用於在管道氣體監控系統中確定光學測量路徑長度的方法

2023-08-05 15:13:26 1

專利名稱：用於在管道氣體監控系統中確定光學測量路徑長度的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在管道氣體監控系統中確定光學測量路徑的方法，該方法適於將光從光源發送通過第一清除管、氣體管道以及第二清除管到測量探測器，從其波長特定吸收測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並且充滿清除氣體，該清除氣體在充滿後被排放到氣體管道中。
背景技術：
在光譜氣體分析中，在氣體混合物(測量氣體)中已知的是氣體成分或多種氣體成分的濃度，分別地通過氣體成分的測定的波長特定吸收或者測量氣體的測定吸收光譜來確定。為此目的，測量氣體被以具有預定光學測量路徑長度的測量體積引入，例如樣品管，或者在原位過程測量的情形中，諸如氣體引導管，爐，漏鬥，棧或者類似物的氣體管道。光源的光，例如紅外燈或者可調節雷射二極體，被通過測量體積傳送到測量探測器，例如光氣或固態探測器，以便根據測量體積的光學路徑中的光吸收產生測量探測器輸出。在管道氣體監控系統中，光源(或者，等同地，連接到遠程光源的光學纖維自由端件)和測量探測器通常布置在安裝在與氣體管道的壁徑向相對的位置處的兩個測量頭中，測量氣體(管道氣體)通過該氣體管道流動。每個測量頭都具有縱向室(清除管)，其在一端通入到氣體管道中並且在另一端包含相應的有源光學部件(光源或測量探測器)。為保持測量氣體遠離有源光學組分，因此該室充滿以不包含測量的氣體成分的清除氣。在充滿室以後，清除氣體被排放到氣體管道中。光學窗口可以布置在縱向室內以將包含相應的有源光學部件的主室與通入到氣體管道的前室分開。在這種情形中，前室充滿和主室可以充滿清除氣體。為了確定在測量氣體中的關注的氣體成分的濃度，必須知道氣體成分的波長特定吸收和氣體管道中的光學測量路徑長度。通常地，光學測量路徑長度可以限定為清除管的開口端之間的距離。然而，由於清除氣體排放到氣體管道中，因此特別地如果測量路徑很短並且清除氣體的流量很高便很難估測實際的光學測量路徑長度。此外，測量路徑長度可以基於諸如壓力、流動和湍流的變化的過程狀況或者基於在清除管的開口端的侵蝕引起的磨損而隨著時間而改變。

發明內容
因此本發明的一個目的是提供特別地當過程狀況變化時對光學測量路徑長度的改進的估算。根據本發明，該目的通過上述類型的方法實現，其中在氣體成分的濃度的測量期間，清除管瞬時地充滿管道氣體，並且所述光學測量路徑長度從光源與測量探測器之間的已知的路徑長度乘以當清除管充滿清除氣體時測量的光吸收以及當清除管充滿所述管道氣體時測量的光吸收的比率計算出，其中所述光吸收在時間上相鄰的測量中獲得。如果存在布置在清除管中的用於將包含相應有源光學部件的主室與通入到氣體管道的前室分開的光學窗，光源與測量探測器之間的路徑長度應該被理解為窗到窗的路徑長度。該路徑長度可以在管道氣體監控系統的安裝處測量並且可以假定是恆定的。測定的吸收(或吸收幅度)被理解為是包括諸如氣體特定吸收係數、氣體濃度和光學路徑長度的吸收相關因素的變量。由於當清除管填充以清除氣體以及當它們填充以管道氣體時光吸收的測量之間的時間間隔非常短，關注的氣體成分將保持不變，從而待估測的光學測量路徑長度與光源與測量探測器之間的已知的路徑長度之間的比率直接地與測量光吸收的比率相符合。因此，實際光學測量路徑長度可以由光源與測量探測器之間的已知路徑長度乘以測定的光吸收比率計算出來。其中可以這樣增加估測的準確性和魯棒性，在測量的光吸收的確定的比率中，當清除管填充以清除氣體時測量的光吸收值作為在填充清除管以管道氣體之前與之後的至 少兩次測量的平均值而獲得。為此相同的原因，當清除管充滿清除氣體時並且當其填充以管道氣體時測量可以重複若干次，其結果使用諸如平均的統計方法處理。如果，例如，在測定的光吸收中發現太大的變化，實際光學測量路徑長度的估測應該被打斷並且安排下一次。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並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勢。至少，在清除管中的管道氣體的溫度可以良好的準確性進行數學建模，因為在清除管的開口端的溫度是已知的(對於氣體監控對測量介質的溫度敏感的情形來說，過程的溫度通常被測量或者是已知的)並且可以容易地測量在另一端的溫度。因此，當清除管填充以管道氣體時所述測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量的或者已知的溫度以及在所述管道氣體離開所述清除管的位置處測量的溫度獲得。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並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清除管。當管道氣體的即使更短期間的暴露可能降低光學部件通常是氣體監控系統(例如，汙染、凝結)的窗口的性能時可以使用該替換方案，因為其允許分支管道氣體的滲入(例如過濾，乾燥)。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。可以通過熱處理(通常加熱)分支管道氣體至清除管之間的光學測量路徑中的管道氣體的溫度而解決該問題，由此在清除管中獲得平的溫度輪廓。


下面參照附圖通過實例的方式來描述本發明，在附圖中圖I是管道氣體監控系統的橫截面視圖；以及圖2示出了管道氣體監控系統的一個變型實施方式。
具體實施例方式圖I和圖2均示出了氣體管道I，管道氣體2通過氣體管道流動。流動方向通過箭頭指示。為測量選定氣體成分的濃度，光3被從光源4發射通過氣體管道I到測量探測器5。光源4可以是雷射二極體或者承載外部光源的光的光學纖維的端件。測量探測器5可以是任何傳統類型的光電探測器。光源4和測量探測器5布置在相應不同的安裝在與氣體管道I的壁8徑向相對的位置的光學測量頭6和7中。在構造上大致相同的測量頭6和7中的每一個均具有縱向室9，10，其在一端通入到氣體管道I中並且在另一端包含相應的有源光學部件4或5。在示出的實施方式中，室9、10中的每個均包含將室9，10分成包含有源光學部件4，5的主室13，14與通向氣體管道I的前室的光學窗11，12。如果有必要的話，主室13、14可以每個還包含透鏡系統。前室15，16中的每個均用作清除管並且充滿不包含測量氣體部分的清除氣體。在充滿前室或清除管15，16以後，清除氣體排放到氣體管道I中。清除氣體通過清除氣體源17提供，在光學窗11，12附近的位置處氣體線18，19從清除氣體源引導並且排放到清除管15，16中。受控三通閥20將氣體線18，19與清除氣體源17和氣泵或鼓風機21分開。三通閥20、測量探測器5以及光源4連接到控制與估測單元22。可以包含在測量頭7中的單元22，估測測量探測器5輸出以從其特定波長吸收確定待測量的氣體成分的濃度。為此目的必須知道氣體管道I中的光學測量路徑長度。從圖I和圖2顯而易見的是光學測量路徑長度L，特別地，如果測量路徑很短並且清除氣體的流量很高，不能簡單地定義為清除管15，16，的開口端之間的距離。此外，由於變化的過程狀況測量路徑長度可以隨時間而改變。為確定實際光學測量路徑長度L，控制與估測單元22控制閥20以瞬間地將氣體線18，19從清除氣體源17切換到氣泵或鼓風機21，從而清除管15，16將被瞬間地填充以管道氣體2。在圖I的實例中，氣泵或鼓風機21布置為從氣體管道I汲取氣體2通過清除管15，16進入排放線23，其可以在清除管15，16的下遊的位置處排放到氣體管道I中。提供溫度傳感器24和25並且溫度傳感器24和25連接到控制與估測單元22，以測量在管道氣體離開清除管15，16的位置並且進入氣體線18，19的位置的管道氣體的溫度。在圖2的實例中，氣泵或鼓風機21布置為，經由管道氣體線26，在清除管15，16的上遊的位置處從氣體管道I汲取管道氣體2的一部分並且使分支管道氣體通過清除管15，16回送到氣體管道I中。氣體過濾器27和溫度控制裝置28可以設置在管道氣體線26中以從穿過它的管道氣體2中保持諸如穩定劑(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，那麼便可以省略氣泵或者鼓風機21。通過管道氣體2傳送，光3根據比爾-朗伯定律指數地衰減I = I0 · exp (_c · α · L),這裡Io是從光源4發出的光的強度，以關注氣體成分的分子吸收線的波長，I是在穿過具有長度L的測量路徑之後的光的強度，並且α是濃度為c的關注氣體成分的吸收係數。吸收係數α取決於溫度和壓力。對於小的光學吸收來說，上面給出的公式減小為I = I2 · (1-c · α · L),這裡A = c · α · L是光吸收。用於確定或者校準光學測量路徑長度L的步驟如下I.清除管15，16充滿清除氣體。2.測量光吸收A:。、
3.接合或轉換閥20以使清除氣體切斷並且用管道氣體2填充清除管15，16，等待直到清除管15，16充滿管道氣體2。4.測量光吸收Aw_w。5.釋放或者轉回閥20，從而清除氣體流入清除管15，16中，等待直到清除管15，16充滿清除氣體2。6.測量光吸收A2。7.由於快速地陸續獲得光吸收值A1, Aw_w，A2,關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,這裡L1與L2是等於或至少相似，並且Lw_w是光源4與測量探測器5之間的已知路徑長度(這裡窗到窗路徑長度)。因此能夠通過以下來計算實際光學測量路徑長度L:
權利要求
1.一種用於在管道氣體監控系統中確定光學測量路徑長度(L)的方法，所述管道氣體監控系統適於通過從光源(6)發射光(3)通過第一清除管(15)、氣體管道(I)和第二清除管(16)到測量探測器(5)，從其波長特定吸收測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)中並且充滿清除氣體，所述清除氣體在充滿後排放到所述氣體管道(I)中，其特徵在於， 在所述氣體成分的濃度的測量期間，所述清除管(15，16)瞬時地充滿所述管道氣體(2)，並且所述光學測量路徑長度(L)從所述光源(4)與所述測量探測器(5)之間的已知的路徑長度乘以當所述清除管(15，16)充滿所述清除氣體時測量的光吸收以及當所述清除管(15，16)充滿所述管道氣體(2)時測量的光吸收的比率計算出，其中所述光吸收在時間上相鄰的測量中獲得。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述測量的光吸收的比率中，當所述清除管(15，16)填充以所述清除氣體時測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)之前與之後的至少兩次測量的平均值而獲得。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，當所述清除管充滿清除氣體時並且當其填充以管道氣體時測量重複若干次，其結果使用統計方法處理。
4.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，通過切斷所述清除氣體供給並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)瞬時地充滿所述管道氣體(2)。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，當所述清除管(15，16)填充以管道氣體(2)時所述測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)中的測量的或者已知的溫度以及在所述管道氣體(2)離開所述清除管(15，16)的位置處測量的溫度獲得。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特徵在於，通過切斷所述清除氣體供給所述清除管(15，16)瞬時地填充所述管道氣體(2)，並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)的一部分充滿所述清除管(15，16)。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述分支管道氣體(2)在所述清除管(15，.16)之間的光學測量路徑被熱處理到所述管道氣體(2)的溫度。
8.一種管道氣體監控系統，該監控系統適於執行上述權利要求中任一項所述的方法，包括 相對於氣體管道(I)布置光源(6)和測量探測器(5)以使得光(3)從所述光源(6)運行通過第一清除管(15)、所述氣體管道(I)和第二清除管(16)到測量探測器(5)，所述清除管(15，16)通入到所述氣體管道(I)中並且連接到清除氣體源(17)，所述系統還包括閥(20)，所述閥被調整並且控制用於在測量在所述氣體成分的濃度的測量期間，瞬時地將所述清除管(15，16)從所述清除氣體源(17)轉換到泵(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)轉換到在所述清除管(15，16)的上遊的位置處與所述氣體管道(I)連接的管道氣體線(26)。
全文摘要
一種用於在管道氣體監控系統中確定光學測量路徑長度(L)的方法，所述管道氣體監控系統適於通過從光源(6)發射光(3)通過第一清除管(15)、氣體管道(1)和第二清除管(16)到測量探測器(5),從其波長特定吸收測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)中並且充滿清除氣體，所述清除氣體在充滿後排放到所述氣體管道(1)中。為了提供光學測量路徑長度(L)的改進的估測，特別地當過程條件變化時，在所述氣體成分的濃度的測量期間，所述清除管(15，16)瞬時地充滿所述管道氣體(2)，並且所述光學測量路徑長度(L)從所述光源(4)與所述測量探測器(5)之間的已知的路徑長度乘以當所述清除管(15，16)充滿所述清除氣體時測量的光吸收以及當所述清除管(15，16)充滿所述管道氣體(2)時測量的光吸收的比率計算出，其中所述光吸收在時間上相鄰的測量中獲得。
文檔編號G01N21/35GK102639983SQ200980162738
公開日2012年8月15日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者弗雷德裡克·庫奧帕 申請人:西門子公司