裝置適用于對(duì)火力發(fā)電廠燃煤鍋爐的入爐煤進(jìn)行在線快速分析。


圖1現(xiàn)有技術(shù)方框圖，圖2本實(shí)用新型的安裝位置圖，圖3本實(shí)用新型的取樣部分示意圖，圖4本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5本實(shí)用新型的各組成部分方框圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本實(shí)用新型的取樣部分安裝在燃煤電廠的煤粉通過給粉機(jī)進(jìn)入燃燒器前見圖2中的黑點(diǎn)1指示處；圖3所示本實(shí)用新型的取樣部分包括兩個(gè)部分小型的旋風(fēng)分離器2和石英分析池3。利用一個(gè)小型的旋風(fēng)分離器2取出5-10克的粉煤，落入石英分析池3的粉煤作為分析對(duì)象。
如圖4和圖5所示， 整個(gè)裝置分為兩層第一層和第二層。在說明分析測量的具體過程前，先介紹該裝置中的一個(gè)機(jī)械控制部分石英分析池2固定在該裝置的分析部分的分析池固定臺(tái)11上，分析池固定平臺(tái)11由一個(gè)馬達(dá)13驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)13的旋轉(zhuǎn)頻率為1-5轉(zhuǎn)/分鐘，以保證每個(gè)激光脈沖照射到煤樣品的點(diǎn)不同。另外，馬達(dá)13位于裝置的第一層，驅(qū)動(dòng)固定于第二層平臺(tái)上的分析池固定臺(tái)11旋轉(zhuǎn)；裝置中的其它器件固定于第二層或裝置壁面。
激光感生擊穿光譜煤質(zhì)在線分析儀的主體部分——分析部分，主要包括由激光器5和倍頻器6組成的光源系統(tǒng)、多色儀10組成的分光系統(tǒng)、脈沖發(fā)生器15和時(shí)間延遲器16組成的時(shí)序控制系統(tǒng)、由檢測器(ICCD)12和分析采集卡14組成采集分析系統(tǒng)的四部分組成。
強(qiáng)脈沖的激光器5作為光源，激光器以NdYAG激光器為主，也可以是準(zhǔn)分子激光器、紅寶石激光器等。在此以NdYAG激光器為例說明具體的實(shí)施方式。激光器5的脈沖頻率為5～20Hz、脈沖寬度為5～10ns、脈沖峰值能量為100～300mJ、激光波長為1064nm。激光器5出光前加一個(gè)KDP型的倍頻器6使出射激光波長為532nm。在激光器的出光口加載一個(gè)濾波片，去掉波長為1064nm的光，出射的波長為532nm的激光經(jīng)過平面鏡7反射后照射到凸透鏡8上，平面鏡7與入射光成45o放置，反射的激光經(jīng)焦距為5cm的凸透鏡8聚焦后激光聚焦到分析池中的煤樣品上，分析池的內(nèi)表面為凸透鏡8的焦點(diǎn)處，聚焦點(diǎn)的煤樣品迅速電離產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體。平面鏡7和凸透鏡8的連接軸線與凸透鏡8和聚焦透鏡9之間的連接軸線垂直，聚焦透鏡9與分析池的內(nèi)表面距離為5cm。等離子體發(fā)出的光用焦距為5cm的聚焦透鏡9聚焦到分光系統(tǒng)——多色儀10的入口，多色儀采用SpectraPro 300i或500i等型號(hào)的多色儀，選用1200～2400g/mm的光柵，分辨率為0.05～0.1nm。多色儀分光后使混合光成為按波長排列的一系列的單色光。在多色儀的出光口安裝多通道的檢測器(ICCD)12進(jìn)行檢測，ICCD選用PI·MAX1024RB型。然后利用單片機(jī)(或嵌入式計(jì)算機(jī))14分析ICCD輸出的數(shù)字信號(hào)，最后得到光譜信息。
另外，由于等離子體的背景連續(xù)輻射很強(qiáng)，會(huì)湮沒光譜的有效特征譜線，要捕捉有效的光譜信號(hào)，必須有一個(gè)時(shí)序控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由一個(gè)脈沖發(fā)生器15和DG535型時(shí)間延遲發(fā)生器16構(gòu)成。單片機(jī)(或嵌入式計(jì)算機(jī))14發(fā)出一個(gè)信號(hào)作為脈沖發(fā)生器15的輸入信號(hào)使脈沖發(fā)生器15動(dòng)作，脈沖發(fā)生器15的兩個(gè)輸出信號(hào)分別作為激光器5和時(shí)間延遲發(fā)生器16的輸入信號(hào)，激光器5接到脈沖信號(hào)后發(fā)出激光照射到樣品上使樣品電離發(fā)光；時(shí)間延遲發(fā)生器16接到脈沖信號(hào)后，根據(jù)設(shè)定的延遲時(shí)間(一般為5～20μs)得到延遲信號(hào)輸出，輸出的延遲信號(hào)控制檢測器12開始檢測，有效地屏蔽掉等離子體的背景輻射。檢測器12的檢測信號(hào)通過單片機(jī)(或嵌入式計(jì)算機(jī))14得到有效的光譜圖。根據(jù)獲得的光譜圖特征譜線波長得出所分析的元素種類；然后，通過定標(biāo)曲線，對(duì)應(yīng)譜線的強(qiáng)度就表示分析元素的濃度，從而達(dá)到元素分析的目的。另外，單片機(jī)14(或嵌入式計(jì)算機(jī))可以直接與顯示器4相連，顯示器4為操作人員的控制界面和分析結(jié)果的顯示界面；電源模塊17提供儀器電源，與外接電源相連。
權(quán)利要求1.一種激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀，包括取樣部分和分析部分，分析部分包括光源系統(tǒng)、由單色儀或多色儀構(gòu)成的分光系統(tǒng)、由脈沖發(fā)生器和時(shí)間延時(shí)器組成的時(shí)序控制系統(tǒng)和由檢測器和分析采集卡組成的采集分析系統(tǒng)；光源系統(tǒng)包括激光器和倍頻器，取樣部分產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光路上裝有聚集透鏡，將等離子體發(fā)光聚集在分光系統(tǒng)，分光系統(tǒng)出光口安裝檢測器，后者與分析采集卡電信號(hào)連接，脈沖發(fā)生器輸出信號(hào)分別作為激光器和時(shí)間延遲器的輸入信號(hào)，時(shí)間延遲器延遲信號(hào)輸出控制檢測器，其特征在于(1)所述取樣部分由旋風(fēng)分離器和裝設(shè)在其下方的石英分析池組成，在使用時(shí)、石英分析池從旋風(fēng)分離器取下后固定于由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的分析池固定臺(tái)上；(2)所述光源系統(tǒng)激光器出射光口裝載有濾波片，出射光路上與之成45°角裝有平面鏡，對(duì)應(yīng)該平面鏡與出射光路垂直沒有凸透鏡，凸透鏡焦點(diǎn)處為所述石英分析池；
2.如權(quán)利要求1所述的激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀，其特征在于所述分析采集卡裝設(shè)于單片機(jī)或嵌入式計(jì)算機(jī)中并與顯示器相連。
專利摘要激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀，屬于激光診斷和測量技術(shù)領(lǐng)域，用于解決煤樣在線快速分析的問題。本實(shí)用新型包括取樣部分和分析部分，分析部分包括光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、時(shí)序控制系統(tǒng)和采集分析系統(tǒng)；取樣部分由旋風(fēng)分離器和裝設(shè)在其下方的石英分析池組成，使用時(shí)石英分析池從旋風(fēng)分離器取下后固定于由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的分析池固定臺(tái)上，所述光源系統(tǒng)激光器出射光口裝載有濾波片，出射光路上與之成45°角裝有平面鏡，對(duì)應(yīng)該平面鏡與出射光路垂直設(shè)有凸透鏡，其焦點(diǎn)處為石英分析池。該裝置可以在線一次同時(shí)測量煤中的主量元素、大部分次量元素和少數(shù)痕量元素；取樣和測量時(shí)間小于5分鐘；裝置結(jié)構(gòu)緊湊、工業(yè)安裝方便、體積小?？梢越鉀Q目前燃煤電廠對(duì)煤樣在線快速分析的問題，并克服進(jìn)口的煤質(zhì)在線測量儀器價(jià)格昂貴、體積巨大的問題。
文檔編號(hào)G01N21/71GK2627499SQ0325488
公開日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2003年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者陸繼東, 余亮英, 沈凱, 吳戈, 劉剛 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)