阅读说明：本技术 气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构、装置及应用 (Receiving and transmitting same-side light path structure, device and application of multiband detection for gas monitoring ) 是由 吴边 张乐文 张志荣 孙鹏帅 庞涛 夏滑 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及工业加热炉炉内气体氛围的在线监测技术领域,具体地说,涉及一种气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构、装置及应用。该光路结构包括激光收发单元和全角反射单元,激光收发单元用于产生发射光以及用于接收经全角反射单元反射后的反射光。该装置包括用于设置激光收发单元的激光发射接收筒和用于设置全角反射单元的反射镜固定筒。该应用将激光发射接收筒和反射镜固定筒相配合地设于加热炉侧壁处,以对加热炉内的气体氛围进行在线原位检测。本发明通过利用全角反射镜使发射光原路返回的特点,能够增加了一倍的检测光程,故能够较佳地提高监测精度；通过运用分光镜的半透半反原理,能够较佳地实现多组分气体的同时在线监测。(The invention relates to the technical field of on-line monitoring of gas atmosphere in an industrial heating furnace, in particular to a receiving and transmitting same-side light path structure for multi-band detection for gas monitoring, a device and application. The light path structure comprises a laser transceiving unit and a full-angle reflecting unit, wherein the laser transceiving unit is used for generating emitted light and receiving reflected light reflected by the full-angle reflecting unit. The device comprises a laser transmitting and receiving cylinder for arranging a laser transmitting and receiving unit and a reflector fixing cylinder for arranging a full-angle reflecting unit. The application is characterized in that the laser transmitting and receiving cylinder and the reflector fixing cylinder are arranged on the side wall of the heating furnace in a matching manner so as to carry out online in-situ detection on the gas atmosphere in the heating furnace. The invention can increase the detection optical path by one time by utilizing the characteristic that the total-angle reflector returns the original path of the emitted light, thereby better improving the monitoring precision; by applying the semi-transparent and semi-reflective principle of the spectroscope, the simultaneous online monitoring of the multi-component gas can be better realized.)

气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构、装置及应用

技术领域

本发明涉及工业加热炉炉内气体氛围的在线监测技术领域，具体地说，涉及一种气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构、装置及应用。

背景技术

钢铁的冶炼过程，实质上是原材料、燃料和成品的流转过程。在流转中会伴随着大量的气体产生，而在线检测分析这些过程中产生的气体是冶金工业生产工艺优化控制、安全和环保监控必不可少的关键技术之一，这对降低能源消耗、保证生产安全等均起着十分重要的作用。

其中，加热炉是钢坯生产过程中的关键技术设备，其对产品的质量和产量、节能、降耗、减排及生产成本控制等多个方面均有较大影响。故就钢铁行业而言，加热炉的最优化控制对保障产品质量、节能减排至关重要。但传统的燃烧控制中，由于无法实时在线地获取炉内气体浓度(如O₂、CO、CO₂及H₂O等)这项关键参数，故只能凭借人为经验进行燃烧配比控制，这样会存在很大的误差，轻则导致燃烧不充分造成能耗提高，重则会对所生产的钢坯产品质量造成影响。

目前，在工业加热炉上原位安装的各类气体监测仪器，大都是抽取式或收发分离的对射式装置，这两类监测仪器均有其不足之处。其中，抽取式气体监测仪器只能对抽取点的样本气体进行监测，无法对加热炉内部空间的气体进行探测。其中，收发分离的对射式装置在吸收光程上受到单光程吸收的限制，进而影响炉内气体探测精度。而且，这两种装置只能探测一种气体，无法满足加热炉内多组分气体在线探测的需求。

发明内容

本发明提供了一种气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构，其包括激光收发单元和全角反射单元，激光收发单元用于产生发射光以及用于接收经全角反射单元反射后的反射光；

激光收发单元包括探头聚焦透镜，探头聚焦透镜采用平凸型聚焦透镜；探头聚焦透镜中部设有通孔，通孔内自平面侧至凸面侧依次设有激光输出头、光纤准直器和扩束镜；激光输出头、光纤准直器和扩束镜共同构成发射光路，激光输出头用于输出2种波段的发射光；

激光收发单元还包括设于探头聚焦透镜的平面侧处设有分光镜、第一光电探头和第二光电探头；

全角反射单元包括全角反射镜，全角反射镜、分光镜、第一光电探头和第二光电探头构成反射光路；

全角反射镜用于将发射光路处的发射光反射至探头聚焦透镜的凸面侧处，聚焦透镜用于将全角反射镜的反射光聚焦至分光镜处；分光镜用于对所述2种波段的发射光的反射光进行分离，其中一路分离光经分光镜透射至第一光电探头处，其中另一路分离光反射至第二光电探头处。

通过本发明中的收发同侧光路结构使得，传感器主机能够通过多个光纤激光器输出不同波段的激光，所输出的激光能够传输至激光输出头处，并经光纤准直器的准直和扩束镜的扩束后形成发射光平行射出，之后发射光能够经过气体探测区域并经全角反射镜反射后形成反射光，反射光有所扩展后沿原路返回并经聚焦透镜聚焦后输出至分光镜处，分光镜能够对反射光进行分离，进而将不同波段的光分别输出至第一光电探头和第二光电探头处进而转换为电信号，传感器主机通过对第一光电探头和第二光电探头处的信号的采集，即可较佳地获取探测信号。

作为优选，所述2种波段的发射光包括用于检测CO气体的第一发射光和用于检测O₂气体的第二发射光，分光镜通过镀膜用于对第一发射光的波段进行透射、对第二发射光的波段进行反射。从而能够较佳地实现对多组分气体的同时在线监测。

本发明还提供了一种基于任一上述收发同侧光路结构的收发同侧光路装置，其中，激光收发单元设于一激光发射接收筒内，全角反射单元设于一反射镜固定筒内。从而能够较佳地实现对激光收发单元和全角反射单元的封装。

作为优选，激光发射接收筒的一端设有连通内腔的第一开口，第一开口的端面形成内壁设有螺纹的第一安装沉孔，探头聚焦透镜凸面侧朝外地通过探头聚焦透镜锁紧环设于第一安装沉孔处，探头聚焦透镜锁紧环与第一安装沉孔内壁螺纹配合。进而能够较佳地实现对探头聚焦透镜的封装。

作为优选，激光发射接收筒的另一端设有连通内腔的第二开口，第二开口处***有分光镜筒；分光镜倾斜设于分光镜筒的内端处，第一光电探头设于分光镜筒的外端处。进而能够较佳地设置分光镜。

作为优选，分光镜筒的外端设有第二安装沉孔，第二安装沉孔内通过接收调节锁紧套设有接收调节孔套；接收调节孔套处设有一接收小孔套，第一光电探头通过第一探头固定架设于所述一接收小孔套处。从而能够较佳地便于第一光电探头的安装。

作为优选，激光发射接收筒的侧壁处设有安装通孔，安装通孔处设有另一接收小孔套，第二光电探头通过第二探头固定架设于所述另一接收小孔套处。从而能够较佳地实现对第二光电探头的安装。

作为优选，激光发射接收筒外端设有光纤法兰接口和探测器信号输出接口，光纤法兰接口与探头聚焦透镜的光纤耦合器相连接，探测器信号输出接口与第一光电探头和第二光电探头相连接。通过设置光纤法兰接口和探测器信号输出接口，能够较佳地便于信号传输线的接线。

作为优选，激光发射接收筒和反射镜固定筒的内端处均设有保护单元，保护单元包括耐高温石英窗片，耐高温石英窗片通过石英窗片固定环设于一窗片密封筒处；窗片密封筒通过调节机构与激光发射接收筒或反射镜固定筒连接。通过设置耐高温石英窗片，能够较佳地对激光发射接收筒内的激光收发单元进行保护。且耐高温石英窗片能够倾斜设于窗片密封筒处，故能够较佳地避免镜面反射光对探测光路的干扰。另外，通过设置石英窗片固定环，能够较佳地对耐高温石英窗片进行固定，进而能够有效地防止耐高温石英窗片的滑落或抖动，从而能够较佳地保证光路的稳定。

本发明还提供了一种基于中任一上述的收发同侧光路装置在加热炉中的应用，其将激光发射接收筒和反射镜固定筒相配合地设于加热炉侧壁处，以对加热炉内的气体氛围进行在线原位检测。

本发明中，通过采用加热炉原位安装的方式，能够较佳地实现原位探测的目的；通过利用全角反射镜使发射光原路返回的特点，能够增加了一倍的检测光程，故能够较佳地提高监测精度；通过运用分光镜的半透半反原理，能够较佳地实现多组分气体的同时在线监测。

附图说明

图1为实施例1中的收发同侧光路装置的结构示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

结合图1所示，本实施例中提供了一种气体监测用多波段探测的收发同侧光路结构，其包括激光收发单元和全角反射单元，激光收发单元用于产生发射光以及用于接收经全角反射单元反射后的反射光；

激光收发单元包括探头聚焦透镜1，探头聚焦透镜1采用平凸型聚焦透镜；探头聚焦透镜1中部设有通孔，通孔内自平面侧至凸面侧依次设有激光输出头5、光纤准直器6和扩束镜7；激光输出头5、光纤准直器6和扩束镜7共同构成发射光路，激光输出头5用于输出2种波段的发射光；

激光收发单元还包括设于探头聚焦透镜1的平面侧处设有分光镜2、第一光电探头3和第二光电探头4；

全角反射单元包括全角反射镜11，全角反射镜11、分光镜2、第一光电探头3和第二光电探头4构成反射光路；

全角反射镜11用于将发射光路处的发射光反射至探头聚焦透镜1的凸面侧处，聚焦透镜1用于将全角反射镜11的反射光聚焦至分光镜2处；分光镜2用于对所述2种波段的发射光的反射光进行分离，其中一路分离光经分光镜2透射至第一光电探头3处，其中另一路分离光反射至第二光电探头4处。

通过本实施例中的收发同侧光路结构使得，传感器主机能够通过多个光纤激光器输出不同波段的激光，所输出的激光能够传输至激光输出头5处，并经光纤准直器6的准直和扩束镜7的扩束后形成发射光平行射出，之后发射光能够经过气体探测区域并经全角反射镜11反射后形成反射光，反射光有所扩展后沿原路返回并经聚焦透镜1聚焦后输出至分光镜2处，分光镜2能够对反射光进行分离，进而将不同波段的光分别输出至第一光电探头3和第二光电探头4处进而转换为电信号，传感器主机通过对第一光电探头3和第二光电探头4处的信号的采集，即可较佳地获取探测信号。

本实施例中，通过采用全角反射镜11对探测光进行反射，使得探测光能够两次经过相同气体探测区域，故使得有效吸收光程能够增加一倍，从而能够较佳地提升探测数据的精确性。

本实施例中，通过采用分光镜2，使得探测光能够包含多波段的激光，进而能够较佳地实现多波段光谱的同时探测。

本实施例中，所述2种波段的发射光包括用于检测CO气体的第一发射光和用于检测O₂气体的第二发射光，分光镜2通过镀膜用于对第一发射光的波段进行透射、对第二发射光的波段进行反射。从而能够较佳地实现对多组分气体的同时在线监测。

基于本实施例中的收发同侧光路结构，本实施例还提供了一种收发同侧光路装置。其中，激光收发单元设于一激光发射接收筒8内，全角反射单元设于一反射镜固定筒12内。从而能够较佳地实现对激光收发单元和全角反射单元的封装。

本实施例中，激光发射接收筒8的内端设有连通内腔的第一开口，第一开口的端面形成内壁设有螺纹的第一安装沉孔，探头聚焦透镜1凸面侧朝外地通过探头聚焦透镜锁紧环19设于第一安装沉孔处，探头聚焦透镜锁紧环19与第一安装沉孔内壁螺纹配合。进而能够较佳地实现对探头聚焦透镜1的封装。

本实施例中，激光发射接收筒8的外端设有连通内腔的第二开口，第二开口处***有分光镜筒13；分光镜2倾斜设于分光镜筒13的内端处，第一光电探头3设于分光镜筒13的外端处。进而能够较佳地设置分光镜2。

本实施例中，激光发射接收筒8用于发射激光的一端为内端，另外一端为外端。

其中，第二开口部的内壁处设有一环形安装凸起，分光镜筒13用于与环形安装凸起的配合部处设有O型密封垫圈。从而能够较佳防止异物进入激光发射接收筒8的内腔，进而能够有效地保证激光发射接收筒8内光路的不受干扰。

其中，环形安装凸起与第二开口部的端部间能够现成配合槽，分光镜筒13处能够设有用于完全嵌入配合槽内的配合部，从而使得整体结构更为紧凑。

本实施例中，分光镜筒13的外端设有第二安装沉孔，第二安装沉孔内通过接收调节锁紧套15设有接收调节孔套14；接收调节孔套14处设有一接收小孔套16，第一光电探头3通过第一探头固定架17设于所述一接收小孔套16处。从而能够较佳地便于第一光电探头3的安装。

本实施例中，接收调节锁紧套15为圆环状，且其外壁通过螺纹与第二安装沉孔内壁配合。其中，接收调节孔套14的外径小于第二安装沉孔的内径，从而能够较佳地便于对接收调节孔套14的位置进行上下左右的调节，进而能够较佳地便于对接收调节孔套14中部通孔的位置进行调节，从而能够较佳地校正第一光电探头3的位置。

本实施例中，激光发射接收筒8的侧壁处设有安装通孔，安装通孔处设有另一接收小孔套16，第二光电探头4通过第二探头固定架18设于所述另一接收小孔套16处。从而能够较佳地实现对第二光电探头4的安装。

本实施例中，激光发射接收筒8外端设有光纤法兰接口和探测器信号输出接口，光纤法兰接口与探头聚焦透镜1的光纤耦合器相连接，探测器信号输出接口与第一光电探头3和第二光电探头4相连接。通过设置光纤法兰接口和探测器信号输出接口，能够较佳地便于信号传输线的接线。

本实施例中，激光发射接收筒8和反射镜固定筒12的内端处均设有保护单元，保护单元包括耐高温石英窗片9，耐高温石英窗片9通过石英窗片固定环20设于一窗片密封筒10处；窗片密封筒10通过调节机构与激光发射接收筒8或反射镜固定筒12连接。

本实施例中，通过设置耐高温石英窗片9，能够较佳地对激光发射接收筒8内的激光收发单元进行保护。且耐高温石英窗片9能够倾斜设于窗片密封筒10处，故能够较佳地避免镜面反射光对探测光路的干扰。另外，通过设置石英窗片固定环20，能够较佳地对耐高温石英窗片9进行固定，进而能够有效地防止耐高温石英窗片9的滑落或抖动，从而能够较佳地保证光路的稳定。

本实施例中，激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10间形成承插式连接结构，其中窗片密封筒10的连接配合部形成承口结构。

本实施例中，调节机构包括相配合地设于激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10连接结构处的6对螺孔。所述6对螺孔中相间隔的3对螺孔处设有螺钉，螺钉用于实现激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10间的固定。所述6对螺孔中相间隔的另外3对螺孔处设有螺纹副，螺纹副用于实现激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10间俯仰角的调节。

本实施例中，螺钉和螺纹副能够沿径向设置，螺钉能够与激光发射接收筒8/反射镜固定筒12螺纹配合、与窗片密封筒10活动配合，从而使得激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10间能够存在调节间隙；螺纹副能够对激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10间的调节间隙进行调节，从而能够较佳地对现激光发射接收筒8/反射镜固定筒12与窗片密封筒10间俯仰角的调节，进而能够较佳地实现对光路的调节。

基于本实施例中的收发同侧光路装置，本实施例还提供了其在加热炉中的应用，其将激光发射接收筒8和反射镜固定筒12相配合地设于加热炉侧壁处，以对加热炉内的气体氛围进行在线原位检测。

其中，窗片密封筒10的侧壁处能够间隔地设置有2个卡箍安装槽，加热炉的侧壁处能够设置用于安装窗片密封筒10的预留安装孔。从而使得，采用本实施例的收发同侧光路装置应用于加热炉中时，在其安装时：

能够首先将窗片密封筒10设于加热炉侧壁处的预留安装孔中，并使得窗片密封筒10的侧壁处的2个卡箍安装槽分别位于加热炉的内外侧壁处，之后通过在卡箍安装槽处设置卡箍即可较佳地将窗片密封筒10固定设于加热炉侧壁处；

之后，能够通过调节机构将激光发射接收筒8和反射镜固定筒12分别设于对应的窗片密封筒10处；

之后，能够通过光纤法兰接口和探测器信号输出接口接入现有的传感器主机，进而实现整个探测系统的搭建。

在本实施例的应用中，能够通过调节机构对激光发射接收筒8和反射镜固定筒与窗片密封筒10间的俯仰角进行调节，进而能够较佳地实现对探测光路的校正。

在本实施例的应用中，加热炉处还能够设置氮气吹扫管路，以对保护单元处的耐高温石英窗片9进行氮气吹扫，从而能够较佳地在实际工作时保持镜面清洁，保证光路不受障碍物的干扰。

在本实施例的应用中，通过激光收发单元和全角反射单元能够实现多频段探测激光的发射，并能够对反射光进行分光后分别用不同的光电探头接收反馈的光信号，进而能够较佳地实现对工业加热炉的原位探测。

本实施例中的收发同侧光路装置具有安装调节方便、结构稳定、抗干扰性强等优点。另外，由于氮气吹扫管路的设置，能够较佳对收发同侧光路装置进行氮气吹扫降温，从而能够较佳地适应加热炉处的高温环境，进而能够较佳地保证在线实时检测的实现。

另外，本领域技术人员可以理解的是，虽然本实施例中的收发同侧光路装置仅能够同时实现CO和O₂两种气体的在线实时检测，但是通过设置分光镜2的参数，即可较佳地实现对其它波段的激光的分离，也即即可较佳地实现对其它不同气体的同时监测。另外，通过在加热炉处设置多组收发同侧光路装置，即可较佳地实现对多个不同气体氛围的监测。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。