CN201697876U - 气体的在位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体的在位测量装置，特点是：所述装置包括激光器，输出光的频率对应待测气体的吸收谱线：吸收谱线I、吸收谱线II；在单位浓度单位光程下，在吸收谱线I处，被测气体和吹扫气体的温度差引起被测气体内待测气体的吸收不低于吹扫气体内待测气体的吸收的5倍；探测器，用于接收穿过吹扫气体、被测气体后的对应于吸收谱线I的测量光，或穿过待测气体标气后的对应于吸收谱线II的标定光；分析单元，用于根据探测器的信号得到被测气体内待测气体的含量；吹扫单元，用于提供气体去吹扫被测气体区域外的测量光路，吹扫气体中含有待测气体；标定单元，包括待测气体的标气。本实用新型具有测量精度高、成本低等优点。

Description

气体的在位测量装置

技术领域

本实用新型涉及气体测量，特别涉及利用气体吸收光谱技术在位测量高温气体的装置。

背景技术

在垃圾焚烧等领域内，为了控制燃烧炉内的燃烧效率，需要准确、及时地监控燃烧炉内的O₂含量。燃烧炉内O₂浓度测量范围为0～25％，温度范围为800～900℃。

目前，基于DLAS(Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术的激光吸收光谱气体分析装置广泛应用在气体测量中。DLAS技术的基本原理为：调谐测量光的波长，使其对应到待测气体的吸收谱线；测量光穿过待测气体并被探测器接收转换为电信号，得到测量光在所述吸收谱线处的吸收，根据比尔-朗伯定律得到待测气体的浓度等参数。DLAS技术具有诸多优点，如：原位在线测量，响应时间很短，可以达到毫秒级，可以实现连续测量；测量下限低，可用于测量浓度为ppb级的气体；测量精度高。

如图1所示，一种在位式氧气测量装置，光发射单元14和光接收单元15设置在燃烧炉10的两侧，同时通过窗口片16、17隔离待测气体11；其中，光源2设置在光发射单元14内，探测器20设置在光接收单元15内。光源2发出的测量光束19被待测气体11中的氧气吸收，通过分析单元30分析测量光束19的透过率，从而得到待测气体11中氧气浓度等参数。

外界空气含有氧气，氧气会进入所述光发射单元14和光接收单元15内，吸收了部分测量光束19，从而影响了测量精度。

另外，当待测气体11中的颗粒物较多时，颗粒物会粘附在所述窗口片16、17上，大大降低了测量光束19的透过率，甚至会使透光率为零，严重影响了测量精度，甚至使测量无法进行。

为了排除上述不利影响，该测量装置还配置了吹扫单元21，往所述光发射单元14和光接收单元15内充入吹扫气体22。或者向所述窗口片16、17邻近待测气体11的一侧充入吹扫气体22，从而使待测气体11中的颗粒物无法污染所述窗口片16、17，上述措施大大提高了测量精度，也提高了测量的可持续性。

通常使用高纯氮气作为吹扫气体22，但在垃圾焚烧等领域中，高纯氮气难以获得，再有，高纯氮气内还含有氧气，测量光路上的吹扫气体中的氧气会吸收测量光，从而降低了测量精度。

为了解决上述技术问题，通常做法是：在光发射单元内设置氧气传感器，测得吹扫气体中氧气的浓度，通过扣除吹扫气体(包括光发射单元内、或光接收单元内、或窗口片临近待测气体一侧的吹扫气体)中氧气对测量光的吸收，进而得到燃烧炉内氧气浓度等参数。这种方法的不足之处主要为：

1、所述气体传感器的测量精度低，而且受气体压力、温度的影响较大。

2、受制于测量原理，气体传感器的响应时间长，不能实时测量。

3、稳定性差，所述气体传感器的性能随使用时间的增加而下降较快。

4、气体传感器寿命短，不断更换的传感器也提高了测量成本。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种结构简单、测量精度高、成本低的气体的在位测量装置。

为了实现上述目的，本实用新型分别采用如下技术方案：

一种燃烧炉内氧气的测量装置，特点是：所述装置包括：

激光器，输出光的频率对应待测气体的吸收谱线：吸收谱线I、吸收谱线II；在单位浓度单位光程下，在吸收谱线I处，被测气体和吹扫气体的温度差引起被测气体内待测气体的吸收不低于吹扫气体内待测气体的吸收的5倍；

探测器，用于接收穿过吹扫气体、被测气体后的对应于吸收谱线I的测量光，或穿过待测气体标气后的对应于吸收谱线II的标定光；

分析单元，用于根据探测器的信号得到被测气体内待测气体的含量；

吹扫单元，用于提供气体去吹扫被测气体区域外的测量光路，吹扫气体中含有待测气体；

标定单元，包括待测气体的标气。

进一步，所述标定单元包括标定管。

进一步，所述标定管上设置便于和激光器、探测器配接的连接装置。

进一步，激光器通过光纤与标定管连接，在测量光路和/或标定光路中设置控制器件，用于控制测量光或标定光的通过与否。

作为优选，所述待测气体是氧气，所述吸收谱线I为以下任一频率：13164.18cm^-1、13164.93cm^-1、13161.93cm^-1、13159.44cm^-1、13154.66cm^-1、13009.89cm^-1、13001.35cm^-1、13000.82cm^-1、12988.48cm^-1、12979.66cm^-1、12976.54cm^-1、12966.42cm^-1。

作为优选，所述待测气体是氧气，所述吸收谱线II为以下任一频率：13163.78cm^-1、13164.69cm^-1、13161.62cm^-1、13158.74cm^-1、13154.19cm^-1、13010.82cm^-1、13001.72cm^-1、12999.97cm^-1、12988.73cm^-1、12978.83cm^-1、12977.12cm^-1、12966.82cm^-1。

作为优选，所述吹扫单元提供空气作为吹扫气体。

与现有技术相比较，本实用新型有如下有益效果：

1、测量精度高

本实用新型选择了常温下吸收非常弱、高温下吸收较强的待测气体的吸收谱线I：光发射单元、光接收单元以及测量通道内吹扫气体的温度基本为常温，燃烧炉的温度则超过1000K，吹扫空气中待测气体对测量光的吸收与管道内高温气体对测量光的吸收相比较弱；而且测量光在吹扫气体中的光程小于在管道内的光程；再有，空气中各气体的浓度变化很小，因此，吹扫气体中待测气体的浓度、温度、压力的变化而引起的对测量光在谱线I处的吸收的变化非常小，可忽略不计。

为了进一步提高测量的精度，还需标定测量装置，在激光器的输出光频率范围内，选择了待测气体的另外一条吸收谱线II，使得在常温下待测气体在吸收谱线II处对标定光的吸收较强。

2、成本低

本实用新型可直接使用空气作为吹扫气体，明显地减低了吹扫气体的成本。

由于吹扫气体中待测气体的变化而引起对测量光的吸收的变化可忽略不计，因此无需设置专门的待测气体传感器去测量吹扫气体中待测气体的含量。

附图说明

图1是现有技术中氧气测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中氧气测量装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例2中氧气测量装置的结构示意图；

图4是实施例1中选择的吸收谱线示意图；

图5是实施例2中选择的吸收谱线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1：

如图2所示，一种焚烧炉内氧气的在位测量装置，焚烧炉内的温度为1223K左右，所述测量装置包括：

光发射单元14，包括激光器25以及驱动模块，所述激光器25的输出光频率包括对应于氧气的吸收谱线I的频率v₁＝13164.18cm^-1、对应于氧气的吸收谱线II的频率v₂＝13163.78cm^-1。在驱动模块工作下，激光器25的输出光频率可扫过上述频率。如图4所示，在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收大大超过常温(300K)下的吸收，超过15倍。

光接收单元15，包括探测器20，探测器20的选择是本领域的现有技术，在此不再赘述。

分析单元30，用于根据探测器20送来的信号、吹扫光程内氧气对测量光的吸收而分析燃烧炉10内高温气体在吸收谱线I处测量光的吸收，从而得出燃烧炉10内氧气的含量。

上述光发射单元14、光接收单元15通过法兰、阀门等装置配接在燃烧炉10上，使得光发射单元14发出的测量光19能够被光接收单元15接收。通过窗口片16隔开被测环境和光发射单元14，通过窗口片17隔开被测环境和光接收单元15。

吹扫单元21，用于提供空气23(空气中氧气的含量很稳定)去吹扫光发射单元14、光接收单元15的内部以及测量通道。测量光19在燃烧炉内的光程为4m，在吹扫气体中的光程为1.2m。

标定单元，包括标定管9以及标定气源(未示出)，标定管9的两端设置便于与光发射单元14、光接收单元15配接的连接装置，标定气源包括氧气的零气以及标气。

本实施例还揭示了一种氧气的在位测量方法，用于测量垃圾焚烧炉内氧气的浓度，焚烧炉内的温度为1223K左右，氧气的含量为10％左右，所述测量方法具体为：

如图4所示，选择氧气的吸收谱线I的频率v₁＝13164.18cm^-1、吸收谱线II的频率v₂＝13163.78cm^-1。在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收大大超过常温(300K)下的吸收，超过15倍；根据选择的吸收谱线确定激光器25，使得在激光器驱动模块作用下，激光器25的输出光频率可扫过上述吸收谱线；

在测量状态下：

吹扫单元21提供的空气23吹扫光发射单元14、光接收单元15以及测量通道，光发射单元14、光接收单元15以及测量通道内为常温；

在驱动模块作用下，激光器25的输出光频率被调谐到v₁＝13164.18cm^-1，测量光19穿过测量通道、燃烧炉10内的高温气体后被探测器20接收，并转换为电信号，分析单元30根据探测器20送来的信号，再扣除掉吹扫光程内氧气对测量光的吸收，从而得到高温气体对频率v₁＝13164.18cm^-1处输出光的吸收，分析该吸收后得到燃烧炉10内氧气的浓度X：

其中，K为测量装置的标定系数，b₀为测量装置的零点，P、T、L分别为被测气体的压力、温度、光程，f(P，T)为被测气体在谱线I处的温度、压力相关函数，V为探测器检测到的吸收信号，V_吸为吹扫气体吸收光后得到的吸收信号。

V_吹＝K·X_吹·L_吹·f(P_吹，T_吹)

其中，X_吹为吹扫气体浓度，为20.95％，K为标定系数，P_吹为吹扫气体的压力，约为1atm，T_吹为吹扫气体温度，变化范围为-20～50℃，L_吹为吹扫光程，f(P_吹，T_吹)为吹扫气体在谱线I处的温度、压力相关函数。

如图4所示，在常温下，光发射单元14、光接收单元15以及测量通道内吹扫空气中的氧气对v₁＝13164.18cm^-1频率光的吸收非常弱；燃烧炉内的温度为1223K左右，炉内氧气对频率为v₁＝13164.18cm^-1的输出光的吸收较强，超过常温下吸收的15倍；再有，测量光19在吹扫气体中的光程(1.2m)小于在燃烧炉内的光程(4m)；还有，吹扫空气中氧气的浓度较稳定。因此，吹扫空气的温度、压力变化引起的氧气在v₁＝13164.18cm^-1处对测量光19的吸收V_吹的变化非常小，对氧气浓度测量结果的影响小于1％，可忽略不计。

随着使用时间的变长，需要标定整个测量装置，具体为：

拆卸下光发射单元14和光接收单15元，并将光发射单元14和光接收单元15安装在标定管9上，标定管9内分别通入氧气的零气和标定；

在驱动模块的作用下，激光器1的输出光频率被调谐到v₂＝13163.78cm^-1，输出光穿过标定管9内的标气，之后被探测器20接收并转换为电信号，根据分析单元30的结果去标定，从而得到标定系数K：

$K=\frac{V-b_0}{X\·L\·f(P,T)}$

其中，X为标气浓度，b₀为测量装置的零点，P、T、L分别为标定时气体压力、温度、光程，f(P，T)为在谱线v₂＝13163.78cm^-1处的温度、压力相关函数，V为探测器检测到吸收信号。

标定结束后，将光发射单元14和光接收单元15重新安装到燃烧炉10的两侧，并将激光器25的输出光频率调谐到v₁＝13164.18cm^-1，继续测量燃烧炉10内氧气的含量。

由上可见，由于氧气吸收谱线的恰当选择，使得能够利用空气作为吹扫气体，而且无需时时测量吹扫空气中的氧气含量，降低了测量成本。

实施例2：

如图3所示，一种焚烧炉内氧气的在位测量装置，焚烧炉内的温度为1223K左右，所述测量装置包括：

光发射单元8，包括激光器27以及驱动模块、光分路器5，所述激光器27的输出光频率包括对应于氧气的吸收谱线I的频率v₁＝13164.93cm^-1、对应于氧气的吸收谱线II的频率v₂＝13164.69cm^-1。在驱动模块工作下，激光器27的输出光频率可扫过上述频率。如图5所示，在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收大大超过常温(300K)下的吸收，超过了8倍。

光接收单元6，包括探测器28，探测器28的选择是本领域的现有技术，在此不再赘述。

分析单元30，用于根据探测器28送来的信号、吹扫光程内待测气体对测量光的吸收分析高温气体对吸收谱线I处测量光的吸收，从而得出燃烧炉10内氧气的含量。

上述光发射单元8、光接收单元6通过法兰、阀门等装置配接在燃烧炉10上，使得激光器27发出的测量光能够被探测器28接收。通过窗口片16隔开被测环境和光发射单元8，通过窗口片17隔开被测环境和光接收单元6。

吹扫单元21，用于提供空气23去吹扫光发射单元8、光接收单元6的内部以及测量通道。

标定单元，包括标定管9以及标定气源(未示出)，标定管9的两端通过光纤连接分路器5和探测器28，标定气源包括氧气的零气以及标气。

通过光分路器5的切换，使测量装置处于测量或标定状态。需要测量时，通过切换，激光器27发出的光成为测量光19，测量光19穿过测量通道、燃烧炉10后被探测器28接收，此时没有光通过标定管9。需要标定时，通过切换，激光器27发出的光成为标定光26，标定光26穿过标定管9后被探测器28接收，此时没有光通过燃烧炉10。

所述测量光19在燃烧炉10内的光程为4m，在吹扫气体中的光程为1.2m。

本实施例还揭示了一种氧气的在位测量方法，用于测量垃圾焚烧炉内氧气的浓度，焚烧炉内的温度为1223K左右，氧气的含量为10％左右，所述测量方法具体为：

如图5所示，选择氧气的吸收谱线I的频率v₁＝13164.93cm^-1、吸收谱线II的频率v₂＝13164.69cm^-1。在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收大大超过常温(300K)下的吸收，超过8倍。根据选择的吸收谱线确定激光器27，使得在激光器驱动模块作用下，激光器27的输出光频率可扫过上述吸收谱线；根据选择的吸收谱线确定激光器27，使得在激光器驱动模块作用下，激光器27的输出光频率可扫过上述吸收谱线。

在测量状态下：

吹扫单元21提供的空气23吹扫光发射单元8、光接收单元6以及测量通道，光发射单元、光接收单元以及测量通道内为常温；

在驱动模块作用下，激光器27的输出光频率被调谐到v₁＝13164.93cm^-1，通过光分路器5的切换，输出光为测量光19，测量光19穿过测量通道、燃烧炉10内的高温气体后被探测器28接收，并转换为电信号；分析单元30根据探测器20送来的信号，再扣除掉吹扫光程内氧气对测量光的吸收，从而得到高温气体对频率v₁＝13164.93cm^-1处输出光的吸收，分析该吸收后得到燃烧炉10内氧气的浓度X：

其中，K为测量装置的标定系数，b₀为测量装置的零点，P、T、L分别为被测气体的压力、温度、光程，f(P，T)为被测气体在谱线I处的温度、压力相关函数，V为探测器检测到的吸收信号，V_吸为吹扫气体吸收光后得到的吸收信号。

V_吹＝K·X_吹·L_吹·f(P_吹，T_吹)

其中，X_吹为吹扫气体浓度，为20.95％，K为标定系数，P_吹为吹扫气体的压力，约为1atm，T_吹为吹扫气体温度，变化范围为-20～50℃，L_吹为吹扫光程，f(P_吹，T_吹)为吹扫气体在谱线I处的温度、压力相关函数。

如图5所示，在常温下，光发射单元8、光接收单元6以及测量通道内吹扫空气中的氧气对v₁＝13164.93cm^-1频率光的吸收非常弱；燃烧炉内的温度为1223K左右，炉内氧气对频率为v₁＝13164.93cm^-1的输出光的吸收较强：在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收超过常温(300K)下的吸收，超过8倍；还有，测量光19在吹扫气体中的光程(1.2m)小于在燃烧炉10内的光程(4m)；再有，吹扫空气中氧气的浓度很稳定，因此，吹扫空气中氧气浓度、温度、压力变化引起的在v₁＝13164.93cm^-1处对测量光19的吸收的变化非常小，对浓度测量结果的影响小于1％，可忽略不计；

随着使用时间的变长，需要标定整个测量装置，具体为：

在驱动模块的作用下，激光器27的输出光频率被调谐到v₂＝13164.69cm^-1，通过光分路器5的切换，输出光成为标定光26，标定光26穿过标定管9内的标气，之后被探测器28接收并转换为电信号，根据分析单元30的分析结果去标定，从而得到标定系数K：

$K=\frac{V-b_0}{X\·L\·f(P,T)}$

其中，X为标气浓度，b₀为测量装置的零点，P、T、L分别为标定时气体压力、温度、光程，f(P，T)为在谱线v₂＝13163.78cm^-1的温度、压力相关函数，V为探测器检测到吸收信号。

标定结束后，将激光器27的输出光频率调谐到v₂＝13164.93cm^-1，再通过光分路器5的切换，从而继续测量燃烧炉10内氧气的含量。

由上可见，由于氧气吸收谱线的恰当选择，使得能够利用空气作为吹扫气体，而且无需时时测量吹扫空气中的氧气含量，降低了测量成本。

实施例3：

一种焚烧炉内氧气的在位测量装置，与实施例2不同的是：

1、不再设置光分路器，而是在测量光路(测量光在激光器和探测器之间形成的光路)中设置第一光开关，在标定光路(标定光在激光器和探测器之间形成的光路)中设置第二光开关。

当处于测量状态时，第一光开关开启，第二光开关关闭；当处于标定状态时，第一光开关关闭，第二光开关开启。

2、测量光在吹扫气体内总的光程为0.3m，吹扫空气中氧气的含量为21％；燃烧炉内测量光程为3m，氧气的含量为10％左右；在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收大大超过常温(300K)下的吸收，超过15倍。可见，吹扫气体内氧气对测量光的吸收远小于燃烧炉内氧气对测量光的吸收的1％，吹扫气体对测量光的吸收可忽略不计。

一种焚烧炉内氧气的在位测量方法，与实施例2不同的是：

1、不再设置光分路器，而是在测量光路(测量光在激光器和探测器之间形成的光路)中设置第一光开关，在标定光路(标定光在激光器和探测器之间形成的光路)中设置第二光开关。

当处于测量状态时，第一光开关开启，第二光开关关闭；当处于标定状态时，第一光开关关闭，第二光开关开启。

2、被测气体内氧气浓度X的计算公式为：

其中，K为测量装置的标定系数，b₀为测量装置的零点，P、T、L分别为被测气体的压力、温度、光程，f(P，T)为被测气体在吸收谱线I处的温度、压力相关函数，V为探测器检测到的吸收信号，V_吹为吹扫气体吸收光后得到的吸收信号。

本实施例中，测量光在吹扫气体内总的光程为0.3m，吹扫空气中氧气的含量为21％，燃烧炉内测量光程为3m，氧气的含量为10％左右；在单位浓度单位光程下，在氧气的吸收谱线I处，高温(1223K)下的吸收大大超过常温(300K)下的吸收，超过15倍。可见，吹扫气体内氧气对测量光的吸收小于燃烧炉内氧气对测量光的吸收的1％，吹扫气体对测量光的吸收可忽略不计，氧气的浓度X的计算公式简化为：

$X=\frac{V-b_0}{K\·L\·f(P,T)}$

上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。实施例中列举了氧气的测量，当然还可以是其它气体，如二氧化碳等。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型做出的任何形式的改变均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.气体的在位测量装置，其特征在于：所述装置包括：

激光器，输出光的频率对应待测气体的吸收谱线：吸收谱线I、吸收谱线II；在单位浓度单位光程下，在吸收谱线I处，被测气体和吹扫气体的温度差引起被测气体内待测气体的吸收不低于吹扫气体内待测气体的吸收的5倍；

探测器，用于接收穿过吹扫气体、被测气体后的对应于吸收谱线I的测量光，或穿过待测气体标气后的对应于吸收谱线II的标定光；

分析单元，用于根据探测器的信号得到被测气体内待测气体的含量；

吹扫单元，用于提供气体去吹扫被测气体区域外的测量光路，吹扫气体中含有待测气体；

标定单元，包括待测气体的标气。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述标定单元包括标定管。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述标定管上设置便于和激光器、探测器配接的连接装置。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：激光器通过光纤与标定管连接，在测量光路和/或标定光路中设置控制器件，用于控制测量光或标定光的通过与否。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述待测气体是氧气，所述吸收谱线I为以下任一频率：13164.18cm^-1、13164.93cm^-1、13161.93cm^-1、13159.44cm^-1、13154.66cm^-1、13009.89cm^-1、13001.35cm^-1、13000.82cm^-1、12988.48cm^-1、12979.66cm^-1、12976.54cm^-1、12966.42cm^-1。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述待测气体是氧气，所述吸收谱线II为以下任一频率：13163.78cm^-1、13164.69cm^-1、13161.62cm^-1、13158.74cm^-1、13154.19cm^-1、13010.82cm^-1、13001.72cm^-1、12999.97cm^-1、12988.73cm^-1、12978.83cm^-1、12977.12cm^-1、12966.82cm^-1。

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