專利名稱：：二譜線氣體光譜校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的主要目的是描述一種用于校準(zhǔn)燃燒室內(nèi)TDLAS測量氣體濃度或溫度的設(shè)備和方法，其中引入相同或光鐠類似的氣體以吹洗開孔。然而，本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例。校準(zhǔn)方法可應(yīng)用于任何的光謙分析裝置，其中光傳輸通過包含待測氣體的區(qū)域，并且還通過包含一定數(shù)量其他氣體的區(qū)域，后者可以產(chǎn)生虛假的信號。因此，本發(fā)明的校準(zhǔn)特征在任何的氣體吸收光鐠裝置中有廣泛的應(yīng)用。[0025圖2表示和更具體描述適合于本發(fā)明燃燒室裝置的設(shè)備10。利用來自一系列可調(diào)諧二極管激光器32的激光，檢測設(shè)備10完成可調(diào)諧二極管激光吸收光鐠(TDLAS)，其中激光器32是在選取頻率上發(fā)射激光，最好是在近紅外或中紅外光鐠上。每個(gè)可調(diào)諧二極管激光器32的輸出耦合到單獨(dú)的光纖，并被路由到復(fù)用器36，該光纖可以是單模光纖34。如在此處所使用的，"耦合"，"光耦合"，"光通信"的定義是各個(gè)部件之間的函數(shù)關(guān)系，其中光從第一個(gè)部件通過或不通過中間部件或自由空間傳輸?shù)降诙€(gè)部件。在復(fù)用器36內(nèi)，產(chǎn)生一些頻率或所有頻率的激光被復(fù)用以形成有多個(gè)選取頻率的復(fù)用探測光束。復(fù)用探測光束耦合到出射(pitch)側(cè)光纖38并傳輸?shù)匠錾涔鈱W(xué)元件40或與燃燒室相關(guān)的準(zhǔn)直器，該燃燒室是如圖2所示的燃燒室42。[0026I出射光學(xué)元件40的取向是為了投射復(fù)用探測光束通過燃燒室42。在燃燒室42的另一端與出射光學(xué)元件40進(jìn)行光通信的是入射(catch)光學(xué)元件44。最好是，入射光學(xué)元件44基本上與出射光學(xué)元件40相對，并與燃燒室42的工作相關(guān)。入射光學(xué)元件44的位置和取向是為了接收投射通過燃燒室42的復(fù)用探測光束。入射光學(xué)元件44光耦合到入射側(cè)光纖46，入射側(cè)光纖46傳輸由入射光學(xué)元件44接收的部分復(fù)用探測光束到去復(fù)用器48。在去復(fù)用器48內(nèi)，入射光學(xué)元件44接收的部分復(fù)用探測光束被去復(fù)用，而每個(gè)波長的去復(fù)用激光耦合到輸出光纖50。每條輸出光纖50再光耦合到檢測器52，并被復(fù)用成探測光束，其中檢測器52通常是一個(gè)對產(chǎn)生的選取頻率激光靈敏的光電檢測器.基于光傳輸?shù)綑z測器52的性質(zhì)和數(shù)量，檢測器52產(chǎn)生在檢測器頻率上的電信號，來自每個(gè)檢測器52的電信號通常是數(shù)字化信號，并在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)54中進(jìn)行分析.如在以下詳細(xì)討論的，數(shù)字化和被分析的數(shù)據(jù)可用于檢測燃燒室內(nèi)的物理參數(shù)，其中包括，但不限于，在燃燒室42內(nèi)各種氣體的濃度和燃燒溫度。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)54還可用于發(fā)送信號通過反饋回路56到燃燒控制設(shè)備58，從而有效地控制選取的過程參數(shù)。在燃燒過程的情況下，被控制的過程參數(shù)可以包括燃料(例如，粉煤)饋送率，氧氣饋送率和催化劑或化學(xué)試劑添加率。利用在檢測設(shè)備30的出射側(cè)和入射側(cè)的光纖耦合電子和光學(xué)元件，可以使精細(xì)和溫度靈敏的設(shè)備放置在有穩(wěn)定工作環(huán)境的控制室內(nèi)，例如，可調(diào)諧二極管激光器32，檢測器52和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)54。因此，僅僅相對堅(jiān)固的出射光學(xué)元件40和入射光學(xué)元件44需要放置在燃燒室42的惡劣環(huán)境附近。0027j利用任何類型的氣體吸收光鐠可以實(shí)施本發(fā)明，其中包括，但不限于，可調(diào)諧二極管激光吸收光鐠(TDLAS)。利用激光光傳的專業(yè)人員熟知的技術(shù)可以完成TDLAS。一般地說，激光傳輸通過目標(biāo)環(huán)境，由于存在目標(biāo)氣體，例如，一氧化碳或氧氣，然后檢測在特定波長上的激光吸收，可以完成TDLAS。被檢測光的光鐠分析可以識別氣體沿激光路徑的種類和數(shù)量。在Teichert，F(xiàn)ernholz，和Ebert的文章"SimultaneousinsituMeasurementofCO，H20,andGasTemperatureinaFull-Sized，Coal-FiredPowerPlantbyNear-InfraredDiodeLasers",(AppliedOptics,42(12):2043，20April2003)中詳細(xì)地討論直接吸收光語，全文合并在此供參考。激光吸收光鐠的非接觸性質(zhì)使它非常適應(yīng)于惡劣的環(huán)境，例如，燃煤發(fā)電廠的燃燒區(qū)，或不能使用其他探測方法的易燃或有毒環(huán)境。利用激光在有嚴(yán)重衰減的環(huán)境下(典型的是大于99.9。/。的光損失)可以獲得可檢測傳輸所需的高亮度，在某些環(huán)境下可以出現(xiàn)這種衰減。為了更好地承受目標(biāo)應(yīng)用的惡劣條件，可以使激光通過有金屬護(hù)套的光纖而進(jìn)入目標(biāo)環(huán)境。10028有效檢測多個(gè)燃燒過程成分氣體的溫度或濃度要求利用多個(gè)寬間隔激光頻率完成TDLAS,選取的頻率必須匹配被監(jiān)測躍遷的吸收鐠線。例如，可能要求監(jiān)測在波長670nm的NO2以模擬發(fā)射的NO濃度。監(jiān)測燃煤設(shè)施鍋爐中的氧氣，水和一氧化碳以提取溫度和濃度數(shù)據(jù)也是十分有用的。在發(fā)電廠裝置中，可以基于以下的假設(shè)選取合適的吸收鐠線和合適的發(fā)射激光頻率，其中通過燃燒室的激光探測路徑長度等于10米，和每個(gè)品種的克分子百分比是CO(1%)，02(4%)，C02(10%)，和H20(10%)。在頻率選取中，可以假設(shè)過程溫度為1800K，它略高于通常在燃煤發(fā)電廠中觀察到的溫度，但該容限在計(jì)算中是作為安全因子。其他類型的氣體光鐠實(shí)施方案有不同的假設(shè)。[0029在燃煤發(fā)電廠的例子中，可以選取用于TDLAS的三個(gè)水吸收鐠線，它們滿足以下的準(zhǔn)則1.分別是1000enT1，2000em1，和3000cm1的低態(tài)能量。2.提供約在0.1-0.4之間的合適吸收率，從而導(dǎo)致在共振時(shí)約20%的光束吸收。3.最佳的情況是利用1250nm至1650nm區(qū)域的躍遷，該區(qū)域可得到非昂貴的高功率DFB二極管電信激光器。4.各個(gè)躍遷之間必須很好地分開以便容易地進(jìn)行復(fù)用。5.選取的波長必須被現(xiàn)有的去復(fù)用/復(fù)用光柵有效地衍射。0030在以下的波長上有合適的水鐠線表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>[0031I對于水，不會(huì)發(fā)生來自任何其他燃燒氣體的干擾。在發(fā)電廠設(shè)置中對最可能干擾的物品C02做了模型，而在1.3-1.4nm區(qū)域沒有強(qiáng)的干擾鐠線。0032}類似地，基于以上參照和包括的Ebert的工作，可以選取合適的一氧化碳鐠線。利用在燃煤設(shè)施鍋爐中的R(24)詳線，可以在1559.562nm找到合適的一氧化碳詳線。選取這個(gè)鐠線可以避免來自水和二氧化碳的干擾。已知的光柵在這個(gè)波長區(qū)是相當(dāng)有效的，因?yàn)樗窃诠馔ㄐ诺腃波段。預(yù)期在這個(gè)波長上的吸收率為0.7%。0033此外，可以在760.0932nm上測量氧。在這個(gè)區(qū)域中，優(yōu)選的去復(fù)用/復(fù)用光柵效率計(jì)算僅為40%,然而，在合理的測量效率下，應(yīng)當(dāng)有合適的激光功率。0034如在此處所討論的，在TDLAS檢測設(shè)備的出射側(cè)和入射側(cè)使用光纖耦合要求精確地對準(zhǔn)出射光學(xué)元件和入射光學(xué)元件。利用選取的對準(zhǔn)波長可以優(yōu)選地完成有效的對準(zhǔn)。一個(gè)可能的對準(zhǔn)波長是660nm，因?yàn)樵谶@個(gè)波長上可以有高功率(45mW)二極管，而660苦在泫14紐^她T—乾A^腠拮BM";/f^TiAt!Sli主A.劣承厶括JJr磁全妃他的對準(zhǔn)波長。0035總之，表2中給出本發(fā)明實(shí)施的一個(gè)合理選取的波長集合，用于復(fù)用TDLAS的探測光束。應(yīng)當(dāng)注意，這個(gè)波長集合是用于一個(gè)實(shí)施例的TDLAS檢測設(shè)備，它適合于檢測和控制燃煤發(fā)電廠。其他的波長集合可能是也是合適的。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>[0036利用波長復(fù)用探測光束的TDLAS的一個(gè)具體優(yōu)點(diǎn)是提高溫度測量的精確度。為了利用TDLAS作精確的濃度測量，必須知道被監(jiān)測氣體的溫度。分子吸收的強(qiáng)度是溫度的函數(shù)。因此，為了把吸收特征的幅度轉(zhuǎn)換成濃度，必須知道溫度。以前測量燃燒物品濃度的某些方法遭遇到不夠精確的溫度測量，例如，測量CO，從而導(dǎo)致量化的誤差。這對于二極管基氨泄漏監(jiān)測器是特別正確的，傳統(tǒng)上，它不包含在溫度測量中。在本發(fā)明的檢測系統(tǒng)中，通過測量兩個(gè)或多個(gè)水分子譜線的比率，可以確定溫度。兩條譜線的集成強(qiáng)度比率僅僅是溫度的函數(shù)(假設(shè)恒定的整個(gè)系統(tǒng)壓力)。因此，原則上，兩條鐠線可以提供精確的溫度。然而，在非均勻溫度分布的情況下(如通常在工業(yè)燃燒過程內(nèi)發(fā)現(xiàn)的)，兩條鐠線不足以確定溫度的分布。在這種非均勻溫度分布的情況下，兩條i普線僅僅可以確定"路徑平均的"溫度。與此對比，測量多于兩條i普線(相同物品)的集成幅度可以探測溫度的非均勻性。這種技術(shù)的一個(gè)例子是利用氧作為探測分子，Sanders,Wang,Jeffries和Hanson在"AppliedOptics"(volume40,number24，20August2001)中所描述的，全文合并在此供參考。優(yōu)選的技術(shù)是基于這樣的事實(shí)，例如，沿視線測量的峰值強(qiáng)度分布在500K的平均溫度路徑上不是相同的，因?yàn)樵撀窂降囊话胧窃?00K,而另一半是在700K。[0037除了更精確的溫度測量的優(yōu)點(diǎn)以外，利用復(fù)用探測光束可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)燃燒氣體品種，從而允許更精確地控制燃燒過程。0038如上所述，在燃燒監(jiān)測和控制中利用TDLAS的一個(gè)重要屬性是能夠測量爐膛或燃燒室12中的02濃度。許多爐膛設(shè)計(jì)包含吹洗氣體源20，它有助于保持開孔14沒有塵土。吹洗氣體源20在爐膛工作時(shí)通常有恒定流動(dòng)的氣體，并在沿激光路徑上包含相對于全部02的大量02。取決于在爐膛中的位置，吹洗空氣在路徑上可以包含全部02的30-60%，雖然這個(gè)百分比在給定的位置上是恒定的。由于在爐膛中僅有待測的02，必須精確地量化另外的(吹洗空氣)02。[00391圖1是以方框圖形式說明激光首先傳輸通過開孔14并通過燃燒室12的路徑。02在整個(gè)路徑上有不同的濃度。在以下的公式中，L表示路徑長度，T是溫度和Xo2是氣的濃度。下標(biāo)P和F分別表示吹洗和爐膛。Ai-F(Si,Xojj,Xo^,Et，Tp,T:p，Lf，Lp)(1)AaaF(Si,Xow,Xov,Ea,Tp,Tp,"，W(2)(M)40利用TDLAS設(shè)備可以測量吸收率Ai和A2,它們與吸收謙線強(qiáng)度S，爐膛中的02濃度Xo2，F(xiàn)，吹洗氣體02的濃度Xo2，p，低態(tài)吸收譜線能量E，爐膛溫度TV，吹洗氣體溫度Tp，爐膛路徑長度LF22和吹洗路徑長度LP24之間有已知的函數(shù)關(guān)系。吸收鐠線強(qiáng)度和低態(tài)能量是已知的物理常數(shù)?？梢岳萌斯し椒y量路徑長度22，24。根據(jù)其他的測量結(jié)果(具體是TDLAS監(jiān)測兩個(gè)或多個(gè)水的吸收語線)，可以確定燃燒室12中的溫度。吹洗氣體中的02濃度通常等于環(huán)境濃度21%，其中假設(shè)迫使外部空氣通過開孔14作為吹洗氣體。這留下兩個(gè)未知數(shù)Xo2，f和Tp;它們分別是燃燒室12中的02濃度和吹洗空氣的溫度。[0041因此，通過測量在兩個(gè)不同吸收鐠線上的02，每個(gè)語線有不同的譜線強(qiáng)度和不同的低態(tài)能量，可以推導(dǎo)出涉及測量的吸收率和兩個(gè)未知數(shù)的兩個(gè)獨(dú)立方程。Ai-F"Xov,Tp)(3)A2=F2(Xo2j,TP)(4)[00421通過測量吸收率A！和A2，可以求解有兩個(gè)未知數(shù)X02，F(xiàn)和TP的兩個(gè)(非線性)函數(shù)關(guān)系(3)和(4)。然后，利用非線性求解方法，例如，Newton-Raphson方法，可以構(gòu)造和求解X02，F(xiàn)與Tp之間的關(guān)系。Newton-Raphson方法以及求解多個(gè)非線性函數(shù)關(guān)系的其他方法利用迭代過程以接近該函數(shù)的可能根。其結(jié)果是兩條曲線，它們的相交點(diǎn)確定同時(shí)求解公式(3)和(4)的數(shù)值Xo2，f和Tp。[0043圖3是>^式(3)和(4)的解的表示。圖3說明在位于760nm02吸收光鐠帶頭附近的兩個(gè)不同02鐠線上測量的吹洗空氣溫度與爐膛中02濃度的兩條曲線。圖2中表示的測量結(jié)果是在活性燃煤發(fā)電廠中完成的。圖3中所示的相交點(diǎn)指出吹洗空氣溫度為400K和爐膛中02濃度為2.1%。[00441圖3中的曲線是本發(fā)明的校準(zhǔn)方法應(yīng)用于測量裝置的結(jié)果，其中燃燒裝置是在穩(wěn)定狀態(tài)。本發(fā)明也特別適合于在動(dòng)態(tài)工作條件下確定02的濃度。00451以上詳細(xì)討論的例子涉及在發(fā)電廠燃燒室裝置中02的TDLA測量結(jié)果的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)方法是特別有用的，因?yàn)檠a(bǔ)充的02通常被引入通過吹洗氣體源，從而使所需的測量變得復(fù)雜化。以上描述的方法可應(yīng)用于任何的氣體吸收光謙實(shí)施方案，其中探測激光傳輸通過包含待測氣體的區(qū)域和包含補(bǔ)充氣體的區(qū)域，而后者可以使光i普分析產(chǎn)生偏差。[0046雖然本發(fā)明的描述是參照多個(gè)實(shí)施例，但是專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下，可以對此處公開的實(shí)施例的形式和細(xì)節(jié)作各種變化，且此處公開的實(shí)施例不是對權(quán)利要求書范圍的限制。權(quán)利要求1.一種用于校準(zhǔn)吸收光譜測量的方法，包括投射激光通過包含第一數(shù)量的待測氣體和第二數(shù)量的光譜相同或類似氣體的樣本；在第一選取的吸收譜線上測量激光的第一光譜吸收；在第二選取的吸收譜線上測量激光的第二光譜吸收；確定第一測量的光譜吸收與兩個(gè)未知變量之間的第一函數(shù)關(guān)系；確定第二測量的光譜吸收與兩個(gè)未知變量之間的第二函數(shù)關(guān)系；和同時(shí)求解第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系以確定涉及第一數(shù)量的待測氣體的信息。2.按照權(quán)利要求l的方法，還包括計(jì)算第一數(shù)量的待測氣體內(nèi)的平均溫度；測量通過第一數(shù)量的待測氣體的路徑長度；測量通過第二數(shù)量的光鐠相同或類似氣體的路徑長度；和確定第一數(shù)量的待測氣體內(nèi)相對于測量溫度的第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系、通過第一數(shù)量的待測氣體的測量路徑長度、和通過第二數(shù)量光鐠相同或類似氣體的測量路徑長度。3.按照權(quán)利要求2的方法，還包括確定相對于已知物理常數(shù)的第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系，該物理常數(shù)選自包含以下物理常數(shù)的組與第一選取的吸收鐠線相關(guān)的第一選取的吸收鐠線強(qiáng)度；與笫二選取的吸收鐠線相關(guān)的第二選取的吸收鐠線強(qiáng)度；與第一選取的吸收謙線相關(guān)的低能態(tài)；與第二選取的吸收鐠線相關(guān)的低能態(tài)；和在第二數(shù)量光鐠相同或類似氣體內(nèi)包含的待測氣體的氣體濃度。4.一種利用TDLAS確定燃燒室內(nèi)02濃度的方法，其中至少一個(gè)激光器被定位以發(fā)射激光通過至少一個(gè)進(jìn)入燃燒室的開孔并且其中包含吹洗氣體流的02被加到該開孔上，該方法包括投射激光通過該開孔并通過該燃燒室；在第一選取的02吸收傳線上測量激光的第一光鐠吸收；在第二選取的02吸收鐠線上測量激光的第二光鐠吸收；確定第一測量的光鐠吸收與兩個(gè)未知變量之間的第一函數(shù)關(guān)系；確定第二測量的光鐠吸收與兩個(gè)未知變量之間的第二函數(shù)關(guān)系；和同時(shí)求解第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系以確定燃燒室內(nèi)的02濃度。5.按照權(quán)利要求4的確定燃燒室內(nèi)02濃度的方法，其中兩個(gè)未知變量是包含吹洗氣體的02溫度和燃燒室內(nèi)的02濃度。6.按照權(quán)利要求4的方法，還包括計(jì)算燃燒室內(nèi)的平均溫度；測量通過燃燒室的路徑長度；測量與開孔相關(guān)的吹洗路徑長度；和確定燃燒室內(nèi)相對于測量溫度的第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系、通過燃燒室的測量路徑長度、和測量的吹洗路徑長度。7.按照權(quán)利要求6的方法，還包括確定相對于已知物理常數(shù)的第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系，該物理常數(shù)選自包含以下物理常數(shù)的組與第一選取的02吸收譜線相關(guān)的第一選取的02吸收譜線強(qiáng)度；與笫二選取的02吸收鐠線相關(guān)的第二選取的02吸收鐠線強(qiáng)度；與第一選取的02吸收鐠線相關(guān)的低能態(tài)；與笫二選取的02吸收謙線相關(guān)的低能態(tài)；和包含吹洗氣體流的02的02濃度。8.按照權(quán)利要求6的方法，還包括根據(jù)至少在兩個(gè)H20吸收詳線上測量的吸收光鐠，計(jì)算燃燒室內(nèi)的溫度.9.按照權(quán)利要求4的方法，其中第一選取的02吸收鐠線對應(yīng)于波長為760.258nm的光吸收，而第二選取的吸收譜線對應(yīng)于波長為.760.445nm的光吸收。10.—種用于確定燃燒室內(nèi)02濃度的設(shè)備，包括至少一個(gè)進(jìn)入燃燒室的開孔；可調(diào)諧二極管激光器，被定位以發(fā)射激光通過該開孔和該燃燒室；包含吹洗氣體的02源，用于形成與開孔的氣體流動(dòng)；第一測量裝置，用于測量激光在第一選取的02吸收鐠線上的第一光鐠吸收；第二測量裝置，用于測量激光在第二選取的02吸收語線上的第二光鐠吸收；第一確定裝置，用于確定第一測量的光鐠吸收與兩個(gè)未知變量之間的第一函數(shù)關(guān)系，這兩個(gè)未知變量是包含吹洗氣體的02溫度和在燃燒室內(nèi)的02濃度；第二確定裝置，用于確定第二測量的光鐠吸收與兩個(gè)未知變量之間的第二函數(shù)關(guān)系；和求解裝置，用于同時(shí)求解第一函數(shù)關(guān)系和第二函數(shù)關(guān)系以確定燃燒室內(nèi)的02濃度。全文摘要一種用于校準(zhǔn)吸收光譜測量的方法，其中校準(zhǔn)方法包括投射激光通過包含第一數(shù)量待測氣體和第二數(shù)量光譜相同或類似氣體(10)的樣本。在特定的第一吸收譜線和第二吸收譜線上分別測量激光的第一光譜吸收和第二光譜吸收。確定第一測量的吸收譜線和第二測量的吸收譜線與兩個(gè)未知變量之間的函數(shù)關(guān)系。然后，同時(shí)求解該函數(shù)關(guān)系以確定一個(gè)或兩個(gè)未知變量，從而得到與第一數(shù)量待測氣體有關(guān)的測量，校準(zhǔn)第二不相干數(shù)量的氣體。文檔編號G01K1/08GK101287976SQ200680035794公開日2008年10月15日申請日期2006年10月4日優(yōu)先權(quán)日2005年10月4日發(fā)明者詹姆斯·豪厄爾申請人:佐勒技術(shù)公司