氣體混合物測量系統及其方法

2023-12-06 10:12:21

專利名稱：氣體混合物測量系統及其方法
技術領域：
本文公開的主旨涉及用於測量氣體混合物的技術方案。具體地，本文公開的主旨涉及在氣體混合物的非限制流動路徑中的物種(species)的原位測量。
背景技術：
氣體混合物在例如燃燒、化學反應和蒸發等各種情況下產生。氣體混合物的來源可包括但不限於潤輪機、發動機、爐、窯、粉碎機、例如煤炭等固體材料堆、例如儲藏箱或筒倉等密封的材料儲存系統、例如水處理設施等液體材料池。在這些情況的任一個中，知道以下可是有用的(1)在任何給定的時間點，氣體混合物中的一個或多個物種的濃度；和(2) 在一段時間期間氣體混合物中的一個或多個物種的濃度的趨勢。測量在氣體混合物中的物種的濃度可提供關於爆炸或健康危害狀況的信息。氣體濃度從氣體混合物來源通過環境、管道、導管或其他流動路徑移動。在流動路徑的橫截面上在相同的時間點獲得若干濃度可揭示例如發動機或爐中的低效率。檢查在氣體混合物中的物種的濃度趨勢可對某些狀況的發展提供早期警告，而不是等到濃度到達特定水平才警告。對氣體混合物採樣的提取技術使用腔室(chamber)提取氣體混合物的樣本用於分析。在將氣體混合物的樣本裝入腔室後，應用化學分析或光學裝置分析以獲得在氣體混合物的腔室內樣本中的物種的測量。使用提取方法的分析延遲獲得分析結果並且可提供不代表總氣體體積的結果。

發明內容
本公開的第一方面提供系統，其包括使光束延伸通過氣體混合物的原位非限制流動路徑的至少一個雷射裝置；和耦合於每個雷射裝置用於獲得氣體混合物中至少一個物種隨時間的多個動態測量的測量器。本公開的第二方面提供方法，其包括用至少一個雷射裝置使光束延伸通過氣體混合物的原位非限制流動路徑；以及測量氣體混合物中至少一個物種隨時間的多個動態測量。本發明的這些和其他方面、優勢和顯著特徵通過下列詳細說明將變得明顯，該詳細說明當與附圖(其中相似的部件在整個附圖中用相似的標號表示)結合來看時公開本發明的實施例。


本發明的這些和其他特徵將通過下列與描繪本發明的各種實施例的附圖結合來看的本發明的各種方面的下列詳細說明更加容易理解，其中圖1示出本發明的一個實施例的框圖。圖2示出本發明的一個實施例的示意圖。
圖3示出本發明的一個實施例的流程圖。注意本發明的圖是不按比例的。圖意在僅描繪本發明的典型方面，並且因此不應該認為限制本發明的範圍。在圖中，相似的編號代表圖之間相似的元件。
具體實施例方式如上指出的，本發明的方面提供在氣體混合物的非限制流動路徑中的物種的原位測量的技術方案。圖1示出氣體混合物測量裝置100的實施例。氣體混合物測量裝置100包括使光束106延伸通過氣體混合物108的原位非限制流動路徑的至少一個雷射裝置104 ；和耦合於每個雷射裝置104用於獲得氣體混合物108中的至少一個物種隨時間的多個動態測量的測量器(M) 110。圖1包括計算機系統130，其可以執行本文描述的用於測量氣體混合物108的原位非限制流動路徑的物種的方法。特別地，技術效果是計算機系統130示出包括氣體混合物測量分析系統118，其通過執行本文描述的過程使計算機系統130可操作以接收和分析動
態測量。氣體混合物108可由氣體混合物來源(SGM) 102產生。氣體混合物來源102可包括通過任何物理、化學或可燃工具產生氣體混合物108的任何裝置或物理實體。例如，發動機或爐可釋放作為燃燒副產物的氣體混合物108。作為另一個實施例，煤堆可由於堆中的化學反應釋放氣體混合物108。作為另一個實施例，液體池可蒸發釋放氣體混合物108。物種包括可以是氣體混合物108的部分的化學物的分子。氣體混合物108的原位非限制流動路徑可包括氣體混合物108，因為它從氣體混合物來源102出現或流出而沒有為了進行氣體混合物測量的目的而從氣體混合物來源102 另外分流或被裝入腔室。每個雷射裝置104包括光束髮射器(BT) 112和光束接收器(BR) 114。每個雷射裝置104可校準成當光束106延伸通過氣體混合物108時識別物種。為了識別物種所進行的校準基於當光束106照到物種時光束衰減的量。物種可包括但不限於C0、CH4、N0、N02和 C02。雷射裝置104可包括例如量子級聯雷射器OlCL)、可調諧二極體雷射器(TDL)、垂直腔面發射雷射器(VCSEL)和帶間級聯雷射器(ICL)。每個雷射裝置104放置或安裝在氣體混合物108的原位非限制流動路徑內。使光束髮射器112和光束接收器114取向為以便光束106延伸通過氣體混合物108。測量器 110獲得氣體混合物108中的至少一個物種的動態測量。每個動態測量可包括濃度和測量時間。圖2示出包括多個雷射裝置104的氣體混合物測量裝置100的部分的放大示意圖。在該情況下，多個雷射裝置104可部署為陣列。多個光束106延伸通過氣體混合物108 的原位非限制流動路徑。(氣體混合物108的原位非限制流動路徑這裡圖示為圓形，但氣體混合物108的流動路徑的橫截面不限於特定的形狀。)多個雷射裝置104中的每個可獲得氣體混合物108中的至少一個物種的時間同步動態測量。使至少兩個雷射裝置104取向為使得至少兩個光束106交叉。可獲得光束交點116的位置。圖2示出四個雷射裝置104、四個光束106和四個光束交點116。然而，本領域內技術人員將容易認識到四個是僅說明性的，並且可採用任何數量的雷射裝置104、光束106和光束交點116。多個光束交點116提供在氣體混合物108的原位非限制流動路徑的橫截面上的動態測量的格網。在本發明的一個實施例中，校準多個雷射裝置104中的至少一個以獲得與氣體混合物108中的該至少一個物種不同的物種的動態測量。再次參照圖1，氣體混合物測量裝置100可包括用於傳送獲得的動態測量到接收器(R) 122的至少一個傳送裝置(TD) 120。接收器122接收動態測量並且可提交動態測量用於分析。傳送裝置120和接收器122可包括任何已知的或以後開發的傳送裝置120和接收器122，例如電線或光傳輸線，或任何已知的或以後開發的射頻識別標籤(RFID)。RFID可提供在沒有導線限制情況下放置氣體混合物測量裝置100的另外的機會。傳送裝置120和接收器122可允許在除了氣體混合物108的位置外的位置中的動態測量的分析。氣體混合物測量裝置100可包括氣體混合物測量分析系統118。氣體混合物測量分析系統118可包括濃度比較系統123、濃度趨勢計算器IM和濃度趨勢比較系統125。動態測量可存儲在動態測量資料庫(DMD)US中。濃度比較系統123可比較濃度與參考濃度。參考濃度可是單一值、多個值或值的範圍。參考濃度可存儲在參考濃度資料庫(RCD) 131中。濃度可匹配或偏離參考濃度。濃度匹配或偏離參考濃度可指示氣體混合物108或氣體混合物來源102中的狀況。例如，可指示氣體混合物108中的爆炸性或危險性狀況的存在或不存在。此外，濃度匹配或偏離參考濃度可指示氣體混合物來源102是否高效地運行。在任一情況下，可採取如指示的調節或其他響應。濃度趨勢計算器IM可計算至少一個物種的濃度。例如，濃度趨勢計算器1 可使用算法計算當前動態測量和之前動態測量之間的濃度趨勢。計算當前動態測量和之前動態測量之間的濃度趨勢的算法的示例包括斜率點公式(slope point formula)，其中m代表物種的濃度隨時間的變化。當前動態測量可具有在時間、的濃度Ctl，並且之前動態測量可具有在時間、的濃度Cl。斜率可用m = (C0-C1)/ (Vt1)確定。本領域內技術人員將容易認識到可利用用於計算濃度趨勢的許多已知的算法。濃度趨勢比較系統125可比較濃度趨勢與參考濃度趨勢。參考濃度趨勢可是單一值、多個值或值的範圍。參考濃度趨勢可存儲在參考濃度趨勢資料庫(RCTD) 131中。濃度趨勢可匹配或偏離參考濃度趨勢。濃度趨勢匹配或偏離參考濃度趨勢可指示氣體混合物108 或氣體混合物來源102中的狀況。例如，可指示氣體混合物108中的爆炸性或危險性狀況的存在或不存在。此外，濃度匹配或偏離參考濃度可指示氣體混合物來源102是否高效地運行。在任一情況下，可採取如指示的調節或其他響應。監測氣體混合物108中的爆炸性氣體物種的變化速率的一個優勢是響應時間的減小。當濃度趨勢比較系統125指示如由較高正濃度趨勢(例如，較高正斜率)指示的濃度的快速變化時，對潛在爆炸性的氣體混合物的存在的響應可快速實現。監測氣體混合物 108中物種的濃度變化速率允許實施與隱含的風險相應的補救措施。參照圖3，示出在本發明的一個實施例中的氣體混合物測量的方法的流程圖。方法以用至少一個雷射裝置104使光束延伸通過氣體混合物108的原位非限制流動路徑開始Si。測量器110可測量氣體混合物108中的至少一個物種隨時間的多個動態測量S2。傳送裝置120可傳送動態測量S3到接收器122。接收器122接收動態測量用於分析S4。氣體測量分析系統118可分析動態測量S5。分析可包括濃度比較系統123，其比較來自動態測量的至少一個物種的濃度與參考濃度S6。分析可包括濃度趨勢計算器IM計算至少一個物種的濃度趨勢S7。分析可包括濃度趨勢比較系統125比較至少一個物種的濃度趨勢與參考濃度趨勢S8。分析S5的結果然後可使用任何已知的或以後開發的通信方法或裝置輸出。在圖1中，示出與本文描述的氣體混合物測量裝置100通信的計算機系統130。 此外，示出與用戶132通信的計算機系統130。用戶132可例如是程式設計師或操作員。用戶 132還可是裝置或計算機。這些部件和計算機系統130之間的交互將在該申請的後續部分討論。計算機系統130示出包括處理部件(PC) 134(例如，一個或多個處理器)、存儲部件 136(例如，存儲器體系)、輸入/輸出(I/O)部件138(例如一個或多個I/O接口和/或裝置)和通信通路140。在一個實施例中，處理部件134執行程序代碼，例如氣體混合物測量分析系統118，其至少部分包含在存儲部件136中。當執行程序代碼時，處理部件134可以處理數據，其可以導致從存儲部件136和/或I/O部件138讀取數據和/或向其寫入數據用於進一步處理。通路140在計算機系統130中的部件的每個之間提供通信鏈路。I/O部件138可以包括一個或多個供人使用的I/O裝置或存儲裝置，其使用戶132能夠與計算機系統130和/或一個或多個通信裝置交互以使用戶132能夠使用任何類型的通信鏈路與計算機系統130通信。至此，氣體混合物測量分析系統118可以管理一組界面(例如，圖形用戶界面、應用程式界面和/或類似物)，其使人和/或系統能夠與氣體混合物測量分析系統 118交互。在任何情況下，計算機系統130可以包括能夠執行安裝在其上的程序代碼的一個或多個通用計算製品(例如計算裝置)。如本文使用的，理解「程序代碼」指採用任何語言、 代碼或符號的任何指令集，其使具有信息處理能力的計算裝置直接或在下列的任何組合之後執行特定功能(a)轉換到另一種語言、代碼或符號；(b)採用不同的材料形式重現；和/ 或(c)解壓。至此，氣體混合物測量分析系統118可以體現為系統軟體和/或應用軟體的任何組合。在任何情況下，計算機系統130的技術效果是提供用於氣體混合物測量的處理指令。此外，氣體混合物測量分析系統118可以使用一組模塊142實現。在該情況下，模塊142可以使計算機系統130能夠執行由氣體混合物測量分析系統118使用的一組任務， 並且可以脫離氣體混合物測量分析系統118的其他部分獨立開發和/或實現。氣體混合物測量分析系統118可包括模塊142，其包括專用機器/硬體和/或軟體。不管怎樣，要理解， 兩個或多個模塊142和/或系統可共享它們相應的硬體和/或軟體中的一些/全部。此外， 要理解，本文論述的功能性中的一些可以不實現或另外的功能性可包括在其中而作為計算機系統130的部分。當計算機系統130包括多個計算裝置時，每個計算裝置可僅具有包含在其上的氣體混合物測量分析系統118的部分(例如，一個或多個模塊142)。然而，要理解，計算機系統 130和氣體混合物測量分析系統118僅是其可執行本文描述的過程的各種可能等同計算機系統的代表。至此，在其他實施例中，由計算機系統130和氣體混合物測量分析系統118提供的功能性可以至少部分由一個或多個計算裝置(其包括具有或不具有程序代碼的通用/專用硬體的任意組合)實現。在每個實施例中，硬體和程序代碼(如果被包括的話)可以分別使用標準工程和編程技術產生。不管怎樣，當計算機系統130包括多個計算裝置時，計算裝置可以在任何類型的通信鏈路上通信。此外，當執行本文描述的過程時，計算機系統130可以使用任何類型的通信鏈路與一個或多個其他的計算機系統通信。在任一情況下，通信鏈路可以包括各種類型的有線和/或無線鏈路的任何組合；包括一個或多個類型的網絡的任何組合；和/或利用各種類型的傳送技術和協議的任何組合。如本文論述的，氣體混合物測量分析系統118使計算機系統130能夠提供氣體混合物測量的處理指令。氣體混合物測量分析系統118可包括邏輯，其可包括下列功能濃度比較系統123、濃度趨勢計算器IM和濃度趨勢比較系統125。在一個實施例中，氣體混合物測量分析系統118可包括邏輯以執行上述功能。在結構上，該邏輯可採取例如現場可編程門陣列(FPGA)、微處理器、數位訊號處理器、專用集成電路(ASIC)或能夠執行本文描述的功能的任何其他專用機器結構等多種形式中的任何形式。邏輯可採取例如軟體和/或硬體等多種形式中的任何形式。然而，為了說明性目的，氣體混合物測量分析系統118和包括在其中的邏輯在本文中描述為專用機器。如將從說明理解的，儘管邏輯圖示為包括上述功能中的每個，根據本發明的教導，不是所有的功能都是必需的，如在附上權利要求中列舉的那樣。儘管本文示出和描述為氣體混合物測量分析系統118，要理解，本發明的方面進一步提供各種備選實施例。例如，在一個實施例中，本發明提供包含在至少一個計算機可讀介質中的電腦程式，其當執行時使計算機系統能夠測量氣體混合物。至此，計算機可讀介質包括程序代碼，例如氣體混合物測量分析系統118，其實現本文描述的過程中的一些或全部。要理解，術語「計算機可讀介質」包括能夠包含程序代碼(例如，物理實施例)的副本的任何類型的有形表達介質中的一個或多個。例如，計算機可讀介質可以包括一個或多個可攜式存儲製品；計算裝置的一個或多個存儲器/存儲部件；紙張；和/或類似物。在再另一個實施例中，本發明提供氣體混合物測量的方法。在該情況下，可以獲得 (例如，形成、維護、使其可得到)例如計算機系統130(圖1)等計算機系統，並且可以獲得 (例如，形成、購買、使用、修改)用於執行本文描述的過程的一個或多個模塊並且將其部署於計算機系統。至此，該部署可以包括下列中的一個或多個(1)從計算機可讀介質在計算裝置上安裝程序代碼；(2)添加一個或多個計算和/或I/O裝置到計算機系統；以及(3)結合和/或修改計算機系統以使它能夠執行本文描述的過程。應理解，本發明的方面可以實現為在預訂、廣告和/或費用基礎上執行本文描述的過程的商業方法的部分。即，服務供應商可以提出提供如本文描述的用於氣體混合物測量的處理指令。在該情況下，服務供應商可以管理(例如，形成、維護、支持等)計算機系統， 例如計算機系統130(圖1)等，其執行本文描述的對於一個或多個客戶的過程。作為回報， 服務供應商可以根據預訂和/或費用協議從客戶收取報酬，從對一個或多個第三方廣告的銷售點收取報酬和/或類似的。本文使用的術語僅用於描述特定的實施例的目的並且不規定為示例實施例的限制。如本文中使用的，單數形式「一」和「該」意在也包括複數形式，除非上下文另外明確指示。將進一步理解術語「包括」和/或其變化形式當在本文中使用時，規定陳述的特徵、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他的特徵、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其的組的存在或增加。該書面說明使用示例以公開本發明，其包括最佳模式，並且還使本領域內技術人員能夠實踐本發明，包括製作和使用任何裝置或系統和執行任何包含的方法。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域內技術人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權利要求的書面語言不同的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的書面語言無實質區別的等同結構元件則規定在權利要求的範圍內。部件列表
權利要求
1.一種系統，其包括至少一個雷射裝置(104)，其使光束(106)延伸通過氣體混合物(108)的原位非限制流動路徑；以及測量器(110)，其耦合於每個雷射裝置(104)用於獲得所述氣體混合物(108)中至少一個物種隨時間的多個動態測量。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述至少一個雷射裝置(104)是量子級聯雷射器、可調諧二極體雷射器、垂直腔面發射雷射器和帶間級聯雷射器中的一個。
3.如權利要求1所述的系統，其中每個動態測量包括濃度和測量的時間。
4.如權利要求1所述的系統，進一步包括用於傳送所獲得的動態測量到接收器(122) 的至少一個傳送裝置(120)。
5.如權利要求4所述的系統，其中所述至少一個傳送裝置(120)是射頻識別標籤。
6.如權利要求4所述的系統，進一步包括用於接收所述動態測量的至少一個接收器 (122)。
7.如權利要求1所述的系統，進一步包括氣體混合物分析系統(118)。
8.如權利要求7所述的系統，其中所述氣體混合物分析系統(118)包括濃度比較系統 (123)。
9.如權利要求7所述的系統，其中所述氣體混合物分析系統(118)包括濃度趨勢計算器(124)0
10.如權利要求7所述的系統，其中所述氣體混合物分析系統(118)包括濃度趨勢比較系統(125)。
全文摘要
一種系統包括使光束(106)延伸通過氣體混合物(108)的原位非限制流動路徑的至少一個雷射裝置(104)；和耦合於每個雷射裝置(104)用於獲得氣體混合物(108)中至少一個物種隨時間的多個動態測量的測量器(110)。
文檔編號G01N21/00GK102183459SQ20101061512
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月17日 優先權日2009年12月17日
發明者B·R·費蘭, P·M·馬利, R·W·泰勒 申請人:通用電氣公司