專利名稱：氣體的在位測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體測(cè)量，特別涉及利用氣體吸收光譜技術(shù)在位測(cè)量高溫氣體的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在垃圾焚燒等領(lǐng)域內(nèi)，為了控制燃燒爐內(nèi)的燃燒效率，需要準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)控燃燒爐內(nèi)的A含量。燃燒爐內(nèi)A濃度測(cè)量范圍為0 25%，溫度范圍為800 900°C。目前，基于 DLAS (Diode Laser Absorption Spectroscopy)技術(shù)的激光吸收光譜氣體分析裝置廣泛應(yīng)用在氣體測(cè)量中。DLAS技術(shù)的基本原理為調(diào)諧測(cè)量光的波長(zhǎng)，使其對(duì)應(yīng)到待測(cè)氣體的吸收譜線；測(cè)量光穿過(guò)待測(cè)氣體并被探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，得到測(cè)量光在所述吸收譜線處的吸收，根據(jù)比爾-朗伯定律得到待測(cè)氣體的濃度等參數(shù)。DLAS技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如原位在線測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間很短，可以達(dá)到毫秒級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量； 測(cè)量下限低，可用于測(cè)量濃度為PPb級(jí)的氣體；測(cè)量精度高。如圖1所示，一種在位式氧氣測(cè)量裝置，光發(fā)射單元14和光接收單元15設(shè)置在燃燒爐10的兩側(cè)，同時(shí)通過(guò)窗口片16、17隔離待測(cè)氣體11 ；其中，光源2設(shè)置在光發(fā)射單元 14內(nèi)，探測(cè)器20設(shè)置在光接收單元15內(nèi)。光源2發(fā)出的測(cè)量光束19被待測(cè)氣體11中的氧氣吸收，通過(guò)分析單元30分析測(cè)量光束19的透過(guò)率，從而得到待測(cè)氣體11中氧氣濃度
等參數(shù)。外界空氣含有氧氣，氧氣會(huì)進(jìn)入所述光發(fā)射單元14和光接收單元15內(nèi)，吸收了部分測(cè)量光束19，從而影響了測(cè)量精度。另外，當(dāng)待測(cè)氣體11中的顆粒物較多時(shí)，顆粒物會(huì)粘附在所述窗口片16、17上，大大降低了測(cè)量光束19的透過(guò)率，甚至?xí)雇腹饴蕿榱?，?yán)重影響了測(cè)量精度，甚至使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。為了排除上述不利影響，該測(cè)量裝置還配置了吹掃單元21，往所述光發(fā)射單元14 和光接收單元15內(nèi)充入吹掃氣體22?；蛘呦蛩龃翱谄?6、17鄰近待測(cè)氣體11的一側(cè)充入吹掃氣體22，從而使待測(cè)氣體11中的顆粒物無(wú)法污染所述窗口片16、17，上述措施大大提高了測(cè)量精度，也提高了測(cè)量的可持續(xù)性。通常使用高純氮?dú)庾鳛榇祾邭怏w22，但在垃圾焚燒等領(lǐng)域中，高純氮?dú)怆y以獲得， 再有，高純氮?dú)鈨?nèi)還含有氧氣，測(cè)量光路上的吹掃氣體中的氧氣會(huì)吸收測(cè)量光，從而降低了測(cè)量精度。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，通常做法是在光發(fā)射單元內(nèi)設(shè)置氧氣傳感器，測(cè)得吹掃氣體中氧氣的濃度，通過(guò)扣除吹掃氣體(包括光發(fā)射單元內(nèi)、或光接收單元內(nèi)、或窗口片臨近待測(cè)氣體一側(cè)的吹掃氣體)中氧氣對(duì)測(cè)量光的吸收，進(jìn)而得到燃燒爐內(nèi)氧氣濃度等參數(shù)。這種方法的不足之處主要為1、所述氣體傳感器的測(cè)量精度低，而且受氣體壓力、溫度的影響較大。2、受制于測(cè)量原理，氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)測(cè)量。
3、穩(wěn)定性差，所述氣體傳感器的性能隨使用時(shí)間的增加而下降較快。4、氣體傳感器壽命短，不斷更換的傳感器也提高了測(cè)量成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種測(cè)量精度高、成本低的氣體的在位測(cè)量方法，還提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、成本低的氣體的在位測(cè)量裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明分別采用如下技術(shù)方案氣體的在位測(cè)量方法，特點(diǎn)是選擇待測(cè)氣體的吸收譜線I、吸收譜線II，激光器輸出波長(zhǎng)能調(diào)諧到吸收譜線I、 吸收譜線II ；吹掃氣體的溫度低于被測(cè)氣體的溫度，在單位濃度單位光程下，在吸收譜線I處， 被測(cè)氣體和吹掃氣體的溫度差引起被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收不低于吹掃氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收的5倍；在測(cè)量狀態(tài)下吹掃氣體吹掃被測(cè)氣體區(qū)域外的測(cè)量光路，吹掃氣體中含有待測(cè)氣體；所述激光器輸出的測(cè)量光對(duì)應(yīng)所述吸收譜線I，測(cè)量光穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體；穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體后的測(cè)量光被探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，分析單元分析測(cè)量光在吸收譜線I處的衰減，并忽略吹掃氣體在吸收譜線I處的吸收的變化，從而得到被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的含量；在標(biāo)定狀態(tài)下所述激光器輸出的標(biāo)定光對(duì)應(yīng)所述吸收譜線II，標(biāo)定光穿過(guò)待測(cè)氣體的標(biāo)氣，穿過(guò)標(biāo)氣后的標(biāo)定光被探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，分析單元通過(guò)分析標(biāo)定光在吸收譜線II處的衰減，從而完成對(duì)分析單元的標(biāo)定。卸下激光器以及探測(cè)器，并安裝在標(biāo)定管上；標(biāo)定管內(nèi)通入氧氣的標(biāo)氣，從而進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)。進(jìn)一步，激光器通過(guò)光纖與標(biāo)定管連接，在測(cè)量光路和/或標(biāo)定光路中設(shè)置控制器件，用于控制測(cè)量光或標(biāo)定光的通過(guò)與否。作為優(yōu)選，所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線I為以下任一頻率13164. lScm—1、 13164. 93cm"\l3161. 93cm"\l3159. 44cm"\l3154. 66cm"\ 13009. 89cm"\l3001. 35cm—1、
13000.82cm_1,12988. 48cm_1U2979. 66cm_1U2976. 54cm_1,12966. 42cm—1。作為優(yōu)選，所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線II為以下任一頻率 13163. 78CHT1、13164. 69cm"\l3161. 62cm"\l3158. 74cm"\l3154. 19cm"\l3010. 82cm"\
13001.72CHT1、12999. 97cm_1U2988. 73cm_1U2978. 83cm_\l2977. 12cm_1,12966. 82cm_10作為優(yōu)選，利用空氣作為吹掃氣體。為了實(shí)施上述方法，本發(fā)明還提出了這樣一種燃燒爐內(nèi)氧氣的測(cè)量裝置，特點(diǎn)是: 所述裝置包括激光器，輸出光的頻率對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體的吸收譜線吸收譜線I、吸收譜線II ；在單位濃度單位光程下，在吸收譜線I處，被測(cè)氣體和吹掃氣體的溫度差引起被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收不低于吹掃氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收的5倍；
探測(cè)器，用于接收穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體后的對(duì)應(yīng)于吸收譜線I的測(cè)量光，或穿過(guò)待測(cè)氣體標(biāo)氣后的對(duì)應(yīng)于吸收譜線II的標(biāo)定光；分析單元，用于根據(jù)探測(cè)器的信號(hào)得到被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的含量；吹掃單元，用于提供氣體去吹掃被測(cè)氣體區(qū)域外的測(cè)量光路，吹掃氣體中含有待測(cè)氣體；標(biāo)定單元，包括待測(cè)氣體的標(biāo)氣。進(jìn)一步，所述標(biāo)定單元包括標(biāo)定管。進(jìn)一步，所述標(biāo)定管上設(shè)置便于和激光器、探測(cè)器配接的連接裝置。進(jìn)一步，激光器通過(guò)光纖與標(biāo)定管連接，在測(cè)量光路和/或標(biāo)定光路中設(shè)置控制器件，用于控制測(cè)量光或標(biāo)定光的通過(guò)與否。作為優(yōu)選，所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線I為以下任一頻率13164. lScm—1、 13164. 93cm"\l3161. 93cm"\l3159. 44cm"\l3154. 66cm"\ 13009. 89cm"\l3001. 35cm—1、
13000.82cm_1,12988. 48cm_1U2979. 66cm_1U2976. 54cm_1,12966. 42cm—1。作為優(yōu)選，所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線II為以下任一頻率 13163. 78CHT1、13164. 69cm"\l3161. 62cm"\l3158. 74cm"\l3154. 19cm"\l3010. 82cm"\
13001.72CHT1、12999. 97cm_1U2988. 73cm_1U2978. 83cm_\l2977. 12cm_1,12966. 82cm_10作為優(yōu)選，所述吹掃單元提供空氣作為吹掃氣體。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明有如下有益效果1、測(cè)量精度高本發(fā)明選擇了常溫下吸收非常弱、高溫下吸收較強(qiáng)的待測(cè)氣體的吸收譜線I 光發(fā)射單元、光接收單元以及測(cè)量通道內(nèi)吹掃氣體的溫度基本為常溫，燃燒爐的溫度則超過(guò) 1000K，吹掃空氣中待測(cè)氣體對(duì)測(cè)量光的吸收與管道內(nèi)高溫氣體對(duì)測(cè)量光的吸收相比較弱； 而且測(cè)量光在吹掃氣體中的光程小于在管道內(nèi)的光程；再有，空氣中各氣體的濃度變化很小，因此，吹掃氣體中待測(cè)氣體的濃度、溫度、壓力的變化而引起的對(duì)測(cè)量光在譜線I處的吸收的變化非常小，可忽略不計(jì)。為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精度，還需標(biāo)定測(cè)量裝置，在激光器的輸出光頻率范圍內(nèi)， 選擇了待測(cè)氣體的另外一條吸收譜線II，使得在常溫下待測(cè)氣體在吸收譜線II處對(duì)標(biāo)定光的吸收較強(qiáng)。2、成本低本發(fā)明可直接使用空氣作為吹掃氣體，明顯地減低了吹掃氣體的成本。由于吹掃氣體中待測(cè)氣體的變化而引起對(duì)測(cè)量光的吸收的變化可忽略不計(jì)，因此無(wú)需設(shè)置專門(mén)的待測(cè)氣體傳感器去測(cè)量吹掃氣體中待測(cè)氣體的含量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中氧氣測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中氧氣測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中氧氣測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是實(shí)施例1中選擇的吸收譜線示意圖；圖5是實(shí)施例2中選擇的吸收譜線示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1 如圖2所示，一種焚燒爐內(nèi)氧氣的在位測(cè)量裝置，焚燒爐內(nèi)的溫度為1221左右， 所述測(cè)量裝置包括光發(fā)射單元14，包括激光器25以及驅(qū)動(dòng)模塊，所述激光器25的輸出光頻率包括對(duì)應(yīng)于氧氣的吸收譜線I的頻率V1 = 13164. 18cm—1、對(duì)應(yīng)于氧氣的吸收譜線II的頻率V2 =13163. 78cm-10在驅(qū)動(dòng)模塊工作下，激光器25的輸出光頻率可掃過(guò)上述頻率。如圖4所示，在單位濃度單位光程下，在氧氣的吸收譜線I處，高溫(1223K)下的吸收大大超過(guò)常溫 (300K)下的吸收，超過(guò)15倍。光接收單元15，包括探測(cè)器20，探測(cè)器20的選擇是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。分析單元30，用于根據(jù)探測(cè)器20送來(lái)的信號(hào)、吹掃光程內(nèi)氧氣對(duì)測(cè)量光的吸收而分析燃燒爐10內(nèi)高溫氣體在吸收譜線I處測(cè)量光的吸收，從而得出燃燒爐10內(nèi)氧氣的含量。上述光發(fā)射單元14、光接收單元15通過(guò)法蘭、閥門(mén)等裝置配接在燃燒爐10上，使得光發(fā)射單元14發(fā)出的測(cè)量光19能夠被光接收單元15接收。通過(guò)窗口片16隔開(kāi)被測(cè)環(huán)境和光發(fā)射單元14，通過(guò)窗口片17隔開(kāi)被測(cè)環(huán)境和光接收單元15。吹掃單元21，用于提供空氣23(空氣中氧氣的含量很穩(wěn)定)去吹掃光發(fā)射單元 14、光接收單元15的內(nèi)部以及測(cè)量通道。測(cè)量光19在燃燒爐內(nèi)的光程為細(xì)，在吹掃氣體中的光程為1. 2m。標(biāo)定單元，包括標(biāo)定管9以及標(biāo)定氣源(未示出)，標(biāo)定管9的兩端設(shè)置便于與光發(fā)射單元14、光接收單元15配接的連接裝置，標(biāo)定氣源包括氧氣的零氣以及標(biāo)氣。本實(shí)施例還揭示了一種氧氣的在位測(cè)量方法，用于測(cè)量垃圾焚燒爐內(nèi)氧氣的濃度，焚燒爐內(nèi)的溫度為122 左右，氧氣的含量為10%左右，所述測(cè)量方法具體為如圖4所示，選擇氧氣的吸收譜線I的頻率V1 = 13164. lScnT1、吸收譜線II的頻率V2 = 13163. 78cm-1.在單位濃度單位光程下，在氧氣的吸收譜線I處，高溫(1223K)下的吸收大大超過(guò)常溫(300K)下的吸收，超過(guò)15倍；根據(jù)選擇的吸收譜線確定激光器25，使得在激光器驅(qū)動(dòng)模塊作用下，激光器25的輸出光頻率可掃過(guò)上述吸收譜線；在測(cè)量狀態(tài)下吹掃單元21提供的空氣23吹掃光發(fā)射單元14、光接收單元15以及測(cè)量通道，光發(fā)射單元14、光接收單元15以及測(cè)量通道內(nèi)為常溫；在驅(qū)動(dòng)模塊作用下，激光器25的輸出光頻率被調(diào)諧到V1 = 13164. IScnT1,測(cè)量光 19穿過(guò)測(cè)量通道、燃燒爐10內(nèi)的高溫氣體后被探測(cè)器20接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，分析單元 30根據(jù)探測(cè)器20送來(lái)的信號(hào)，再扣除掉吹掃光程內(nèi)氧氣對(duì)測(cè)量光的吸收，從而得到高溫氣體對(duì)頻率V1 = 13164. IScnT1處輸出光的吸收，分析該吸收后得到燃燒爐10內(nèi)氧氣的濃度 X
權(quán)利要求
1.氣體的在位測(cè)量方法，其特征在于選擇待測(cè)氣體的吸收譜線I、吸收譜線II，激光器輸出波長(zhǎng)能調(diào)諧到吸收譜線I、吸收譜線II ；吹掃氣體的溫度低于被測(cè)氣體的溫度，在單位濃度單位光程下，在吸收譜線I處，被測(cè)氣體和吹掃氣體的溫度差引起被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收不低于吹掃氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收的5倍；在測(cè)量狀態(tài)下吹掃氣體吹掃被測(cè)氣體區(qū)域外的測(cè)量光路，吹掃氣體中含有待測(cè)氣體； 所述激光器輸出的測(cè)量光對(duì)應(yīng)所述吸收譜線I，測(cè)量光穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體； 穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體后的測(cè)量光被探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，分析單元分析測(cè)量光在吸收譜線I處的衰減，并忽略吹掃氣體在吸收譜線I處的吸收的變化，從而得到被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的含量； 在標(biāo)定狀態(tài)下所述激光器輸出的標(biāo)定光對(duì)應(yīng)所述吸收譜線II，標(biāo)定光穿過(guò)待測(cè)氣體的標(biāo)氣，穿過(guò)標(biāo)氣后的標(biāo)定光被探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，分析單元通過(guò)分析標(biāo)定光在吸收譜線II處的衰減， 從而完成標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于卸下激光器以及探測(cè)器，并安裝在標(biāo)定管上；標(biāo)定管內(nèi)通入待測(cè)氣體的標(biāo)氣，從而進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于激光器通過(guò)光纖與標(biāo)定管連接，在測(cè)量光路和/或標(biāo)定光路中設(shè)置控制器件，用于控制測(cè)量光或標(biāo)定光的通過(guò)與否。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線 I 為以下任一頻率:13164. 18CHT1、13164. 93CHT1、13161. 93CHT1、13159. McnT1、13154. 66cm"\ 13009. 89CHT1、13001. 35cm"\ 13000. 82cm"\ 12988. 48cm"\ 12979. 66cm"\l2976. 54cm"\ 12966. 42CHT1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線 II 為以下任一頻率:13163. 78CHT1、13164. 69CHT1、13161. 62CHT1、13158. 74cm"\ 13154. 19cm"\l3010. 82cm"\l3001. 72cm"\ 12999. 97cm"\ 12988. 73cm"\l2978. 83cm"\ 12977. 12CHT1、12966. 82cm_10
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的測(cè)量方法，其特征在于利用空氣作為吹掃氣體。
7.氣體的在位測(cè)量裝置，其特征在于所述裝置包括激光器，輸出光的頻率對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體的吸收譜線吸收譜線I、吸收譜線II ；在單位濃度單位光程下，在吸收譜線I處，被測(cè)氣體和吹掃氣體的溫度差引起被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收不低于吹掃氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收的5倍；探測(cè)器，用于接收穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體后的對(duì)應(yīng)于吸收譜線I的測(cè)量光，或穿過(guò)待測(cè)氣體標(biāo)氣后的對(duì)應(yīng)于吸收譜線Π的標(biāo)定光；分析單元，用于根據(jù)探測(cè)器的信號(hào)得到被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的含量； 吹掃單元，用于提供氣體去吹掃被測(cè)氣體區(qū)域外的測(cè)量光路，吹掃氣體中含有待測(cè)氣體；標(biāo)定單元，包括待測(cè)氣體的標(biāo)氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述標(biāo)定單元包括標(biāo)定管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述標(biāo)定管上設(shè)置便于和激光器、探測(cè)器配接的連接裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置，其特征在于激光器通過(guò)光纖與標(biāo)定管連接，在測(cè)量光路和/或標(biāo)定光路中設(shè)置控制器件，用于控制測(cè)量光或標(biāo)定光的通過(guò)與否。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線 I 為以下任一頻率:13164. 18CHT1、13164. 93CHT1、13161. 93CHT1、13159. McnT1、 13154. 66CHT1、13009. 89cm"\l3001. 35cm"\ 13000. 82cm"\ 12988. 48cm"\l2979. 66cm"\12976.54CHT1、12966. 42cm_10
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)量裝置，其特征在于所述待測(cè)氣體是氧氣，所述吸收譜線 II 為以下任一頻率:13163. 78CHT1、13164. 69CHT1、·13161. 62CHT1、13158. 74cm"\ 13154. 19cm"\l3010. 82cm"\l3001. 72cm"\ 12999. 97cm"\ 12988. 73cm"\l2978. 83cm"\·12977.12cm-\l296682cm-1。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣體的在位測(cè)量裝置，特點(diǎn)是所述裝置包括激光器，輸出光的頻率對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體的吸收譜線吸收譜線I、吸收譜線II；在單位濃度單位光程下，在吸收譜線I處，被測(cè)氣體和吹掃氣體的溫度差引起被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收不低于吹掃氣體內(nèi)待測(cè)氣體的吸收的5倍；探測(cè)器，用于接收穿過(guò)吹掃氣體、被測(cè)氣體后的對(duì)應(yīng)于吸收譜線I的測(cè)量光，或穿過(guò)待測(cè)氣體標(biāo)氣后的對(duì)應(yīng)于吸收譜線II的標(biāo)定光；分析單元，用于根據(jù)探測(cè)器的信號(hào)得到被測(cè)氣體內(nèi)待測(cè)氣體的含量；吹掃單元，用于提供氣體去吹掃被測(cè)氣體區(qū)域外的測(cè)量光路，吹掃氣體中含有待測(cè)氣體；標(biāo)定單元，包括待測(cè)氣體的標(biāo)氣。本發(fā)明具有測(cè)量精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102313704SQ20101022322
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月3日
發(fā)明者顧海濤, 黃偉 申請(qǐng)人:聚光科技(杭州)股份有限公司