CN103175799B - 水分浓度测定装置的校正方法以及校正装置 - Google Patents

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Abstract

本发明通过比较容易的操作来准确地进行水分浓度测定值的校正。校正方法是对使用照射部（2）来测定气体中的水分浓度的气体分析装置（100）进行校正的方法。该方法包括以下工序。基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与可由照射部（2）测定的且已知其与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系的其它成分气体之间的关系、和测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度，来校正水分浓度测定值。

Description

水分浓度测定装置的校正方法以及校正装置
技术领域
本发明涉及一种使用光源来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置的校正方法以及校正装置。
背景技术
一直以来，从燃烧煤炭或重质油的锅炉排出的燃烧废气中包含有NOx、SOx、CO2、CO等成分。于是，人们正开发一种对气体中的这些成分的含量进行分析的气体分析装置。
作为这样的气体分析装置，例如，正开发一种采用探针方式的装置。探针方式的气体分析装置是使从光源射出的测定光经配置在探针顶端部的反射器反射，基于经该反射器反射后的测定光的信息来分析试样气体中的规定成分的浓度的装置。
又，作为探针方式的气体分析装置，已知一种在成分浓度分析功能之外还具有校准功能的装置。
然而，例如，在对在燃烧工序以及使用了水溶液的除外处理工序后的排气工序中的水分等的0°C饱和以上的水分的浓度进行计测的情况下，气体分析装置的校正比较困难。尤其是，在使用露点在室温以上的高浓度的水分来进行校正的情况下，包含测定区域的气体所流入的全部管道需要保持在露点以上的温度。这样的校正设备即使在实验室这样的环境下能够配备，但很难引入到实际的设备环境中。
为了解决这样的问题，提出了一种可测定水分浓度的激光式气体分析计的校正装置(参照专利文献1)。该装置包括发光单元250以及受光单元260，信号处理电路是通过从受光部207的输出信号中对光源部204的调制信号的二次谐波信号进行检测来对测定对象气体的浓度进行测定的。该装置设有：在两个单元250、260之间密封地连接、保持激光的规定光路长度的管道301；向管道301内提供规定水分浓度的空气的气体洗瓶500；对提供到管道301内的含水分空气的氧气浓度进行测定的氧气分析器400。装置将已测定的氧气浓度换算成水分浓度，使用该水分浓度和所述光路长度来对气体分析计的水分浓度的测定值进行校正。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】特开2010-96561号公报
发明内容
【发明要解决的技术问题】
在专利文献1所记载的水分浓度的校正装置中，为了补偿由于起泡而产生的气体的浓度，在起泡前后测定氧气浓度。然而，在该情况下，由于需要将校正装置搬运到现场，实际的校正操作很困难。
本发明的技术问题在于通过比较容易的操作来准确地进行水分浓度测定值的校正。
【解决问题的技术手段】
以下，对作为用于解决技术问题的手段的多种实施方式进行说明。这些实施方式可以根据需要任意地进行组合。
本发明所涉及的一种方法是使用光源来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置的校正方法。该方法包括以下工序。
◎基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，和通过测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，该其它成分气体的吸收光谱的强度能够由光源测定，且该其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的。另外，吸收光谱的各强度之间关系是指，例如两者之比以及两者的差。
该方法中，由于基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，和通过测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，能够通过比较容易的操作来准确地校正水分浓度测定值，该其它成分气体的吸收光谱的强度与该吸收光谱的强度之间关系是已知的。即，水分浓度测定值的校正的成本降低，水分浓度测定值的校正的操作性进一步提高。
待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度也可以大致相同。在该情况下，不需要进行数值的换算操作。
在水分浓度测定装置的校正方法中也可以包含：在校正环境中使用光源来测定其它成分气体的吸收光谱的强度；基于朗伯-比尔定律，使用在所述校正环境中使用光源所测定到的其它成分气体的吸收光谱的强度，利用所述光源将测定光照射到测定环境中的其它成分气体，由此得到所述其它成分气体的吸收光谱，基于该吸收光谱的强度校正水分浓度测定值。
本发明其他方面所涉及的一种水分浓度校正装置，是使用光源来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置的校正装置。校正装置具有存储部和校正部。存储部存储有待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，该其它成分气体的吸收光谱的强度能够由光源测定，且该其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的。校正部基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系、和通过测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，该其它成分气体的吸收光谱的强度能够由光源测定，且该其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的。
待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度也可以大致相同。
校正部具有测定部和运算部。测定部在校正环境中使用光源来测定其它成分气体的吸收光谱的强度。运算部基于朗伯-比尔定律，采用在校正环境中使用光源所测定到的其它成分气体的吸收光谱的强度，利用所述光源将测定光照射到测定环境中的其它成分气体，由此得到所述其它成分气体的吸收光谱，基于该吸收光谱的强度校正水分浓度测定值。
【发明的效果】
在本发明所涉及的水分浓度测定装置的校正方法以及校正装置中，可以通过比较容易的操作来准确地进行水分浓度测定值的校正。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式所涉及的气体分析装置的示意截面图。
图2是表示运算控制部的构成的框图。
图3是表示水分浓度1.1%的水的吸收光谱与120ppm的氨的吸收光谱的关系的曲线图。
图4是表示水分浓度4%的水的吸收光谱与40ppm的氯化氢的吸收光谱的关系的曲线图。
【符号说明】
1烟道
1a壁
2照射部
3第1反射器
4受光部
5第2反射器
6已知物质收容部
7运算控制部
8切换部
9探针管
11壳体
12光学窗
61气体室
62气体导入管
63气体排出管
91导入孔
100气体分析装置
111CPU
112激光驱动部
113A/D转换部
114存储器
115显示装置
116操作装置
具体实施方式
(1)气体分析装置的整体构成
使用图1对本发明的一种实施方式所涉及的气体分析装置100进行说明。图1是本发明的一种实施方式所涉及的气体分析装置100的示意截面图。
气体分析装置100是分析烟道1中流动的试样气体中的规定成分浓度的气体分析装置。气体分析装置100是使用激光的装置，例如，是分散型红外分光光度计或者傅里叶变换红外分光光度计。
气体分析装置100包括一个照射部2、第1反射器3、一个受光部4、第2反射器5、已知物质收容部6、运算控制部7、切换部8、探针管9。
第1反射器3、第2反射器5和已知物质收容部6装在探针管9中。照射部2和受光部4构成了光学单元，它们被装在光学单元的壳体11内。壳体11和探针管9的连接处配置有光学窗12。光学窗12是由可透过测定光Lb原料而形成的板状构件。
典型的探针管9是圆柱状的构件。探针管9中设有导入孔91。导入孔91通过扩散将试样气体Sg导入到探针管9内部。探针管9的材质可按照气体分析装置100的使用环境选择任意的金属原料。导入孔91也可以在探针管9的侧面上形成为间断的缝隙。
探针管9内的顶端部装备有第1反射器3。另一方面，探针管9内的底端部装备有第2反射器5以及已知物质收容部6。
照射部2配置在构成筒状的烟道1的壁1a的外侧。照射部2将测定光Lb照射到在烟道1内流动的试样气体Sg中。典型的照射部2是红外线激光振荡装置等射出直线性高的规定波长范围光的光源装置。
第1反射器3向着受光部4反射从照射部2射出并通过烟道1内部的测定光Lb。即，第1反射器3是将从照射部2射出的光(光轴)的方向朝着受光部4的方向变更的单元。第1反射器3是例如角隅棱镜。
受光部4配置在照射部2的附近且在壁1a的外侧，接受经第1反射器3反射的测定光Lb。受光部4是在受光面上接受测定光Lb的受光装置。典型的受光部4是光电二极管等的光电转换装置。受光部4与运算控制部7电连接，将与接受到的测定光Lb相关的信息(例如光量)作为电信号发送到运算控制部7。
第2反射器5配置在壁1a的外侧，向着受光部4反射测定光Lb。即，第2反射器5是将从照射部2射出的光(光轴)的方向向着受光部4的方向变更的单元。第2反射器5是例如直角棱镜。
又，如图1所示在探针管9中，在导入孔91的相对面两端侧(试样气体Sg的气流的上游侧)分别形成有孔17、18。通过使试样气体Sg从这样的孔17、18流入，能够防止吹扫空气Pa流入探针管9的中央部，吹扫空气与试样气体Sg混合后，从导入孔91排出(SgPa)。
以上所述的孔17、18之间作为测定环境中的测定地点，其长度定义为光路长度。
已知物质收容部6设在照射部2与第2反射器5之间以及第2反射器5与受光部4之间的光路上的空间区域。已知物质收容部6收容有不使从照射部2照射的测定光Lb衰减或者使其衰减规定量的已知物质。在此，“已知物质”只要是在照射了测定光Lb的情况下预先知道透过的光量的物质即可，例如零气或量距气，进一步是包含对测定光Lb完全透明或者将透过的测定光Lb限制在规定量这样的透光板或光学元件的物质。
该实施方式中，已知物质收容部6充填用于补正或者校正气体分析装置100的已知浓度的气体(零气或量距气)。已知物质收容部6可以包括：例如，透光性的气体室61、将已知气体提供到气体室61内的气体导入管62、排出气体室61内的已知气体的气体排出管63。
另外，已知物质收容部6的构成，并不限定于上述的构成，例如也可以在不设透光性的气体室61且将第2反射器5配置在光路上的状态下，将已知气体导入到光学窗12与第2反射器5之间的空间区域来充填的方式构成。
切换部8配置在壁1a的外侧。切换部8在进行成分浓度的分析时使第2反射器5从光路上偏离，在进行补正或者校正时将第2反射器5配置在光路上。
(2)运算控制部的构成
然后，使用图2对运算控制部7进行说明。图2是表示运算控制部7的构成的框图。
运算控制部7具有对照射部2、受光部4以及切换部8的动作进行控制的控制功能。由此，照射部2射出测定光Lb，测定光Lb经第1反射器3被反射，反射光入射到受光部4。进一步地，运算控制部7具有基于由受光部4检测到的反射光来分析探针管9内的试样气体Sg的成分浓度的运算功能。
运算控制部7还具有进行使从照射部2射出的测定光Lb经第2反射器5反射并进行使用气体分析装置100的已知气体的补正或者校正的校正功能(后述)。
典型的运算控制部7包括：CPU(Central Processing Unit)等的信息处理装置、存储器等的存储装置、接受用户操作的界面装置、显示分析结果的显示装置等。于是，运算控制部7进行基于用户的操作以及存储在存储装置中的程序的控制处理、运算处理、校正处理。
更详细地，运算控制部7具有：CPU111、激光驱动部112、A/D转换部113、存储器114。CPU111可实现上述的各种功能。激光驱动部112基于来自CPU111的驱动指令来驱动照射部2。A/D转换部113对来自受光部4的检测信号进行A/D转换之后发送到CPU111。存储器114保存程序以及各种数据。
并且，CPU111与显示装置115以及操作装置116相连接。显示装置115是例如液晶显示器。操作装置116是例如键盘、鼠标、触控面板。
(3)水分浓度测定值的校正方法
然后，使用图3对水分浓度测定值的校正方法进行说明。图3是表示水分浓度1.1%的水的吸收光谱与120ppm的氨的吸收光谱的关系的曲线图。水的吸收光谱101用实线表示，氨的吸收光谱102用虚线表示。
对如上所述的吸收光谱的取得的一般例进行说明。例如，在使用波长可变型激光来测定水分浓度以及氨浓度的情况下，通过对给激光的施加电流的控制，对激光进行波长调制，通过在调制的整数倍的频率下对已穿过试样气体的该激光进行检波来得到吸收光谱。具体地，通过以下方式来得到吸收光谱。
首先，通过照射部2将由规定的调制频率进行了波长调制的测定光Lb照射到试样气体Sg。然后，由受光部4接受已穿过烟道1中的(含有水分或氨等的)试样气体Sg的测定光Lb，由A/D转换部113对来自受光部4的信号进行A/D转换。而后，由CPU111将受光部4接受到的测定光Lb的调制频率的2倍的频率成分从A/D转换后的信号中抽出。
由图3可知，在相同的波长范围内，水和氨的信号强度一样。由此预先得到在测定环境中的含有规定浓度的水的气体的信号输出与含有规定浓度的特定成分的气体的信号输出大致相同这一信息。这意味着明确了测定中使用的水的吸收系数ε与氨的吸收系数ε之间的关系。
所述的关系信息(即待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与第1浓度的其它成分气体的吸收光谱的强度之间的关系，该第1浓度的其它成分气体具有能够由照射部2测定的吸收光谱的强度，且该其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之比是已知的)，由CPU111取得后保存在存储器114中。
以下对水分浓度测定值的校正方法进行说明。另外，控制以下的各装置的动作主要由运算控制部7的CPU111执行。
最初，第2反射器5下降，导入含有氨的校正气体到已知物质收容部6。接着，照射部2发射测定光Lb，经第2反射器5反射的光被输入到受光部4。结果，CPU111得到校正气体测定时的信号输出。基于该得到的信号输出，CPU111计算用于水分浓度测定值的校正的系数。
以下，对所述的校正进行详细地说明。气体的吸收强度(吸光度)由朗伯-比尔定律(α=εcL)得到。α为吸光度，ε为吸收系数，c为浓度，L为光路长度。在此，吸收系数ε即使对于同一气体种类也因每根吸收线而不同，而且随校正环境(例如温度、圧力)变化。
作为一个实施例，例如，在想要将在测定环境中含有浓度1%的水的气体的信号输出定为1的情况下，事先得到水1%的信号输出与1000ppm的成分A(本实施方式中为氨)的气体的信号输出相同这一关系信息。当已测定成分A的气体的条件是，在已知物质收容部6的光路长度L=10cm且浓度c=100ppm的情况下，信号输出为0.9。又，在测定环境中的测定地点的光路长度L=100cm。
在此情况下，以下的算式成立。
吸光度
根据该式，计算1000ppm的成分A的输出信号x(=水1%的输出信号)。使用该x的值来校正水分浓度测定值。例如，在想要将在测定环境中的信号输出定为1的情况下，使已测定的水分浓度的测定值的校正之前的值乘以1/x即可。
另外，为了根据所述的方法来进行水分浓度测定值的校正而使用氨，也有如下的效果。即，能够缩小在水分浓度测定装置100中的波长扫描范围。其原因，如上所述，因为在相同波长范围内水与氨的信号强度一样。由此，能够缩短取得校正用的测定数据的时间。从而，能够缩短校正时间。又，通过缩短测定数据取得的时间，能够抵制因对激光的注入电流而导致的温度上升。由此，能够抑制因温度上升导致的激光的波长变动。结果，提高了测定精度。
图4是表示水分浓度4%的水的吸收光谱与40ppm的氯化氢的吸收光谱的关系的曲线图。水的吸收光谱103用实线表示，氯化氢的吸收光谱104用虚线表示。由图4可知，在不同的波长范围内，水与氯化氢的信号强度一样。
这样即使两者的波长范围不同，只要在可以激光振荡的波长范围内，即使是附近的吸收线之外也能够在校正中使用。其原因是因为通过变更激光的温度或给激光的注入电流，能够变更再现性良好的扫描波长范围。
(4)实施方式的作用效果
所述实施方式可以以如下所述形式表现出来。
(A)所述的校正方法是对使用照射部2(光源的一个示例)来测定气体中的水分浓度的气体分析装置100(水分浓度测定装置的一个示例)进行校正的方法。该方法包括以下工序。
◎基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，和测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，该其它成分气体的吸收光谱的强度可由照射部2测定，且该其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的。
该方法中，由于基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，和测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，因此，能够通过比较容易的操作来准确地校正水分浓度测定值，该其它成分气体的吸收光谱的强度与该吸收光谱的强度之间关系是已知的。结果，水分浓度测定值的校正的成本降低，水分浓度测定值的校正的操作性进一步提高。
(B)待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度大致相同。
但，两者也不必一定要相同。因为知道两者之比就可以使用朗伯-比尔定律。
(C)运算控制部7(校正装置的一个示例)使用于使用光源来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置100(水分浓度测定装置的一个示例)。运算控制部7具有存储器114(存储部的一个示例)、CPU111(校正部的一个示例)。存储器114存储待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，该其它成分气体的吸收光谱的强度能够由照射部2测定，且其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的。CPU111基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系、和通过测定其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，该其它成分气体的吸收光谱的强度能够由照射部2测定，且其它成分气体的吸收光谱的强度与待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的。
(D)CPU111具有测定功能(测定部的一个示例)和运算功能(运算部的一个示例)。测定功能使用照射部2在校正环境中测定其它成分气体的吸收光谱的强度。运算功能基于朗伯-比尔定律，使用在校正环境中使用照射部2测定到的其它成分气体的吸收光谱的强度，使用照射部2来对测定环境中的测定地点的光路长度(测定环境的一个示例)中的其它成分气体的吸收光谱的强度进行计算，基于该吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值。
(5)其它实施方式
以上，虽然对本发明的一种实施方式进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式，在不脱离发明的主旨的范围内可以进行各种的变更。特别地，本说明书所述的多种实施方式以及变形例根据需要可以任意地组合。
(a)气体分析装置的具体结构不限定于所述实施方式。
(b)也可以不另外导入已知浓度气体，而是将已封入已知浓度的气体的气体室设在气体分析装置内。
(c)也可以使用浓度变化少的大气中的气体(氧气或者二氧化碳)作为已知浓度的气体。
【工业上的可利用性】
本发明可以广泛应用于使用光源来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置的校正方法以及校正装置。

Claims (4)

1.一种水分浓度测定装置(100)的校正方法，其为利用光源(2)来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置(100)的校正方法，其特征在于，
基于待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系、和通过测定所述其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值，所述其它成分气体的吸收光谱的强度能够由所述光源(2)测定，且所述其它成分气体的吸收光谱的强度与所述待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的；
在校正所述水分浓度测定值的过程中，包含：
在校正环境中使用所述光源(2)来测定所述其它成分气体的吸收光谱的强度；
基于朗伯-比尔定律，采用在所述校正环境中用所述光源(2)测定的所述其它成分气体的吸收光谱的强度，利用所述光源(2)将测定光照射到测定环境中的所述其它成分气体，由此得到所述其它成分气体的吸收光谱，并基于该吸收光谱的强度校正水分浓度测定值。
2.如权利要求1所述的水分浓度测定装置(100)的校正方法，其特征在于，
所述待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与所述其它成分气体的吸收光谱的强度大致相同。
3.一种水分浓度测定装置(100)的校正装置(7)，其为使用光源(2)来测定气体中的水分浓度的水分浓度测定装置(100)的校正装置(7)，其特征在于，包括：
存储部(114)，其存储有待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系，所述其它成分气体的吸收光谱的强度能够由所述光源(2)测定，且所述其它成分气体的吸收光谱的强度与所述待测定浓度的水分的吸收光谱的强度之间关系是已知的；
校正部，其基于所述待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与所述其它成分气体的吸收光谱的强度之间关系、和通过测定所述其它成分气体得到的吸收光谱的强度来校正水分浓度测定值；
所述校正部具有：
测定部，其在校正环境中利用所述光源(2)来测定所述其它成分气体的吸收光谱的强度；
运算部，其基于朗伯-比尔定律，采用在所述校正环境中使用所述光源(2)所测定的所述其它成分气体的吸收光谱的强度，利用所述光源(2)将测定光照射到测定环境中的所述其它成分气体，由此得到所述其它成分气体的吸收光谱，并基于该吸收光谱的强度校正水分浓度测定值。
4.如权利要求3所述的水分浓度测定装置(100)的校正装置(7)，其特征在于，
所述待测定浓度的水分的吸收光谱的强度与所述其它成分气体的吸收光谱的强度大致相同。
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