多成分用激光式氣體分析計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對(duì)空間內(nèi)的各種測(cè)定對(duì)象氣體的有無(wú)、濃度進(jìn)行分析的多成分用激光式氣體分析計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光式氣體分析計(jì)例如在石油化工廠的加熱處理、火力發(fā)電等中用于對(duì)高溫燃燒氣體的燃燒狀態(tài)的監(jiān)控。燃燒狀態(tài)的參數(shù)通常是排氣成分中的02(氧氣)氣體濃度和CO( —氧化碳)氣體濃度。參照附圖對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。圖5是表示燃燒器內(nèi)的空氣過(guò)剩率與氣體濃度之間的關(guān)系的特性圖。此外，作為后述的專利文獻(xiàn)I的圖2而公開(kāi)了該圖5。通過(guò)該特性圖可知以下的情況。
[0003](a)隨著空氣過(guò)剩率的增大、S卩氧氣的增多，燃燒所未使用的氧氣增加，02氣體濃度也會(huì)提高。進(jìn)而剩余的氧氣對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行氧化，從而NOx氣體濃度也會(huì)提高。這樣，能通過(guò)監(jiān)視02氣體濃度來(lái)判定空氣過(guò)剩。
(b)相反地，隨著空氣過(guò)剩率減小、即氧氣減少，成為不完全燃燒，CO氣體濃度提高。進(jìn)而，燃燒所未使用的燃料(烴類(lèi))增加，燃料的氣體濃度也會(huì)提高。這樣，能通過(guò)監(jiān)視CO濃度來(lái)判定空氣不足。
[0004]因此，通過(guò)對(duì)排氣中的02氣體濃度和CO氣體濃度進(jìn)行監(jiān)視，來(lái)實(shí)現(xiàn)一邊維持完全燃燒狀態(tài)一邊使過(guò)?？諝庾兊米钚〉淖詈线m的燃燒控制。另外，實(shí)現(xiàn)能量損耗較小的高效的燃燒。除此以外，還會(huì)減輕作為環(huán)境污染物質(zhì)的Nox氣體的排出。
[0005]接著，對(duì)排氣中的多成分氣體分析的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。例如，已知專利文獻(xiàn)1、2所記載的發(fā)明、非專利文獻(xiàn)I所公開(kāi)的技術(shù)。對(duì)各文獻(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行概括，并參照附圖來(lái)對(duì)這些現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。
[0006]作為現(xiàn)有技術(shù)I，已知有專利文獻(xiàn)I所記載的發(fā)明。圖6是包含使用了現(xiàn)有技術(shù)的激光的燃燒氣體分析裝置的燃燒系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。燃燒系統(tǒng)100在圍欄/壁101內(nèi)具有燃燒器102、103。將空氣及燃料提供給這些燃燒器102、103。來(lái)自燃燒器120、103的火焰104、105對(duì)管道106內(nèi)的碳化氫進(jìn)行加熱。
[0007]燃燒氣體分析裝置具有包含可調(diào)諧二極管激光器(以下表述為T(mén)DL)107、109及檢測(cè)器108、110的兩組TDL分析系統(tǒng)。這兩組TDL分析系統(tǒng)對(duì)一氧化碳(CO)、氣相的水(H2O)以及氣相的碳化氫(例如包含甲烷(CH4))進(jìn)行測(cè)定。另外，燃燒氣體分析裝置包含氧化鋯傳感器111、112。氧化鋯傳感器111、112對(duì)氧氣(O2)進(jìn)行測(cè)定。
[0008]利用光學(xué)性測(cè)定即TDL分光來(lái)進(jìn)行該氣體分析。在TDL分光中，在與⑶、H2O及碳化氫(CH4等)有關(guān)的各個(gè)吸收峰值的波長(zhǎng)下對(duì)激光進(jìn)行吸收。所吸收的光的量用通過(guò)其它方式進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)定的氣體濃度、壓力、溫度及光學(xué)性路徑長(zhǎng)度的函數(shù)來(lái)表示。按照以下(I)?
(4)的順序來(lái)進(jìn)行該氣體分析。
[0009](I)單體的可調(diào)諧二極管激光器照射出波長(zhǎng)被調(diào)節(jié)至2.0?2.5μπι的范圍內(nèi)的光。該光通過(guò)燃燒氣體而射入至光檢測(cè)器。光檢測(cè)器生成燃燒氣體的吸收分布。 (2)將燃燒氣體的吸收分布進(jìn)行數(shù)字化。
(3)數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化后的吸收分布進(jìn)行保存。
(4)數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化后的吸收分布進(jìn)行處理，從而對(duì)燃燒氣體中的OKH2O及碳化氫(CH4等)的濃度進(jìn)行測(cè)定。
[0010]這里，由于能同時(shí)對(duì)OKH2O及碳化氫(CH4等)進(jìn)行測(cè)定，因此，從以下多個(gè)候選項(xiàng)中選擇波長(zhǎng)。
當(dāng)燃燒氣體的溫度約為1100°c時(shí)，能從2302.I ； 2303.9 ； 2319.1 ； 2323.6 ； 2325.2 ；2326.8; 2331.9; 2333.7 ； 2335.5 ； 2342.8 ； 2346.8 ； 2348.2 ； 2356.I ； 2363.I ；及2373.I這些特定的波長(zhǎng)(納米)中進(jìn)行選擇。
[0011]另外，當(dāng)燃燒氣體的溫度約為300°C時(shí)，能從2307.8 ； 2320.6 ； 2323.6 ； 2331.9 ；2339.3 ； 2353.9 ； 2360.8 ； 2368.0 ； 2373.I ； 2389.3 ；及2401.0這些特定的波長(zhǎng)(納米)中進(jìn)行選擇。
[0012]最佳的波長(zhǎng)選擇依賴于用途，通過(guò)適度的實(shí)驗(yàn)來(lái)決定。在該測(cè)定時(shí)，采用多變量模型，該多變量模型利用在多個(gè)波長(zhǎng)下的測(cè)定結(jié)果。該燃燒氣體分析裝置利用多個(gè)波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行激光氣體分析，利用多變量模型來(lái)計(jì)算出燃燒氣體中的一氧化碳、氣相的水及氣相的碳化氫的氣體濃度。此外，氧化鋯傳感器對(duì)氧氣的氣體濃度進(jìn)行測(cè)定。即，對(duì)燃燒氣體中的CO氣體濃度和O2氣體濃度進(jìn)行測(cè)定。專利文獻(xiàn)I所記載的發(fā)明如上所述。
[0013]另外，作為現(xiàn)有技術(shù)2，已知有專利文獻(xiàn)2所記載的發(fā)明。引用以下文獻(xiàn)的內(nèi)容并進(jìn)行概括，以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。圖7是使用了現(xiàn)有技術(shù)的激光的氣體濃度測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。該氣體濃度測(cè)量裝置使用兩個(gè)激光二極管來(lái)對(duì)兩種氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。
[0014]激光的光源由第一激光二極管(LD1WOl和第二激光二極管(LD2)202構(gòu)成。第一激光二極管201與LDi電流驅(qū)動(dòng)電路203、204相連接，并對(duì)溫度和電流進(jìn)行控制。第二激光二極管202與LD2電流驅(qū)動(dòng)電路205、206相連接，并對(duì)溫度和電流進(jìn)行控制。
[0015]LD1電流驅(qū)動(dòng)電路203上經(jīng)由加法器207而分別施加有第一直流電流208、諧波209、調(diào)諧信號(hào)210、211、分時(shí)單元212的脈沖信號(hào)212a以及波長(zhǎng)鎖定信號(hào)213。另外，LD2電流驅(qū)動(dòng)電路205上經(jīng)由加法器214而分別施加有第二直流電流215、諧波209、調(diào)諧信號(hào)210、211、分時(shí)單元212的脈沖信號(hào)212a以及波長(zhǎng)鎖定信號(hào)213。
[0016]第一激光二極管201與第二激光二極管202交替起振。第一激光二極管201利用所施加的電流(第一直流電流208、脈沖信號(hào)212a相加后的電流)，在第一氣體成分的吸收波長(zhǎng)A1下起振。另外，第二激光二極管202利用所施加的電流(第二直流電流215與脈沖信號(hào)212a相加后的電流)，在第二氣體成分的吸收波長(zhǎng)入2下起振。
[0017]如此，利用合波器216對(duì)來(lái)自第一激光二極管201的起振激光和來(lái)自第二激光二極管202的起振激光交替地進(jìn)行合流，并使其通過(guò)光纖的激光光路而射入至分波器217。從分波器217照射出的激光光束經(jīng)由一個(gè)透鏡(準(zhǔn)直器)218而通過(guò)氣體流通區(qū)域，并輸出至另一個(gè)透鏡(聚焦透鏡)219。
[0018]通過(guò)氣體流通區(qū)域后的激光被配置于另一個(gè)透鏡219附近的受光單元220的光電二極管(PD)所接受?；诒皇芄鈫卧?20所接受的氣體吸收信號(hào)，利用后級(jí)的解調(diào)處理單元221、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)處理單元222、AD轉(zhuǎn)換器223及計(jì)算機(jī)224，來(lái)計(jì)算出兩種氣體濃度。
[0019]圖8中示出了來(lái)自第一激光二極管201的波長(zhǎng)&的起振及來(lái)自第二激光二極管202的波長(zhǎng)λ2的起振的概要。成為波長(zhǎng)A1起振的期間與波長(zhǎng)λ2起振的期間交替出現(xiàn)的激光。能根據(jù)波長(zhǎng)λ I起振的時(shí)間內(nèi)的氣體的吸收信號(hào)來(lái)測(cè)量出第一氣體的氣體濃度，并根據(jù)波長(zhǎng)λ2起振的時(shí)間內(nèi)的氣體的吸收信號(hào)來(lái)測(cè)量出第二氣體的氣體濃度。
[0020]此外，時(shí)間分割(△t)的定時(shí)與所取出的氣體信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)，在計(jì)算機(jī)224中自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。由此，能簡(jiǎn)單且可靠地計(jì)算出多種氣體濃度。
如此，即使第一、第二激光光束通過(guò)相同的光軸，也能以分時(shí)方式交替地向受光單元220照射各個(gè)激光，因此，容易取出與各個(gè)氣體相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
[0021]這樣的現(xiàn)有技術(shù)的氣體濃度測(cè)量裝置以鍋爐、垃圾焚燒爐、燃燒機(jī)關(guān)的燃燒室等密閉容器內(nèi)所產(chǎn)生的氣體、或從該密閉容器向外部排出的氣體作為檢測(cè)對(duì)象。在現(xiàn)有技術(shù)中，第一、第二氣體成分氣體以NH3氣體和H2O氣體為對(duì)象，但能通過(guò)波長(zhǎng)的變更來(lái)對(duì)O2濃度和CO濃度來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這樣的氣體濃度測(cè)量裝置利用激光來(lái)對(duì)這些氣體進(jìn)行測(cè)定，從而能高效地對(duì)多種氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。專利文獻(xiàn)2所記載的發(fā)明如上所述。
[0022]另外，作為現(xiàn)有技術(shù)3有非專利文獻(xiàn)I所記載的發(fā)現(xiàn)。該發(fā)現(xiàn)是關(guān)于在對(duì)CO進(jìn)行氣體分析時(shí)水分的影響的發(fā)現(xiàn)。引用非專利文獻(xiàn)I的記載一邊進(jìn)行概括一邊對(duì)該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明。
[0023]在該非專利文獻(xiàn)I中對(duì)利用假設(shè)燃燒氣體中的CO氣體濃度的波長(zhǎng)可變半導(dǎo)體激光分光法(以下記為T(mén)DLAS)而做出的分析進(jìn)行了記載。另外，對(duì)提高檢測(cè)靈敏度的波長(zhǎng)調(diào)諧分光法(以下記為WMS)進(jìn)行了記載。
[0024]在圖9的表示高溫、高濃度的水分氣體和CO氣體的吸收頻譜的特性圖中使用了被稱為R( 10)、R( 11)的CO氣體的吸收譜線。R( 10)、R( 11)是位于波長(zhǎng)2.3微米頻帶的吸收譜線。R( 10)在波數(shù)4297.7cm—1 (波長(zhǎng)2326.8nm)處具有吸收強(qiáng)度的峰值，R( 11)在波數(shù)4300.7cm"1(波長(zhǎng)2325.2nm)處具有吸收強(qiáng)度的峰值。
[0025]在該圖9中，還示出了包含R(10)、R(11)的波長(zhǎng)區(qū)域中的CO氣體、水分的吸收頻譜。在R(1)、R(11)的波長(zhǎng)周邊具有水分的吸收強(qiáng)度，因此，在高溫、高濃度的水分環(huán)境下的CO濃度測(cè)定伴隨著水分干擾。即使如此，在R(10)、R(11)的波長(zhǎng)下水分的吸收也較小。一邊利用這些R( 10)或R(11)的吸收譜線來(lái)抑制水分的影響，一邊檢測(cè)CO氣體的吸收。主要由水分干擾來(lái)決定CO氣體濃度的測(cè)定精度。
非專利文獻(xiàn)I所記載的發(fā)明如上所述。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0026]專利文獻(xiàn)1:日本專利特表2010-519544號(hào)公報(bào)(發(fā)明名稱“燃燒氣體分析”)
專利文獻(xiàn)2:日本專利特開(kāi)2