專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)中確定光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)中確定光學(xué)測(cè)量路徑的方法，該方法適于將光從光源發(fā)送通過(guò)第一清除管、氣體管道以及第二清除管到測(cè)量探測(cè)器，從其波長(zhǎng)特定吸收測(cè)量管道氣體的氣體成分的濃度，其中清除管通入到氣體管道中并且充滿(mǎn)清除氣體，該清除氣體在充滿(mǎn)后被排放到氣體管道中。
背景技術(shù)：
在光譜氣體分析中，在氣體混合物(測(cè)量氣體)中已知的是氣體成分或多種氣體成分的濃度，分別地通過(guò)氣體成分的測(cè)定的波長(zhǎng)特定吸收或者測(cè)量氣體的測(cè)定吸收光譜來(lái)確定。為此目的，測(cè)量氣體被以具有預(yù)定光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度的測(cè)量體積引入，例如樣品管，或者在原位過(guò)程測(cè)量的情形中，諸如氣體引導(dǎo)管，爐，漏斗，?；蛘哳?lèi)似物的氣體管道。光源的光，例如紅外燈或者可調(diào)節(jié)激光二極管，被通過(guò)測(cè)量體積傳送到測(cè)量探測(cè)器，例如光氣或固態(tài)探測(cè)器，以便根據(jù)測(cè)量體積的光學(xué)路徑中的光吸收產(chǎn)生測(cè)量探測(cè)器輸出。在管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)中，光源(或者，等同地，連接到遠(yuǎn)程光源的光學(xué)纖維自由端件)和測(cè)量探測(cè)器通常布置在安裝在與氣體管道的壁徑向相對(duì)的位置處的兩個(gè)測(cè)量頭中，測(cè)量氣體(管道氣體)通過(guò)該氣體管道流動(dòng)。每個(gè)測(cè)量頭都具有縱向室(清除管)，其在一端通入到氣體管道中并且在另一端包含相應(yīng)的有源光學(xué)部件(光源或測(cè)量探測(cè)器)。為保持測(cè)量氣體遠(yuǎn)離有源光學(xué)組分，因此該室充滿(mǎn)以不包含測(cè)量的氣體成分的清除氣。在充滿(mǎn)室以后，清除氣體被排放到氣體管道中。光學(xué)窗口可以布置在縱向室內(nèi)以將包含相應(yīng)的有源光學(xué)部件的主室與通入到氣體管道的前室分開(kāi)。在這種情形中，前室充滿(mǎn)和主室可以充滿(mǎn)清除氣體。為了確定在測(cè)量氣體中的關(guān)注的氣體成分的濃度，必須知道氣體成分的波長(zhǎng)特定吸收和氣體管道中的光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度。通常地，光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度可以限定為清除管的開(kāi)口端之間的距離。然而，由于清除氣體排放到氣體管道中，因此特別地如果測(cè)量路徑很短并且清除氣體的流量很高便很難估測(cè)實(shí)際的光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度。此外，測(cè)量路徑長(zhǎng)度可以基于諸如壓力、流動(dòng)和湍流的變化的過(guò)程狀況或者基于在清除管的開(kāi)口端的侵蝕引起的磨損而隨著時(shí)間而改變。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供特別地當(dāng)過(guò)程狀況變化時(shí)對(duì)光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度的改進(jìn)的估算。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)上述類(lèi)型的方法實(shí)現(xiàn)，其中在氣體成分的濃度的測(cè)量期間，清除管瞬時(shí)地充滿(mǎn)管道氣體，并且所述光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度從光源與測(cè)量探測(cè)器之間的已知的路徑長(zhǎng)度乘以當(dāng)清除管充滿(mǎn)清除氣體時(shí)測(cè)量的光吸收以及當(dāng)清除管充滿(mǎn)所述管道氣體時(shí)測(cè)量的光吸收的比率計(jì)算出，其中所述光吸收在時(shí)間上相鄰的測(cè)量中獲得。如果存在布置在清除管中的用于將包含相應(yīng)有源光學(xué)部件的主室與通入到氣體管道的前室分開(kāi)的光學(xué)窗，光源與測(cè)量探測(cè)器之間的路徑長(zhǎng)度應(yīng)該被理解為窗到窗的路徑長(zhǎng)度。該路徑長(zhǎng)度可以在管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)的安裝處測(cè)量并且可以假定是恒定的。測(cè)定的吸收(或吸收幅度)被理解為是包括諸如氣體特定吸收系數(shù)、氣體濃度和光學(xué)路徑長(zhǎng)度的吸收相關(guān)因素的變量。由于當(dāng)清除管填充以清除氣體以及當(dāng)它們填充以管道氣體時(shí)光吸收的測(cè)量之間的時(shí)間間隔非常短，關(guān)注的氣體成分將保持不變，從而待估測(cè)的光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度與光源與測(cè)量探測(cè)器之間的已知的路徑長(zhǎng)度之間的比率直接地與測(cè)量光吸收的比率相符合。因此，實(shí)際光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度可以由光源與測(cè)量探測(cè)器之間的已知路徑長(zhǎng)度乘以測(cè)定的光吸收比率計(jì)算出來(lái)。其中可以這樣增加估測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性，在測(cè)量的光吸收的確定的比率中，當(dāng)清除管填充以清除氣體時(shí)測(cè)量的光吸收值作為在填充清除管以管道氣體之前與之后的至 少兩次測(cè)量的平均值而獲得。為此相同的原因，當(dāng)清除管充滿(mǎn)清除氣體時(shí)并且當(dāng)其填充以管道氣體時(shí)測(cè)量可以重復(fù)若干次，其結(jié)果使用諸如平均的統(tǒng)計(jì)方法處理。如果，例如，在測(cè)定的光吸收中發(fā)現(xiàn)太大的變化，實(shí)際光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度的估測(cè)應(yīng)該被打斷并且安排下一次。為了瞬間地使清除管填充以管道氣體，清除氣體供給被切斷并且管道氣體可以沿著與清除方向相反的方向從氣體管道中通過(guò)清除管而被抽出。這種方法具有在清除管中的管道氣體的溫度大致與清除管之間的氣體管道中的溫度相同的優(yōu)勢(shì)。至少，在清除管中的管道氣體的溫度可以良好的準(zhǔn)確性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，因?yàn)樵谇宄艿拈_(kāi)口端的溫度是已知的(對(duì)于氣體監(jiān)控對(duì)測(cè)量介質(zhì)的溫度敏感的情形來(lái)說(shuō)，過(guò)程的溫度通常被測(cè)量或者是已知的)并且可以容易地測(cè)量在另一端的溫度。因此，當(dāng)清除管填充以管道氣體時(shí)所述測(cè)量的光吸收的值可以利用清除管中的溫度分布修正，溫度分布從所述氣體管道中的測(cè)量的或者已知的溫度以及在所述管道氣體離開(kāi)所述清除管的位置處測(cè)量的溫度獲得。作為上述方法的瞬間填充清除管以管道氣體的替換方案，清除氣體供給被切斷并且沿著清除方向以從氣體管道分支出的管道氣體的一部分充滿(mǎn)清除管。當(dāng)管道氣體的即使更短期間的暴露可能降低光學(xué)部件通常是氣體監(jiān)控系統(tǒng)(例如，污染、凝結(jié))的窗口的性能時(shí)可以使用該替換方案，因?yàn)槠湓试S分支管道氣體的滲入(例如過(guò)濾，干燥)。與上述第一清除方法相比，該替換方案不知道清除管中的管道氣體的溫度。可以通過(guò)熱處理(通常加熱)分支管道氣體至清除管之間的光學(xué)測(cè)量路徑中的管道氣體的溫度而解決該問(wèn)題，由此在清除管中獲得平的溫度輪廓。


下面參照附圖通過(guò)實(shí)例的方式來(lái)描述本發(fā)明，在附圖中圖I是管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)的橫截面視圖；以及圖2示出了管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)變型實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式圖I和圖2均示出了氣體管道I，管道氣體2通過(guò)氣體管道流動(dòng)。流動(dòng)方向通過(guò)箭頭指示。為測(cè)量選定氣體成分的濃度，光3被從光源4發(fā)射通過(guò)氣體管道I到測(cè)量探測(cè)器5。光源4可以是激光二極管或者承載外部光源的光的光學(xué)纖維的端件。測(cè)量探測(cè)器5可以是任何傳統(tǒng)類(lèi)型的光電探測(cè)器。光源4和測(cè)量探測(cè)器5布置在相應(yīng)不同的安裝在與氣體管道I的壁8徑向相對(duì)的位置的光學(xué)測(cè)量頭6和7中。在構(gòu)造上大致相同的測(cè)量頭6和7中的每一個(gè)均具有縱向室9，10，其在一端通入到氣體管道I中并且在另一端包含相應(yīng)的有源光學(xué)部件4或5。在示出的實(shí)施方式中，室9、10中的每個(gè)均包含將室9，10分成包含有源光學(xué)部件4，5的主室13，14與通向氣體管道I的前室的光學(xué)窗11，12。如果有必要的話(huà)，主室13、14可以每個(gè)還包含透鏡系統(tǒng)。前室15，16中的每個(gè)均用作清除管并且充滿(mǎn)不包含測(cè)量氣體部分的清除氣體。在充滿(mǎn)前室或清除管15，16以后，清除氣體排放到氣體管道I中。清除氣體通過(guò)清除氣體源17提供，在光學(xué)窗11，12附近的位置處氣體線(xiàn)18，19從清除氣體源引導(dǎo)并且排放到清除管15，16中。受控三通閥20將氣體線(xiàn)18，19與清除氣體源17和氣泵或鼓風(fēng)機(jī)21分開(kāi)。三通閥20、測(cè)量探測(cè)器5以及光源4連接到控制與估測(cè)單元22。可以包含在測(cè)量頭7中的單元22，估測(cè)測(cè)量探測(cè)器5輸出以從其特定波長(zhǎng)吸收確定待測(cè)量的氣體成分的濃度。為此目的必須知道氣體管道I中的光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度。從圖I和圖2顯而易見(jiàn)的是光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度L，特別地，如果測(cè)量路徑很短并且清除氣體的流量很高，不能簡(jiǎn)單地定義為清除管15，16，的開(kāi)口端之間的距離。此外，由于變化的過(guò)程狀況測(cè)量路徑長(zhǎng)度可以隨時(shí)間而改變。為確定實(shí)際光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度L，控制與估測(cè)單元22控制閥20以瞬間地將氣體線(xiàn)18，19從清除氣體源17切換到氣泵或鼓風(fēng)機(jī)21，從而清除管15，16將被瞬間地填充以管道氣體2。在圖I的實(shí)例中，氣泵或鼓風(fēng)機(jī)21布置為從氣體管道I汲取氣體2通過(guò)清除管15，16進(jìn)入排放線(xiàn)23，其可以在清除管15，16的下游的位置處排放到氣體管道I中。提供溫度傳感器24和25并且溫度傳感器24和25連接到控制與估測(cè)單元22，以測(cè)量在管道氣體離開(kāi)清除管15，16的位置并且進(jìn)入氣體線(xiàn)18，19的位置的管道氣體的溫度。在圖2的實(shí)例中，氣泵或鼓風(fēng)機(jī)21布置為，經(jīng)由管道氣體線(xiàn)26，在清除管15，16的上游的位置處從氣體管道I汲取管道氣體2的一部分并且使分支管道氣體通過(guò)清除管15，16回送到氣體管道I中。氣體過(guò)濾器27和溫度控制裝置28可以設(shè)置在管道氣體線(xiàn)26中以從穿過(guò)它的管道氣體2中保持諸如穩(wěn)定劑(sooth)的顆粒。在圖I和圖2兩種情形中，如果氣體管道I中的在管道氣體的一部分分支的位置處與其回饋的位置處的壓降足夠高，那么便可以省略氣泵或者鼓風(fēng)機(jī)21。通過(guò)管道氣體2傳送，光3根據(jù)比爾-朗伯定律指數(shù)地衰減I = I0 · exp (_c · α · L),這里Io是從光源4發(fā)出的光的強(qiáng)度，以關(guān)注氣體成分的分子吸收線(xiàn)的波長(zhǎng)，I是在穿過(guò)具有長(zhǎng)度L的測(cè)量路徑之后的光的強(qiáng)度，并且α是濃度為c的關(guān)注氣體成分的吸收系數(shù)。吸收系數(shù)α取決于溫度和壓力。對(duì)于小的光學(xué)吸收來(lái)說(shuō)，上面給出的公式減小為I = I2 · (1-c · α · L),這里A = c · α · L是光吸收。用于確定或者校準(zhǔn)光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度L的步驟如下I.清除管15，16充滿(mǎn)清除氣體。2.測(cè)量光吸收A:。、
3.接合或轉(zhuǎn)換閥20以使清除氣體切斷并且用管道氣體2填充清除管15，16，等待直到清除管15，16充滿(mǎn)管道氣體2。4.測(cè)量光吸收Aw_w。5.釋放或者轉(zhuǎn)回閥20，從而清除氣體流入清除管15，16中，等待直到清除管15，16充滿(mǎn)清除氣體2。6.測(cè)量光吸收A2。7.由于快速地陸續(xù)獲得光吸收值A(chǔ)1, Aw_w，A2,關(guān)注的氣體成分的濃度c將保持不變，以使A1 = c a L, Aw_w = c a Lw_w以及A2 = c a L2,這里L(fēng)1與L2是等于或至少相似，并且Lw_w是光源4與測(cè)量探測(cè)器5之間的已知路徑長(zhǎng)度(這里窗到窗路徑長(zhǎng)度)。因此能夠通過(guò)以下來(lái)計(jì)算實(shí)際光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度L:
權(quán)利要求
1.一種用于在管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)中確定光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度(L)的方法，所述管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)適于通過(guò)從光源(6)發(fā)射光(3)通過(guò)第一清除管(15)、氣體管道(I)和第二清除管(16)到測(cè)量探測(cè)器(5)，從其波長(zhǎng)特定吸收測(cè)量管道氣體的氣體成分的濃度，其中所述清除管(15，16)通入到所述氣體管道(I)中并且充滿(mǎn)清除氣體，所述清除氣體在充滿(mǎn)后排放到所述氣體管道(I)中，其特征在于， 在所述氣體成分的濃度的測(cè)量期間，所述清除管(15，16)瞬時(shí)地充滿(mǎn)所述管道氣體(2)，并且所述光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度(L)從所述光源(4)與所述測(cè)量探測(cè)器(5)之間的已知的路徑長(zhǎng)度乘以當(dāng)所述清除管(15，16)充滿(mǎn)所述清除氣體時(shí)測(cè)量的光吸收以及當(dāng)所述清除管(15，16)充滿(mǎn)所述管道氣體(2)時(shí)測(cè)量的光吸收的比率計(jì)算出，其中所述光吸收在時(shí)間上相鄰的測(cè)量中獲得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量的光吸收的比率中，當(dāng)所述清除管(15，16)填充以所述清除氣體時(shí)測(cè)量的光吸收值作為在填充所述清除管(15，16)以所述管道氣體(2)之前與之后的至少兩次測(cè)量的平均值而獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述清除管充滿(mǎn)清除氣體時(shí)并且當(dāng)其填充以管道氣體時(shí)測(cè)量重復(fù)若干次，其結(jié)果使用統(tǒng)計(jì)方法處理。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)切斷所述清除氣體供給并且沿著相反清除方向從所述氣體管道(I)抽出管道氣體(2)，所述清除管(15，16)瞬時(shí)地充滿(mǎn)所述管道氣體(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述清除管(15，16)填充以管道氣體(2)時(shí)所述測(cè)量的光吸收值利用清除管(15，16)中的溫度分布修正，所述溫度分布從所述氣體管道(I)中的測(cè)量的或者已知的溫度以及在所述管道氣體(2)離開(kāi)所述清除管(15，16)的位置處測(cè)量的溫度獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)切斷所述清除氣體供給所述清除管(15，16)瞬時(shí)地填充所述管道氣體(2)，并且沿著清除方向以從所述氣體管道(I)分支的所述管道氣體(2)的一部分充滿(mǎn)所述清除管(15，16)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述分支管道氣體(2)在所述清除管(15，.16)之間的光學(xué)測(cè)量路徑被熱處理到所述管道氣體(2)的溫度。
8.一種管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)適于執(zhí)行上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括 相對(duì)于氣體管道(I)布置光源(6)和測(cè)量探測(cè)器(5)以使得光(3)從所述光源(6)運(yùn)行通過(guò)第一清除管(15)、所述氣體管道(I)和第二清除管(16)到測(cè)量探測(cè)器(5)，所述清除管(15，16)通入到所述氣體管道(I)中并且連接到清除氣體源(17)，所述系統(tǒng)還包括閥(20)，所述閥被調(diào)整并且控制用于在測(cè)量在所述氣體成分的濃度的測(cè)量期間，瞬時(shí)地將所述清除管(15，16)從所述清除氣體源(17)轉(zhuǎn)換到泵(21)以便沿著相反的清除方向從所述氣體管道(I)汲取管道氣體(2)或者將所述清除管(15，16)從所述清除氣體源(17)轉(zhuǎn)換到在所述清除管(15，16)的上游的位置處與所述氣體管道(I)連接的管道氣體線(xiàn)(26)。
全文摘要
一種用于在管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)中確定光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度(L)的方法，所述管道氣體監(jiān)控系統(tǒng)適于通過(guò)從光源(6)發(fā)射光(3)通過(guò)第一清除管(15)、氣體管道(1)和第二清除管(16)到測(cè)量探測(cè)器(5),從其波長(zhǎng)特定吸收測(cè)量管道氣體的氣體成分的濃度，其中所述清除管(15，16)通入到所述氣體管道(1)中并且充滿(mǎn)清除氣體，所述清除氣體在充滿(mǎn)后排放到所述氣體管道(1)中。為了提供光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度(L)的改進(jìn)的估測(cè)，特別地當(dāng)過(guò)程條件變化時(shí)，在所述氣體成分的濃度的測(cè)量期間，所述清除管(15，16)瞬時(shí)地充滿(mǎn)所述管道氣體(2)，并且所述光學(xué)測(cè)量路徑長(zhǎng)度(L)從所述光源(4)與所述測(cè)量探測(cè)器(5)之間的已知的路徑長(zhǎng)度乘以當(dāng)所述清除管(15，16)充滿(mǎn)所述清除氣體時(shí)測(cè)量的光吸收以及當(dāng)所述清除管(15，16)充滿(mǎn)所述管道氣體(2)時(shí)測(cè)量的光吸收的比率計(jì)算出，其中所述光吸收在時(shí)間上相鄰的測(cè)量中獲得。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102639983SQ200980162738
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者弗雷德里克·庫(kù)奧帕 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司