監測煙囪排放物的改進型自動聲光紅外分析儀系統的製作方法
2023-06-17 15:06:36
專利名稱:監測煙囪排放物的改進型自動聲光紅外分析儀系統的製作方法
本發明涉及用於監測煙筒的氣體排放物的寬帶自動聲光紅外分析儀系統。
對於可以在多種工業生產過程中分析反應生成物的分析儀存在一個正在增長的大的市場。而且，需要用與主機聯機的燃燒生成物實時分析儀來促進碳氫化合物燃料更有效的燃燒。例如，電力事業已經面臨監測煙囪排放物的任務多年了。起初，這包括為了控制燃燒效率而測量氧濃度以及監測煙塵的不透明度。進一步的法規則要求監測一氧化硫和一氧化碳。毫無疑問在將來還需要監測更多的氣體。例如，在歐洲建議採用的法規中要求，若在煙囪中添加氨以維持靜電濾塵器的效率的話，則需要監測氨。現代的研究已經表明，如果監測一氧化碳，可以達到更高的燃燒效率。現在，越來越多的氣體正在迅速地列入應監測的氣體名單。過去的解決辦法是安裝單獨的探測器來監視每一種氣體。隨著需要監測的氣體總量增加，這種方法變得越來越昂貴和不理想。
已經知道為了滿足上述的工業需要，可以採用利用紫外和紅外分光光度技術的分析儀器，以及利用氣相的和液相的色譜分析技術的分析儀器。這樣的光學儀器以及本發明的系統都利用了物質的下列重要特性一種特定分子具有與所有其它種分子不相同的特徵吸收光譜。混合分子的光譜是相加的，其吸收正比於諸分子的濃度。只要樣品透光，就可以從任何種類的樣品(樣品可以是固態、液態或氣態)得到光學吸收光譜，並且是在該樣品的非破壞性試驗中得到該光譜。幾乎所有的氣體分子都吸收紅光輻射。每種分子都在特定的特徵波長上有吸收，所以監測在特定波長上的吸收值，就可以推斷出存在於煙囪中的氣體的含量。這一過程是通過使紅外輻射橫穿過煙囪射到一個探測器上來實現的。調諧發射輻射的波長使之與待測氣體的特定波長相重合。探測器在給定波長上的信號強度與在那個波長上吸收輻射的氣體的濃度有關。通過在光路中插入窄帶幹涉濾光片或者插入充滿適當氣體的盒來完成紅外輻射的有選擇的調諧。這兩種方法都包含機械運動，而且可以使用的盒或濾光片的數量顯然受到限制，所以可靠性和精度比這些調諧元件的理想性能要差。
現在已經認識到某些稱作聲光材料的雙折射光學材料可以在光譜分析儀中用作濾光片。在這些聲光材料中，一束作為非常光線(E光)傳輸的光可以在一定條件下通過與相同介質中傳播的聲波相互作用，產生衍射，而轉換成一束尋常光線(O光)。這種現象已經用於製造窄帶光學濾光片，可以通過適當改變聲波頻率來選擇其峰值透射波長。最近，諸如硒化砷鉈這樣的新型有效的紅外透射光學材料(如在美國專利No.3，792，287的說明書中所公開的)提供了在大約1微米到16微米的近紅外到中紅外光譜範圍工作的可能性。
使用聲光技術的一種自動聲光紅外分折儀系統在美國專利No.4，490，845的說明書中公開了。美國專利No.4，490，845講授一種自動聲光可調諧濾光片紅外分折儀系統，它通過與穿過樣品的紅外輻射發生聲光相互作用，使濾光片快速地電子調諧到選定的紅外通帶。這個紅外分折儀系統包括引導紅外輻射通過待分折樣品的裝置，該樣品具有確定的紅外吸收特性。該系統包括在紅外輻射通過樣品後，引導該紅外輻射通過一個聲光可調諧濾光片的裝置。聲光可調諧濾光片包括一個用來使紅外輻射有選擇地偏振的輸入起偏器。可調諧濾光片包括一個光學調準的聲光晶體，有選擇地偏振的紅外輻射相對於晶體光軸成預定角度通過該晶體。一個聲換能器裝置與該晶體以及一個可變頻率的射頻能源相耦合，在晶體中發射聲波，以便與該偏振紅外輻射的選定的窄帶部分相互作用，使它與其它輻射區別開。這個被調諧的或選定的窄帶輻射是射頻能源(其與濾光片的聲換能器相連)的頻率的函數。紅外輻射檢測裝置與濾光片相耦合，以檢測濾出的紅外輻射輸出，並且產生一個作為濾出的紅外輻射輸出的函數的輸出信號。該系統包括自動計算裝置，檢測裝置輸出的電信號加到計算裝置上，用來確定存在於樣品中的樣品種類。計算裝置包括用來有選擇地觸發射頻能源的裝置，以確定施加到聲換能器上的射頻能量的時間和頻率，並由此確定選定的或濾出的所研究的窄帶紅外波長。
本發明的目的是提供一個特別適宜於監測煙囪的氣體排放物的改進型自動聲光紅外分折儀系統。這個改進的分析儀系統是一個用電子學方法工作，易於與微型計算機連接的儀器，適合「靈敏探測器」的應用，諸如快速掃描微分吸收光譜，信號調整，被測吸收光譜與存儲光譜相比較等。
本發明再一個目的是提供一個改進的自動聲光紅外分析儀系統，其中紅外檢測器和聲光可調諧濾光片分離開，以便窄帶相互作用輻射的角位移足以在檢測器上使窄帶相互作用輻射與寬帶非相互作用輻射在空間分離開，這樣可以省去正交起偏器。
本發明的另一個目的是提供一個具有一種結構的改進型自動聲光紅外分折儀系統，在這種結構中，聲光可調諧濾光片(AOTF)橫穿過煙囪中含有的氣體，向探測器發射脈衝的或斷續的窄帶輻射，這樣探測器能夠區別開這些脈衝輻射和熱煙囪發出的穩定熱輻射。因而，這個改進的分析儀系統特別適宜用在待分析氣體具有很高溫度時的各種應用。
依據本發明，一個寬帶自動聲光可調諧濾光片多種氣體紅外分析儀系統包括引導紅外輻射通過所研究的含有待分析樣品的環境的裝置;一個帶有光學調準聲光晶體的聲光可調諧濾光片，紅外輻射相對於晶體光軸成預定角度通過該晶體;一個與可變頻率的射頻能源及聲光晶體耦合的，在晶體中發射聲波的聲換能器裝置，該聲波與紅外輻射的選定的窄帶部分相互作用，使其可以與其它的紅外輻射區分開，其中選定的窄帶部分是射頻能源的頻率和聲波頻率的函數，其相對於通過該聲光可調諧濾光片的非選定的紅外輻射發生角位移;把紅外輻射引導到所說的聲光可調諧濾光片上的裝置，此後紅外輻射被所研究的環境中給定的樣品成份的吸收特性所改變，紅外輻射中已發生角位移的、選定的窄帶部分通過所研究的環境之後，被紅外輻射檢測裝置檢測，其中檢測裝置產生一個作為被測輻射的函數的輸出電信號，所說的檢測裝置的位置設置與所說的聲光可調諧濾光片有關，要使選定的窄帶部分的角位移足以在檢測裝置上使窄帶部分與非選定的寬帶輻射分離開;將檢測裝置的輸出信號施加於其上，以確定樣品盒中所含樣品種類的計算裝置，它包括使射頻能源脈衝式工作的裝置，以確定施加在聲換能器(它與聲光晶體相配合)上的射頻能源的時間和頻率，從而確定紅外波長的選擇或者聲光可調諧濾光片的調諧，藉助於脈衝式工作能使所說的檢測裝置區別開選定的窄帶部分的脈衝輻射與所研究的環境發出的輻射。
藉助於與通過所研究的環境的紅外輻射發生聲光相互作用，本系統可以方便而快速地把濾光片電子調諧到一個選定的紅外通帶，以便檢測在該環境中是否存在一種特殊的樣品種類。紅外分析儀系統包括用於引導紅外輻射通過可能含有待分析樣品種類的所研究的環境，這些樣品種類具有確定的紅外吸收特性。系統具有在紅外輻射被樣品的吸收特性改變之前將其引導到聲光可調諧濾光片上的裝置。聲光可調濾光片包括一個光學調準的聲光晶體，紅外輻射相對於晶體光軸成一預定角度通過該晶體，一個與可變頻率的射頻能源以及聲光晶體相耦合，把聲波發射進晶體中的聲換能器裝置，聲波與紅外輻射的選定的窄帶部分相互作用，以使窄帶部分與其餘的紅外輻射相區別，其中選定的窄帶部分是射頻能源的頻率和聲波頻率的函數。選定的窄帶部分相對於通過聲光可調諧濾光片的非選定或非相互作用的紅外輻射發生角位移。系統包括檢測已經通過所研究的環境、發生了角位移的、選定的紅外輻射的窄帶部分的檢測裝置。該檢測裝置產生一個作為被測輻射的函數的電信號輸出，檢測裝置的位置與聲光可調諧濾光片有關，要使選定的窄帶部分的角位移足以在檢測裝置上使窄帶部分與非選定輻射在空間上分離開。最後，還有將檢測裝置的輸出電信號施加於其上，以確定樣品盒中所含樣品種類的計算裝置，它包括使射頻能源脈衝式工作的裝置以確定施加在聲換能器(它與聲光晶體相配合)上的射頻能源的時間和頻率，從而確定紅外波長的選擇或者聲光可調諧濾光片的調諧。AOTF橫穿過含有氣體的空間向探測器發射窄帶脈衝輻射。這使探測器把這些脈衝輻射和熱煙囪發出的穩定熱輻射區分開。
現在參考附圖，通過例子說明本發明，其中
圖1是自動聲光紅外分析儀系統實施例的圖解說明;
圖2是本發明的聲光可調諧濾光片的放大圖，表示窄帶相互作用輻射相對於通過濾光片的寬帶非相互作用輻射發生的角位移。
一個自動聲光可調諧濾光片紅外分析儀系統如圖1中的11所示，它由幾個子系統和含有聲光可調諧濾光片(AOTF)13的部件構成。可以認為分析儀系統11有兩個主要的子系統，即光學系統15和電子系統17。分析儀系統11的光學系統15基本上是一個能夠在相當寬的光譜範圍內工作的紅外固態光譜儀。一個紅外輻射源19例如能斯特(Nernst)閃光燈，用作該系統的初級寬帶紅外輻射源。光源19產生的一部分紅外輻射被反射鏡21收集和準直。由反射鏡21發出的準直光束通過AOTF13，在AOTF13處選出輻射的窄帶部分，並與紅外輻射的其餘部分(如圖1中虛線所示)區分開來。校準第二反射鏡23，以收集由AOTF13發出且穿過所研究的環境25的、空間分離的窄帶相互作用輻射，同時，把收集到的準直光束反射到探測器27。當然，也可以採用其它技術將紅外輻射導向聲光可調諧濾光片的輸入端面，而不違背本發明的基本概念。在本具體申請中的所研究的環境是煙囪，例如工廠或者公用事業的煙囪(一般性地表示為25)。如圖1所示，排氣煙囪25包含相對的兩側壁29和31。在這類結構中，探測器27和AOTF13分置在煙囪25的相對的兩側。由於探測器與AOTF分開放置，所以，在探測器上，窄帶相互作用輻射的角位移足以使窄帶輻射與寬帶非相互作用輻射在空間上分離開。這一點對美國專利No.4，490，845的說明書中公開的系統是有針對性的改進，由此可以省去正交起偏器。
聲光可調諧濾光片13通過聲波與光波在適當的晶體33中的相互作用而工作。典型的是將聲換能器35粘接在光學晶體13上，並由一個可控射頻信號驅動，這將在下文敘述。已經研究出多種光學材料用於聲光裝置中，這些材料包括如美國專利No.3，792，297，No.3，929，970和No.3，799，659的說明書中公開的硒化砷鉈。晶體33具有較大且恆定的折射率。換能器35通常粘接在晶體33的與入射光垂直的一側，包括一個用銦金屬結連結到聲光晶體上的x切割的鈮酸鋰晶板，在鈮酸鋰換能器每一側各安置一塊導電極板。電極由電子系統驅動，這將在下文敘述。晶體33的光學輸入面37被切割成垂直於入射紅外光束，而輸出光束髮生衍射，相對於入射光束偏差約為6°，光學輸出面要切割成垂直於該衍射光束。設計聲光晶體33，使晶軸b-c在晶體的入射光學平面內，而且光束以一個選定的角度傳播。換能器35輸出的聲能的傳輸近似垂直於光束的傳播方向。當射頻功率加到換能器上時，輸入的紅外輻射沿著與晶體光軸成預定夾角的通路傳播，同時，窄通帶頻率的輻射有選擇地與聲波相互作用。因為選定的或調諧的窄通帶紅外輻射相對於未改變的輸入輻射通路以一個小角度偏斜或衍射，所以可以將它與其餘的輸入輻射區分開。典型地，這一角度值是6°。因此，靠這個偏離角可以在空間上將濾出的光分開。硒化砷鉈聲光晶體有一個包含晶軸b-c的基平面，而且光束的傳播與晶軸c或光軸保持約35°的夾角，如圖2所示。輸入輻射與晶軸c或光軸之間的角度關係並不嚴格，可以改變。但是，這種改變會影響具體的射頻調諧頻率，該頻率用來濾出或調諧具有所要求的帶寬的所研究的波長。
現在敘述圖1中的電子系統17。紅外探測器27輸出的模擬信號送到放大器51，然後送給模/數轉換器53，其形成的數位訊號送到微型計算機55。電子系統17通過同射頻放大器57相連的換能器35，在聲光可調諧濾波器13處與光學系統15相連接。從射頻放大器輸出的選定頻率的射頻驅動功率通過換能器35，向晶體33發送聲波。可以以這種方法探測光學系統濾出的紅外輻射，而且微型計算機可以利用它們確定排氣煙囪25中因被測氣體存在而引起的吸收。通常微型計算機55具有與其相連的視頻輸出裝置59用於被測信號的視覺顯示，以及存貯裝置61和印表機63。存貯裝置61中存放著系統的控制和操作信號。當存貯裝置61提供控制信號時，微型計算機55通過一個適當的接口裝置65控制頻率合成器67的輸出頻率和幅度，該合成器由門電路69連接到射頻放大器57，以實現射頻放大器的脈衝式工作。門電路69用來與脈衝抑制電路71連接，以確保給換能器提供適當寬度的射頻脈衝，而射頻功率的工作周期限定在不使晶體33過熱的負載水平。因此，本系統不僅可以作為一個快速調諧的窄帶紅外濾光片，而且還可以作為固態的光學斬波器。
微型計算機55從存貯裝置61提取控制信號，以便按順序向聲光可調諧濾光片13的換能器35提供射頻脈衝，其典型指標是在大約20到100兆赫芝的工作頻段內，峰值功率大約10瓦，脈衝寬度3.5微秒。設計脈衝參數，使濾光片先在沒有吸收的參考波長下是透明的，然後在一個已知氣體的具有較強吸收的波長下是透明的。除了對各種氣體的吸收波長快速採樣以外，系統首先測量無氣體存在的狀態，以產生由模/數轉換器對參考波長和一個氣體吸收波長測到的樣品幅度信號。然後由微型計算機產生作為分析函數的反饋過程控制信號，去控制具體的過程，諸如正在分析的燃燒過程。
本系統已經用於對通常燃燒的生成氣體例如二氧化碳進行採樣，當取41兆赫芝的射頻頻率時對二氧化碳採樣，其特徵通帶波長在4.2微米。對一氧化氮，射頻頻率36兆赫芝，產生5.2微米的通帶波長。對一氧化碳，射頻頻率37兆赫芝，產生4.7微米的通帶波長。對甲烷，射頻頻率53兆赫芝，產生3.39微米的通帶波長。對二氧化硫，射頻頻率44兆赫芝，產生4.0微米的通帶波長。
上面敘述的是一個改進型自動聲光分析儀系統，其中紅外輻射源與聲光可調諧濾光片裝設在排氣煙囪的一側，而紅外探測器裝設在煙囪的另一側。由於探測器與聲光可調諧濾光片分開放置，所以窄帶相互作用輻射的角位移足以使窄帶相互作用輻射與寬帶非相互作用輻射在探測器處從空間上分離開，從而省去起偏器。本結構提供的第二個改進在於，聲光可調諧濾光片穿過氣體佔據的空間，向探測器發射脈衝的或斷續的窄帶輻射，探測器能夠區分開這些脈衝輻射和熱煙囪發出的穩態熱輻射。因此，聲光可調諧濾光片、輻射源、探測器的這種結構，使調諧的衍射光與光源的寬譜非衍射光在探測器處產生空間分離，並且聲光可調諧濾光片的調諧功能與脈衝功能相結合，區分開無關的輻射。
附圖中參考數字的說明
代表器件 參考數字 圖號
放大器 51 1
模/數轉換器 53 1
微型計算機 55 1
射頻放大器 57 1
視頻輸出 59 1
磁碟驅動器 61 1
印表機 63 1
IE3接口 65 1
頻率合成器 67 1
門電路 69 1
脈衝抑制器 71 1
權利要求
1、一種寬帶自動聲光可調諧濾光片多種氣體紅外分析儀系統，其特徵在於包括
引導紅外輻射通過所研究的含有待分析樣品的環境的裝置；
一個帶有光學調準聲光晶體的聲光可調諧濾光片，紅外輻射相對於晶體光軸成預定角度通過該晶體；
一個與可變頻率的射頻(RF)能源及聲光晶體耦合的，在晶體中發射聲波的聲換能器裝置，該聲波與紅外輻射的選定的窄帶部分相互作用，使其可以與其餘的紅外輻射區分開，其中選定的窄帶部分是射頻能源的頻率和聲波頻率的函數，其相對於通過該聲光可調諧濾光片的非選定的紅外輻射發生角位移；
把紅外輻射引導到所說的聲光可調諧濾光片上的裝置，此後紅外輻射被所研究的環境中給定的樣品成本的吸收特性所改變；
在己發生角位移的選定的窄帶部分通過所研究的環境以後，檢測紅外輻射的該窄帶部分的紅外輻射檢測裝置，其中檢測裝置產生一個作為被測輻射的函數的輸出電信號，所說的檢測裝置的位置設置與所說的聲光可調諧濾光片有關，要使選定的窄帶部分的角位移足以在檢測裝置上使窄帶部分與非選定的寬帶輻射分離開；
將檢測裝置的輸出信號施加到其上，以確定樣品盒中所含樣品種類的計算裝置，它包括使射頻能源脈衝式工作的裝置，以確定施加在聲換能器(它與聲光晶體相配合)上的射頻能源的時間和頻率，從而確定紅外波長的選擇或者聲光可調諧濾光片的調諧，藉助於脈衝式工作能使所說的檢測裝置區別開選定的窄帶部分的脈衝輻射與所研究的環境發出的輻射。
2、權利要求
1中所要求的分析儀系統，其中計算裝置包括一個微處理器和存貯裝置，用來將探測到的信號與存在存貯裝置中的預定分子樣品的特徵信號加以比較，其中存貯裝置向微處理器提供預先設置的信號序列，該信號序列送到頻率合成器，去改變與聲光晶體耦合的換能器的射頻能源的頻率，從而改變所選定的待分析的紅外輻射窄帶部分，同時送入與預定的分子樣品種類相對應的預置頻率。
3、權利要求
1或2中所要求的分析儀系統，其中射頻能源包括一個通過電子門裝置與放大器耦合的射頻能源頻率合成器，放大器與換能器相連，計算裝置包括微處理器和存貯裝置，用於向射頻頻率合成器提供序列脈衝控制信號，按預定要求變換加在可調諧聲光濾光片上的射頻能源的頻率，控制信號同時送給電子門裝置，以便向射頻放大器提供脈寬調製的射頻能量。
4、權利要求
1到3的任一項中所要求的分析儀系統，其中光學調準的聲光晶體是硒化砷鉈晶體。
5、權利要求
4中所要求的分析儀系統，其特徵在於紅外輻射穿過的晶體相對於晶體光軸有一個預定的夾角，一個聲換能器與可變頻率的射頻能源以及聲光晶體耦合，在晶體內發射聲波，該聲波與輻射中選定的窄帶部分相互作用，使窄帶部分能夠與紅外輻射的其餘部分區分開。
專利摘要
一個自動聲光分析儀系統，具有與輻射源相耦合的聲光可調諧濾光片，以產生預定波長的脈衝光。該脈衝光通過一個排氣煙囪傳輸到遠處的探測器。可調諧濾光片和輻射源在待測環境的一側，探測器在另一側，這使被調諧的衍射光與光源的寬光譜非衍射光在探測器上產生空間分離。本系統省去了起偏器，把聲光可調諧濾光片的調諧功能與脈衝功能結合，區分開無關的輻射。
文檔編號G01N21/31GK86103402SQ86103402
公開日1986年11月19日 申請日期1986年5月19日
發明者弗裡德裡克·默克·裡安, 羅伯特·萊納德·尼爾森 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan