CN102639983A

CN102639983A - 用于在管道气体监控系统中确定光学测量路径长度的方法

Info

Publication number: CN102639983A
Application number: CN2009801627385A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·库奥帕
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2012-08-15
Also published as: EP2507609A1; WO2011066868A1; US20120236323A1

Abstract

一种用于在管道气体监控系统中确定光学测量路径长度（L）的方法，所述管道气体监控系统适于通过从光源（6）发射光（3）通过第一清除管（15）、气体管道（1）和第二清除管（16）到测量探测器（5）,从其波长特定吸收测量管道气体的气体成分的浓度，其中所述清除管（15，16）通入到所述气体管道（1）中并且充满清除气体，所述清除气体在充满后排放到所述气体管道（1）中。为了提供光学测量路径长度（L）的改进的估测，特别地当过程条件变化时，在所述气体成分的浓度的测量期间，所述清除管（15，16）瞬时地充满所述管道气体（2），并且所述光学测量路径长度（L）从所述光源（4）与所述测量探测器（5）之间的已知的路径长度乘以当所述清除管（15，16）充满所述清除气体时测量的光吸收以及当所述清除管（15，16）充满所述管道气体（2）时测量的光吸收的比率计算出，其中所述光吸收在时间上相邻的测量中获得。

Description

用于在管道气体监控系统中确定光学测量路径长度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在管道气体监控系统中确定光学测量路径的方法，该方法适于将光从光源发送通过第一清除管、气体管道以及第二清除管到测量探测器，从其波长特定吸收测量管道气体的气体成分的浓度，其中清除管通入到气体管道中并且充满清除气体，该清除气体在充满后被排放到气体管道中。

背景技术

在光谱气体分析中，在气体混合物（测量气体）中已知的是气体成分或多种气体成分的浓度，分别地通过气体成分的测定的波长特定吸收或者测量气体的测定吸收光谱来确定。为此目的，测量气体被以具有预定光学测量路径长度的测量体积引入，例如样品管，或者在原位过程测量的情形中，诸如气体引导管，炉，漏斗，栈或者类似物的气体管道。光源的光，例如红外灯或者可调节激光二极管，被通过测量体积传送到测量探测器，例如光气或固态探测器，以便根据测量体积的光学路径中的光吸收产生测量探测器输出。

在管道气体监控系统中，光源（或者，等同地，连接到远程光源的光学纤维自由端件）和测量探测器通常布置在安装在与气体管道的壁径向相对的位置处的两个测量头中，测量气体（管道气体）通过该气体管道流动。每个测量头都具有纵向室（清除管），其在一端通入到气体管道中并且在另一端包含相应的有源光学部件（光源或测量探测器）。为保持测量气体远离有源光学组分，因此该室充满以不包含测量的气体成分的清除气。在充满室以后，清除气体被排放到气体管道中。光学窗口可以布置在纵向室内以将包含相应的有源光学部件的主室与通入到气体管道的前室分开。在这种情形中，前室充满和主室可以充满清除气体。

为了确定在测量气体中的关注的气体成分的浓度，必须知道气体成分的波长特定吸收和气体管道中的光学测量路径长度。通常地，光学测量路径长度可以限定为清除管的开口端之间的距离。然而，由于清除气体排放到气体管道中，因此特别地如果测量路径很短并且清除气体的流量很高便很难估测实际的光学测量路径长度。此外，测量路径长度可以基于诸如压力、流动和湍流的变化的过程状况或者基于在清除管的开口端的侵蚀引起的磨损而随着时间而改变。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供特别地当过程状况变化时对光学测量路径长度的改进的估算。

根据本发明，该目的通过上述类型的方法实现，其中在气体成分的浓度的测量期间，清除管瞬时地充满管道气体，并且所述光学测量路径长度从光源与测量探测器之间的已知的路径长度乘以当清除管充满清除气体时测量的光吸收以及当清除管充满所述管道气体时测量的光吸收的比率计算出，其中所述光吸收在时间上相邻的测量中获得。

如果存在布置在清除管中的用于将包含相应有源光学部件的主室与通入到气体管道的前室分开的光学窗，光源与测量探测器之间的路径长度应该被理解为窗到窗的路径长度。该路径长度可以在管道气体监控系统的安装处测量并且可以假定是恒定的。

测定的吸收（或吸收幅度）被理解为是包括诸如气体特定吸收系数、气体浓度和光学路径长度的吸收相关因素的变量。由于当清除管填充以清除气体以及当它们填充以管道气体时光吸收的测量之间的时间间隔非常短，关注的气体成分将保持不变，从而待估测的光学测量路径长度与光源与测量探测器之间的已知的路径长度之间的比率直接地与测量光吸收的比率相符合。因此，实际光学测量路径长度可以由光源与测量探测器之间的已知路径长度乘以测定的光吸收比率计算出来。

其中可以这样增加估测的准确性和鲁棒性，在测量的光吸收的确定的比率中，当清除管填充以清除气体时测量的光吸收值作为在填充清除管以管道气体之前与之后的至少两次测量的平均值而获得。

为此相同的原因，当清除管充满清除气体时并且当其填充以管道气体时测量可以重复若干次，其结果使用诸如平均的统计方法处理。如果，例如，在测定的光吸收中发现太大的变化，实际光学测量路径长度的估测应该被打断并且安排下一次。

为了瞬间地使清除管填充以管道气体，清除气体供给被切断并且管道气体可以沿着与清除方向相反的方向从气体管道中通过清除管而被抽出。这种方法具有在清除管中的管道气体的温度大致与清除管之间的气体管道中的温度相同的优势。至少，在清除管中的管道气体的温度可以良好的准确性进行数学建模，因为在清除管的开口端的温度是已知的（对于气体监控对测量介质的温度敏感的情形来说，过程的温度通常被测量或者是已知的）并且可以容易地测量在另一端的温度。因此，当清除管填充以管道气体时所述测量的光吸收的值可以利用清除管中的温度分布修正，温度分布从所述气体管道中的测量的或者已知的温度以及在所述管道气体离开所述清除管的位置处测量的温度获得。

作为上述方法的瞬间填充清除管以管道气体的替换方案，清除气体供给被切断并且沿着清除方向以从气体管道分支出的管道气体的一部分充满清除管。当管道气体的即使更短期间的暴露可能降低光学部件通常是气体监控系统（例如，污染、凝结）的窗口的性能时可以使用该替换方案，因为其允许分支管道气体的渗入（例如过滤，干燥）。与上述第一清除方法相比，该替换方案不知道清除管中的管道气体的温度。可以通过热处理（通常加热）分支管道气体至清除管之间的光学测量路径中的管道气体的温度而解决该问题，由此在清除管中获得平的温度轮廓。

附图说明

下面参照附图通过实例的方式来描述本发明，在附图中：

图1是管道气体监控系统的横截面视图；以及

图2示出了管道气体监控系统的一个变型实施方式。

具体实施方式

图1和图2均示出了气体管道1，管道气体2通过气体管道流动。流动方向通过箭头指示。为测量选定气体成分的浓度，光3被从光源4发射通过气体管道1到测量探测器5。光源4可以是激光二极管或者承载外部光源的光的光学纤维的端件。测量探测器5可以是任何传统类型的光电探测器。

光源4和测量探测器5布置在相应不同的安装在与气体管道1的壁8径向相对的位置的光学测量头6和7中。在构造上大致相同的测量头6和7中的每一个均具有纵向室9，10，其在一端通入到气体管道1中并且在另一端包含相应的有源光学部件4或5。在示出的实施方式中，室9、10中的每个均包含将室9，10分成包含有源光学部件4，5的主室13，14与通向气体管道1的前室的光学窗11，12。如果有必要的话，主室13、14可以每个还包含透镜系统。

前室15，16中的每个均用作清除管并且充满不包含测量气体部分的清除气体。在充满前室或清除管15，16以后，清除气体排放到气体管道1中。清除气体通过清除气体源17提供，在光学窗11，12附近的位置处气体线18，19从清除气体源引导并且排放到清除管15，16中。受控三通阀20将气体线18，19与清除气体源17和气泵或鼓风机21分开。

三通阀20、测量探测器5以及光源4连接到控制与估测单元22。可以包含在测量头7中的单元22，估测测量探测器5输出以从其特定波长吸收确定待测量的气体成分的浓度。为此目的必须知道气体管道1中的光学测量路径长度。从图1和图2显而易见的是光学测量路径长度L，特别地，如果测量路径很短并且清除气体的流量很高，不能简单地定义为清除管15，16，的开口端之间的距离。此外，由于变化的过程状况测量路径长度可以随时间而改变。为确定实际光学测量路径长度L，控制与估测单元22控制阀20以瞬间地将气体线18，19从清除气体源17切换到气泵或鼓风机21，从而清除管15，16将被瞬间地填充以管道气体2。

在图1的实例中，气泵或鼓风机21布置为从气体管道1汲取气体2通过清除管15，16进入排放线23，其可以在清除管15，16的下游的位置处排放到气体管道1中。提供温度传感器24和25并且温度传感器24和25连接到控制与估测单元22，以测量在管道气体离开清除管15，16的位置并且进入气体线18，19的位置的管道气体的温度。

在图2的实例中，气泵或鼓风机21布置为，经由管道气体线26，在清除管15，16的上游的位置处从气体管道1汲取管道气体2的一部分并且使分支管道气体通过清除管15，16回送到气体管道1中。气体过滤器27和温度控制装置28可以设置在管道气体线26中以从穿过它的管道气体2中保持诸如稳定剂（sooth）的颗粒。

在图1和图2两种情形中，如果气体管道1中的在管道气体的一部分分支的位置处与其回馈的位置处的压降足够高，那么便可以省略气泵或者鼓风机21。

通过管道气体2传送，光3根据比尔-朗伯定律指数地衰减：

I＝I₀·exp(-c ·α·L)，

这里Io是从光源4发出的光的强度，以关注气体成分的分子吸收线的波长，I是在穿过具有长度L的测量路径之后的光的强度，并且α是浓度为c的关注气体成分的吸收系数。吸收系数α取决于温度和压力。对于小的光学吸收来说，上面给出的公式减小为：

I＝I₂·(1-c·α·L)，

这里A＝c·α·L是光吸收。

用于确定或者校准光学测量路径长度L的步骤如下：

1．清除管15，16充满清除气体。

2.测量光吸收A₁。

3.接合或转换阀20以使清除气体切断并且用管道气体2填充清除管15，16，等待直到清除管15，16充满管道气体2。

4.测量光吸收A_w-w。

5.释放或者转回阀20，从而清除气体流入清除管15，16中，等待直到清除管15，16充满清除气体2。

6.测量光吸收A2。

7.由于快速地陆续获得光吸收值A₁，A_w-w，A₂，关注的气体成分的浓度c将保持不变，以使A₁＝c·α·L，A_w-w＝c·α·L_w-w以及A₂＝c·α·L₂，这里L₁与L₂是等于或至少相似，并且L_w-w是光源4与测量探测器5之间的已知路径长度（这里：窗到窗路径长度）。因此能够通过以下来计算实际光学测量路径长度L:

L = \frac{A_{1}}{A_{w - w}} \cdot L_{w - w}

或者

L = \frac{A_{2}}{A_{w - w}} \cdot L_{w - w}

或者更好的是

L = \frac{A_{1} + A_{2}}{2 \cdot A_{w - w}} \cdot L_{w - w}

8.完成测量路径长度的确定或校准，并且可以利用更新的实际测量路径长度L来计算浓度。

Claims

1.一种用于在管道气体监控系统中确定光学测量路径长度（L）的方法，所述管道气体监控系统适于通过从光源（6）发射光（3）通过第一清除管（15）、气体管道（1）和第二清除管（16）到测量探测器（5）,从其波长特定吸收测量管道气体的气体成分的浓度，其中所述清除管（15，16）通入到所述气体管道（1）中并且充满清除气体，所述清除气体在充满后排放到所述气体管道（1）中，其特征在于，

在所述气体成分的浓度的测量期间，所述清除管（15，16）瞬时地充满所述管道气体（2），并且所述光学测量路径长度（L）从所述光源（4）与所述测量探测器（5）之间的已知的路径长度乘以当所述清除管（15，16）充满所述清除气体时测量的光吸收以及当所述清除管（15，16）充满所述管道气体（2）时测量的光吸收的比率计算出，其中所述光吸收在时间上相邻的测量中获得。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量的光吸收的比率中，当所述清除管（15，16）填充以所述清除气体时测量的光吸收值作为在填充所述清除管（15，16）以所述管道气体（2）之前与之后的至少两次测量的平均值而获得。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述清除管充满清除气体时并且当其填充以管道气体时测量重复若干次，其结果使用统计方法处理。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过切断所述清除气体供给并且沿着相反清除方向从所述气体管道（1）抽出管道气体（2），所述清除管（15，16）瞬时地充满所述管道气体（2）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述清除管（15，16）填充以管道气体（2）时所述测量的光吸收值利用清除管（15，16）中的温度分布修正，所述温度分布从所述气体管道（1）中的测量的或者已知的温度以及在所述管道气体（2）离开所述清除管（15，16）的位置处测量的温度获得。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过切断所述清除气体供给所述清除管（15，16）瞬时地填充所述管道气体（2），并且沿着清除方向以从所述气体管道（1）分支的所述管道气体（2）的一部分充满所述清除管（15，16）。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分支管道气体（2）在所述清除管（15，16）之间的光学测量路径被热处理到所述管道气体（2）的温度。

8.一种管道气体监控系统，该监控系统适于执行上述权利要求中任一项所述的方法，包括：

相对于气体管道（1）布置光源（6）和测量探测器（5）以使得光（3）从所述光源（6）运行通过第一清除管（15）、所述气体管道（1）和第二清除管（16）到测量探测器（5），所述清除管（15，16）通入到所述气体管道（1）中并且连接到清除气体源（17），所述系统还包括：阀（20），所述阀被调整并且控制用于在测量在所述气体成分的浓度的测量期间，瞬时地将所述清除管（15，16）从所述清除气体源（17）转换到泵（21）以便沿着相反的清除方向从所述气体管道（1）汲取管道气体（2）或者将所述清除管（15，16）从所述清除气体源（17）转换到在所述清除管（15，16）的上游的位置处与所述气体管道（1）连接的管道气体线（26）。