一种用于SO3光谱测量系统中光程池的设计

王英爽 齐汝宾 郑安平 刘群群

（郑州轻工业学院电气信息工程学院 郑州 450002）

1 引言

SO3是火力发电产生的主要污染物之一，目前发电厂所使用的催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）装置中，一定程度上会产生强刺激、强腐蚀性的SO3气体，并且能与少量的逃逸氨反应形成硫酸铵或者酸氢铵，引起预热器堵塞，从而影响机组运行。另一方面，烟气管道中SO3的排放是造成酸雨的主要原因。光谱测量法是检测SO3的最新型方法［1］，基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术，运用QCL（Quality Class Level，QCL）量子级联激光器，使激光在光程池内实现多次反射，因而能够直接对烟气中的SO3进行快速高效的检测。此方法展现出了灵敏度高、选择性好、实时性强、环境适应能力强等优点。

而在实际应用过程中，根据SO3的化学特性和中红外激光不易观测的特点，采用以往的光程池结构会出现光路不稳定难校准、光程较短、镜面易粘结腐蚀问题。因此需要设计出一种新型光程池，本文基于Herriott池结构设计［2］，通过建立中红外激光光源，选用耐腐蚀、高反射率膜，设计合理的结构参数，然后利用仿真软件进行光线追迹，设计出了一种适用于SO3中红外检测系统的光程池，克服了以往的不足，达到了预期的效果。

2 SO3光谱测量系统简介

根据激光吸收光谱技术原理［3］，由QCL量子级联激光器发出的中红外光，在光程池经过多次反射，通过探测出射光强度的变化，与入射光强度作比较分析，得出气体成分和浓度。根据SO3的化学性质，在温度为315℃～370℃左右时，SO3与水蒸气形成气态硫酸［4］，因此光程池需要增加辅热装置和压力传感器，控制温度范围使其呈现出气体状态。设计采用加热装置与腔体分离，便于拆卸同时也避免了对光路的影响，系统结构原理如图1所示。

图1 TDLAS技术原理图

朗伯-比尔定律是激光吸收光谱技术的理论基础，它表述为［5］

其中：δ(λ)为待检测入射光强度；I(λ)为输出的光强度；I0(λ)为气体分子对波长λ的光吸收截面；C为待测气体浓度；R为镜面的反射率；N为光束在怀特池中反射的总次数；L为光程。作为主要参数浓度C和光程L，对于痕量气体的检测，要满足光程足够长，这样光谱中才能携带足够的信息，出射光强也能达到检测器的要求，从而才能获得有用的信号。因此这是光程池设计的重要数据。

3 光程池反射镜设计

3.1 模型设计

在 Herriott池的结构基础上［6］，利用两块共轴放置等焦距球凹面镜组成一个谐振腔。采用反射镜焦距为250mm、半径为50mm、腔长为250mm的共焦腔结构。在入射镜A上选取合适的位置开孔，作为光线的进口和出口。在出口方向建立探测器面板来模拟光电探测器，用于检测出射光光强。如图2所示。

图2 反射镜模型

3.2 光源的建立

为了减少SO3吸收光谱带处的交叉干扰，经查阅文献［7］，并且利用Hitran谱库中吸收线位置、强度、展宽系数等数据，计算得出SO3的吸收光谱带为中红外7μm左右处，在Tracepro仿真软件中建立激光光源，本文优先采用使用适用于边界确定平面的格点光源，发光形式采用圆形高斯分布光源，光斑直径3mm，环数为100，光束的光通量为20mW，如图3所示。

图3 光束能量高斯分布图

在光线能量恒定的情况下，根据共焦腔设计原理，通过改变光源的入射方向，从而来确定最佳入射光线的方向来获得更多的反射次数。光源位置选择在镜面开孔处，如图4所示。

3.3 反射镜膜的选取

反射镜是光程池最核心的部分，激光主要依靠反射镜进行多次反射穿过气体。根据朗伯-比尔定律可得，更长光程的光程有利于对气体成分及浓度实现精确的测量，光束每反射一次都会有能量的损耗，而影响激光反射率的就是表面所镀的金属膜种类。不同波长下金属膜的反射效率也有所不同，利用镀金属膜可以大大地提高反射率［8］。在实际应用中获得很好的效果。

在比较了几种高反射率金属 Ag、Au、Cu、Al、Rh在中红外7μm处的反射特性后，发现Ag、Au、Cu在Au中红外波段都展现出了较好的反射效率［9］，根据SO3易形成硫酸蒸汽的特性，综合考虑选取同等波长下反射率最高且抗硫酸腐蚀效果较好的Au作为金属反射膜。

4 系统仿真结果分析

4.1 光路结构分析及光程

光路结构的稳定性是影响光程池工作的重要因素，除了外部材料的隔振性能，还要考虑光路光线传输的波动性。入射光源的入射角度和位置都能影响这光路的稳定和光程，光线太密，光线之间容易产生干涉，致使光能量损失。光线稀疏，不能达到一定的光程，从而导致灵敏度降低。所以要综合考虑这两方面的因素，设计出光程较长且光线传输分布均匀的光路结构。

在设置完光源，反射表面属性等条件后，经Tracepro软件进行光线追迹后如图5所示，稀疏程度适中，光线较多，能量集中。反射次数越多，能量衰减越多。

图5 光线追迹图

反射镜面的辐照图，如图6所示，光斑大小均匀没有重叠，分布为近似的圆形。根据Herriott池光程计算方法，反射次数N与镜上光点数n和腔长L之间的关系为［10］

在辐照图中可以清晰的看到，光束在镜面上有23个光斑点，经计算在0.25m腔长的基础上得出了11.5m的长光程。

图6 反射镜面光斑分布图

4.2 光路反射效率分析

本文所设置的光源，在环数为100的情况下，光束的总能量为20mW，光束传输过程的光通量报告，如表1所示。

表1 入射镜、反射镜、探测器光能量损耗报告

由表2可以看出，光线在入射镜面、反射镜面都表现出了较高的反射率，在经出光口的探测器接受后发现，入射光束在经过45次的镜面反射后，能量衰减到10.43mW，为入射光强的52%，能量较高，属于光电探测器的检测范围［10］。

5 结语

本文提出了一种针对SO3光谱检测方法的中红外光程池的设计，根据SO3的化学特性，从光程池的结构上提出了要具有辅助加热装置，以及镜面的抗腐蚀性、耐擦拭性。光路基于Herriott池结构原理，在分析不同金属反射膜对反射率的影响后，选取金作为金属反射膜，经仿真运行在0.25m的池长基础上实现了11.5m的长光程。由于中红外激光属于人眼不可见范围，在实际应用中需要搭建辅助光路来进行调解，并且容易产生误差，光路的仿真运行可以便捷地模拟出光路结构及传输路径，便于现场校准。因此该光程池具有体积小，光程长，光路稳定易校准，抗腐蚀性强等特点，设计满足SO3现场检测要求。