CN103221828A

CN103221828A - 气体流速测定装置及气体流速测定方法

Info

Publication number: CN103221828A
Application number: CN2010800701887A
Authority: CN
Inventors: 金宋元
Original assignee: Pu Zhengyi
Current assignee: Pu Zhengyi
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2013-07-24
Also published as: EP2642301A1; EP2642301B1; US9157778B2; JP5923511B2; JP2013542449A; WO2012067281A1; EP2642301A4; US20130228689A1

Abstract

本发明公开了一种可提高即时测定信赖度、可选择特定的气体进行测定的气体流速测定装置及气体流速测定方法。本发明的气体流速测定装置，包括至少一个气体检测部及控制部。所述气体检测部在至少含有一种气体的混合气体中，将预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，照射在特定气体上，检测特定气体对该波长的光量的吸收，提供与所检测出的光量相应的检测信号；所述控制部以所述气体检测部所提供的检测信号为基础，即时算出预检测的特定气体的流速。从而无需其他调整，即可对多种气体混存下的特定气体的流速进行选择性、即时性的测定。

Description

气体流速测定装置及气体流速测定方法

技术领域

本发明涉及一种气体流速测定装置，尤其是可提高测定信赖性，可有选择性地测定所选择特定气体的流速的气体流速测定装置及气体流速测定方法。

背景技术

一般来说，气体流量的测定是测定气体的流速，并测定气体在单位时间内的移动距离，然后乘以在测定流速位置上的流动横截面(cross section)，从而来测定气体的流速。另外在多种气体混存流动时，仅对特定气体流量的测定方法是在整体气体中，测定所述特定气体的浓度，在整理流量中，计算所述特定气体的比率，从而算出其流量。

目前主要使用的流速计，按照种类分为差压式、涡轮式、面积式、超声波式及电子式等。

图1是图示一般流速计种类及动作方式的概念图。

差压式流速计如图1的（a）所示，利用形成有透过口的隔离膜，将流体流动的管的一部分横截面进行隔离，测定隔离膜两端产生压力的差值，从而来换算流速。

涡轮式流速计如图1的（b）所示，在流体流动的管的中央设置转子，测定随着流体流动而旋转的转子的速度，从而来换算流速。

面积式流速计如图1的（c）所示，向流体流动的方向设置弹性变位器，测定因流速而产生的弹性变位量，或是将弹性变位器设置在筒状的通道上，测定因流速产生的压力和重力而发生变位的弹性变位器的变位，从而来换算流速。

超声波式流速计如图1的（d）所示，利用与流速对应的超声波的传送速度的差值，测定流速导致的超声波速度的变化量，从而来换算流速。

电子式流速计如图1的（e）所示，在具有电荷的气体上，施加外部电磁场，测定与流速相应的电磁场的变化量，从而来换算流速。

如图1所示，以往流速计中的差压式、涡轮式及面积式流速计是要按照所要测定气体的种类，来另外进行调整的。

进一步，如图1的（a）所示，差压式流速计从微观角度来看，隔离膜两端上的压力差值与隔离膜上的气体分子冲突而发生的冲击量成比例。在此，上述的冲击量的起因是气体分子在隔离膜上冲突而发生的运动量的变化，运动量在牛顿力学中被定义为质量乘以速度，因此即使是相同的运动量变化或冲击量，也会因气体分子的分子量大小而改变。由此可见，差压式流速计在使用时，需要事先知道所要测定流速的气体种类或相同的条件，也就是说根据相同气体的流动条件，需要对隔离膜两端的压力差值进行事先的调整，该调整也同样被应用于涡轮式流速计或面积式流速计。

另外，差压式、涡轮式及面积式流速计存在流速因时间急速变化时，无法即时测定流速变化的问题。举例来说，差压式流速计在流速急速变化时，与此成比例，隔离膜两端的压力会产生差值。但是与这种压力差值对应，指示压力差值的流体上下变松，这种松动到稳定下来需要很长的时间。为了解决这种问题，把用于指示压力差值的流体换为粘性更大的流体时，因其粘性大，隔离膜两端的压力变化无法被及时反映出来。

如上所述的问题，在涡轮式及面积式流速计中也是必然存在的。举例来说，涡轮式流速计中，转子和旋转轴的摩擦较小时，流速的变化可以即时被反映出来，但是就如同在风轮上吹一口气，风轮也会在一定时间内旋转一样，即使没有流速，也会被测定出来存在流速，为了解决这个问题，在加大转子和旋转轴间的摩擦力时，与差压式一样，无法即时测定流速变化。这一问题在面积式流速计中也存在。

总的来说，差压式、涡轮式及面积式流速计仅限用于流速变化较慢时，这是其最大的缺点。

超声波式流速计受外部杂音的影响，声波的传送速度随温度变化，在使用超声波式流速计时，需要隔离杂音或限于杂音较小方可，通过测定温度来换算流速。

电子式流速计因气体分子需要具有电荷，这就仅限用在离子状态下的气体分子或电极性较大的气体的流速测定上。另外所要测定流速的气体的种类，需要根据气体分子的电荷量，精确地进行另外调整。

以往的流速计除了存在上述问题以外，对于多种气体混存的情况，无法有选择性地对特定的气体进行流速测定。

进一步，以往的流速计，因仅可测定整体气体的平均流速，无法区分各气体的流速差异，因此，在将气体的流量换算成经济价值时，会导致相当大的误差。

依据气体状态方数学方程式，气体分子的速度与各分子质量的平方根成反比，举例来说，在氮和二氧化碳混存流动时，二氧化碳的流速为1的话，氮的流速要比其快25%左右。但是现有的流速计无法区分这种流速的差值，导致测定氮和二氧化碳的平均流速，从而测定二氧化碳的流量，换算成经济价值时，其评价价值会被算多。

举例来说，燃烧沼气所产生的气体向外部排出时，要测定二氧化碳的流速时，要考虑到大气中80%左右是氮，以往技术的流速计仅可测定整体气体的平均流速，导致测定出氮流速的近似值。进一步，若排出的气体是氮和二氧化碳时，大气中的氧浓度约为20%，在完全燃烧时，二氧化碳的浓度最大为10%。在此，假设二氧化碳别最大程度地排放出来，氮和二氧化碳的浓度分别是8/9和1/9，用以往的流速计进行测定时，作为有效质量（m_e）的气体移动速度被测定，有效质量（m_e）如下列数学方程式1所示。

数学方程式1[方程式1]

m_e=（第一气体质量x第一气体构成比）+（第二气体质量x第二气体构成比）

也就是说，氮和二氧化碳分别以8/9和1/9的构成比被排放时，氮的分子量是28，二氧化碳的分子量是44，因此被排出的气体所具有的分子量约为29.8，那么以往流速计则对分子量为29.8的气体进行流速测定。但是实际上二氧化碳的分子量为44，是现有流速计所测定值的0.82倍。由此可见，以往技术的流速计测定二氧化碳的流速时，其测定结果要快出约22%（（1/0.82-1）x100=22），利用其对二氧化碳的排放量进行计算时，排放量会被多算出22%。

若将二氧化碳的排放量换算成经济价值，如上所述的以往技术的流速计所测定的结果会导致二氧化碳排放量被多算出22%，此部分排放量换算成经济价值的话，那么其费用会被多算出22%。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可提高即时测定的信赖性，对特定气体进行有选择性地测定的气体流速测定装置。

本发明的另一目的在于提供一种可提高即时测定的信赖性，对特定气体进行有选择性地测定的气体流速测定方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是提供一种气体流速装置，所述气体流速装置包括：在至少含有一种气体的混合气体中，放出预测定流速的特定气体可吸收的波长的光，并检测所述放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的至少一个的气体检测部；及以所述气体检测部所提供的检测信息为基础，算出所述预测定的特定气体的流速的控制部。

还包括为了测定所述预测定的特定气体的流速，对所述混合气体的流动产生干扰的气体处理部。

所述气体处理部所喷射的指示气体与所述混合气体中的所述预测定的特定气体相同，浓度高于所述特定气体的浓度。

所述气体处理部在所述混合气体中产生涡流。

所述至少一个的气体检测部分别包括：放出所述特定气体所吸收波长的光的第一光源；检测所述第一光源所放出的光，提供与检测出的光量相应的第一检测信号的第一光检测器；与所述混合气体移动的方向相同，与所述第一光源按照所定距离隔开设置，放出所述特定气体所吸收波长的光的第二光源；及检测所述第二光源所放出的光，提供与检测出的光量相应的第二检测信号的第二光检测器。

在所述第一光源与所述第一光检测器之间的光进行方向的第一光路与在所述第二光源与所述第二光检测器之间的光进行方向的第二光路互相平行，所述第一光路及所述

第二光路垂直于所述混合气体的流动方向。

所述控制部以所提供的所述第一检测信号及所述第二检测信号为基础，算出所述预测定的特定气体的速度。

所述至少一个的气体检测部包括：从事先设定的基本位置移到第一位置（L1），在第一时间（t1）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的第一气体检测部；从事先设定的基本位置移到第二位置（L2），在第二时间（t2）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的第二气体检测部；从事先设定的基本位置移到第三位置（L3），在第三时间（t3）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的第三气体检测部。

所述控制部以所述第一气体检测部、所述第二气体检测部、所述第三气体检测部分别提供的检测信号为基础，计算出第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3），以所述第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3）为基础，测定所述特定气体的终端速度。

本发明的另一技术方案是提供一种气体流速测定方法，所述气体流速测定方法包括：在含至少一种气体的混合气体的流动中，产生干扰的步骤；在被干扰流动的混合气体中，放出预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，检测所述放出的光，提供与所检测出的光量相应的检测信号的步骤；及以所述提供的所述检测信号为基础，对所述预测定的特定气体的流速进行计算的步骤。

在所述在含至少一种气体的混合气体的流动中产生干扰的步骤中，为了测定所述预测定的特定气体的流速，所喷射的指示气体与所述特定气体相同，其浓度高于所述特定气体的浓度。

在所述在含至少一种气体的混合气体的流动中产生干扰的步骤中，在所述混合气体中产生涡流。

所述在被干扰流动的混合气体中，放出预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，检测所述放出的光，提供与所检测出的光量相应的检测信号的步骤包括：自第一光源放出所述特定气体吸收波长的光的步骤；检测自所述第一光源放出的光，提供与检测出的光量相应的第一检测信号的步骤；自第二光源放出所述特定气体吸收波长的光的步骤；及检测自所述第二光源放出的光，提供与检测出的光量相应的第二检测信号的步骤。

在所述以所述提供的所述检测信号为基础，对所述预测定的特定气体的流速进行计算的步骤中，以所述第一检测信号及所述第二检测信号为基础，计算所述预测定的特定气体的流速。

所述在被干扰流动的混合气体中，放出预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，检测所述放出的光，提供与所检测出的光量相应的检测信号的步骤包括：在与发生干扰的位置隔开第一距离的位置上，在第一时间（t1）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的步骤；在与发生干扰的位置隔开第二距离的位置上，在第二时间（t2）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的步骤；及在与发生干扰的位置隔开第三距离的位置上，在第三时间（t3）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的步骤。

所述以所述提供的所述检测信号为基础，对所述预测定的特定气体的流速进行计算的步骤包括：分别以所述第一时间（t1）、所述第二时间（t2）、所述第三时间（t3）所提供的检测信号为基础，计算出第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3）的步骤；及以所述第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3）和所述第一距离、第二距离、第三距离为基础，计算所述预测定的特定气体的终端速度的步骤。

本发明的有益效果：依据上述本发明的气体流速测定装置及气体流速测定方法，在测定气体时无需事先做另外的调整，即使气体急速变化也可以即时准确地测定流速。同时，对于多种气体混存的情况，可对特定的气体进行有选择性地测定，并以此为基础，准确的计算出特定气体的排放量。在对测定气体的排放量进行经济评价时，可提高其可信赖性。

附图说明

图1是一般流速计的种类及动作方式的概念图；

图2是依据气体分子量对气体流速进行说明的概念图；

图3图示了气体分子的吸光光谱；

图4图示了加速运动和阻力导致速度变化的曲线图；

图5是本发明一实施方式的气体流速测定方法中，在测定对象气体中产生干扰的方法的概念图；

图6是本发明另一实施方式的气体流速测定方法中，在测定对象气体中产生干扰的方法的概念图；

图7是本发明一实施方式的气体流速测定方法中，在流动的气体中产生干扰后，测定所干扰气体移动速度方法的概念图；

图8是本发明一实施方式的气体流速测定装置的结构图；

图9是图8中所示的气体检测部的详细结构图及动作原理的概念图；

图10是图示本发明一实施方式的气体流速测定方法的流程图。

附图符号说明

110、气体处理部；130a、130b、130c、气体检测部；150、控制部；160、显示部；170、通信数据部；180、气体引导部；190、固定部

具体实施方式

本发明进行多种多样的变更，也可以具有多种实施方式，以下结合特定的实施方式和附图对本发明进行详细的说明。

但是本发明并不局限于特定的实施方式，在本发明的技术思想和原则范围内所作的任何变更、替换、变形，以及其类似物或替换物等均包含在本发明的范围内。

“第一”、“第二”等术语是用于说明多种构成要素的，但是上述构成要素并不局限于上述术语。上述术语是用于将一个构成要素与另一个构成要素区分开的。举例来说，在不脱离本发明的权利要求下，第一构成要素也可被命名为第二构成要素，当然第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。“及/或”之类的术语是指复数个相关的记载项目间的组合或是复数个相关记载项目中的任意一个。

在提及某一构成要素与其它构成要素“连接”或“联接”时，可以是其它构成要素直接连接或联接，但是应该理解为中间也可以存在其它构成要素。相反，在提及某一构成要素在其它构成要素上“直接连接”或“直接联接”时，则应该理解为中间不存在其它构成要素。

本申请中所使用的术语是为了说明特定实施方式的，并不是用于限定本发明的。在单数表现没有明确的其它意思时，也包括复数表现。在本申请中，“包括”或“具有”等术语是用于指定说明书中所记载的特性、数字、步骤、动作、构成要素、零件或其组合的，应理解为一个或一个以上的其它特征或数字、步骤、动作、构成要素、零件或其组合，或是事先不排除其附加可能性。

在不另作定义时，含技术或科学术语的所有术语，具有本技术领域的技术人员通常所理解的意义，一般所使用的事先定义的术语，应理解为其相关技术文句上的含义，本申请中若无明确的定义，则不应该对其进行非正常或过度形式化的理解。

接下来，参考附图，就本发明的优选实施方式进行详细的说明。为了整体上便于理解本发明的内容，附图上相同的构成要素使用相同的附图符号，相同的构成要素不另外重复说明。

以下为了说明本发明的实施方式的气体流速测定装置及气体流速测定方法的技术及动作原理，就本发明的实施方式的气体流速测定装置及气体流速测定方法进行如下理论性的说明。

1.气体种类的扩散速度

气体分子运动能量在自由空间时，与绝对温度T成比例，成立如数学方程式2的关系式。

数学方程式2[方程式2]

E = \frac{1}{2} {mv}^{2} = \frac{3}{2} kT

在数学方程式2中，m是气体分子的质量，v是速度，k是波尔茨曼常数，T是绝对温度。由数学方程式2可知，温度为T时，气体分子运动速度与气体分子质量的平方根成反比。由此可见，气体分子的分子量越大，速度越小，相反气体分子的分子量越小，速度越大。

图2是依据气体分子量对气体流速进行说明的概念图。如图2所示，对依据气体分子的分子量的气体流速进行说明的话，相同体积的两个密封的房间（Room1及Room2）的中间设有通道，所述通道因隔离管而被堵住时，各个房间的压力假设为P1及P2（在此，P1>P2）。压力为P1的房间（Room1）中，在氮和二氧化碳混合的状态下，打开中间的隔离阀时，因压力的差值，二氧化碳和氮被扩散至另一个房间（Room2）。在此，压力为P2的房间（Room2）假设被装满其它种类的气体。

如上所述，打开隔离阀时，就二氧化碳及氮的扩散速度来看，分子量小的氮的移动速度更快。数学方程式3显示了数学方程式2的分子量和移动速度的关系。

数学方程式3[方程式3]

v &Proportional; \frac{1}{\sqrt{m}}

在数学方程式3中，二氧化碳的分子量是44，氮的分子量是28，氮的移动速度和二氧化碳的移动速度相比，约快1.26倍。若在此状态下，使用以往技术的流速计来测定二氧化碳的流速的话，可高测出最多26%。

举例来说，沼气（CH₄）在燃烧后产生的气体，被排放至外部时，沼气的完全燃烧后产生的气体如反应式1所示，是二氧化碳和水蒸汽。

（反应式1）

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

另外，利用外部的空气使沼气燃烧时，排放气体除了反应式1所标记的二氧化碳及水蒸汽以外，还包括未燃烧的氮（在此，不包括氮燃烧后产生的氮化物系列的气体）。那么燃烧沼气后通过烟囱排放时，利用以往流速计测定二氧化碳的流速时，会测出除了二氧化碳的流速以外，氮、氧、水蒸汽及二氧化碳的平均速度，如上所述，二氧化碳的速度要高测出最多26%。

2.气体分子的光学特性

本发明一实施方式的气体流速测定装置及气体流速测定方法中，为了在混合气体中有选择性的对特定气体进行测定，对所述特定气体施加有反应的物理性刺激或加入指示剂，使所述特定气体易于识别及测定流速后，测定所述特定气体的移动速度，对所要测定的特定气体的流速进行有选择性地测定。

接下来，就本发明一实施方式的气体流速测定装置及气体流速测定方法中，对特定气体进行有选择性的测定进行理论性地背景说明。

1）气体的吸光光谱

本发明的一实施方式的气体流速测定装置及方法，为了在混合气体中对特定气体的流速进行有选择性地测定，作为基本原理，利用气体分子的光吸收特性，

图3图示了气体分子的吸光光谱。一般来说，气体分子由两个以上的原子结合而成，两个原子的结合能量状态具有相关的振动能量。这种振动能量是结合状态下固有的，吸收与振动能量共鸣的波长（或频率）的光，能量以高能级状态进行转移或放出光，并转换为低能级状态。这种转移具有能量状态量子化后吸收特定波长（或频率）光的特性。

举例来说，如图3所示，二氧化碳对于4.26μm波长的光就有良好的吸收特性，沼气对约3.4μm、一氧化碳为4.64μm、氨为10.5μm的波长的光相比之下具有很强的吸收特性。气体分子固有物理特性是这种吸光特性的起因。

本发明一实施方式的气体流速测定装置及方法中，利用气体分子的吸光特性，在混合气体中对特定气体的移动速度（即，流速）进行测定。举例来说，为了测定二氧化碳的流速，利用波长为4.26μm的光，比如说使用仅能看到二氧化碳移动的特殊眼镜，才可以测定二氧化碳的移动速度。另外，所要测定的对象气体的流动产生物理性干扰后，所述干扰在维持的状态下，可测定移动的气体速度。

2）比尔-朗伯（Beer-Lambert）定律

波尔-朗伯定律在气体分子吸收特性波长的光时，定义气体浓度和透过光量间的相互关系。自光源放出的光到光检测器的途径被称为光途径，位于光途径上的气体分子吸收光源所放出的一部分光，另一部分透过。

以气体浓度为0是为准，气体浓度越大，到达光检测器的光量就越小。也就是说，气体的浓度和自光检测器所检测的光量相互成反比。这种关系式如下所示，气体分子的浓度为0时，到达光检测器的光量为I₀，与任意的气体浓度X的一部分被吸收，剩下的光量为l，气体浓度发生微小的dX变化，光量和微小变化dl间的关系如数学方程式4所示。

数学方程式4[方程式4]

dI=-αIX

在数学方程式4中，气体分子的吸光率所显示的值与光量无关，可定义为单位浓度的吸光率。数学方程式4中，光量的变化与浓度成反比，使用（-）号，光量的变化与整体光量成正比。由数学方程式4导出数学方程式5。

数学方程式5[方程式5]

I=I₀e^-αX

举例来说，如上所述，二氧化碳吸收波长为4.26μm的光，利用该事实，在烟囱里存在多种气体移动时，对二氧化碳的分布施加物理性干扰刺激，被干扰的二氧化碳在移动的过程中，照射二氧化碳吸收的波长为4.26μm的光，测定光量的变化，在光检测器上检测出的光量因浓度的干扰而成被干扰形态。对上述过程向气体流动方向的两个位置进行测定时，便可求得被干扰的二氧化碳的移动速度。

如上所述，4.26μm波长的光仅被二氧化碳吸收，从而使被干扰的气体的速度成为二氧化碳的速度。利用上述方法，光源放出3.4μm波长的光时，即可测定沼气的移动速度，放出10.5μm波长的光时则可测定氨或乙烯的速度。

在选择特定气体测定时的光源时，光源无需只放出该气体吸收波长的光，举例来说，在光检测器上贴附用于过滤特定气体测定所需波长的光的光过滤器时，光检测器仅可测定该波长的光量，使用仅放出该波长的光源和使用透过该波长的光检测器实际上物理性上是一样的。因此，在本发明一实施方式的气体流速测定装置中，只要是可以照射测定对象特定气体可吸收波长的光的光源装置即可，其种类或结构不受限定。

3.速度（velocity）

1）速度的定义

速度是指运动的对象从任意一个位置向另外的位置移动时，测定移动变位和所需时间，将变位量按时间分的值，是物理量。一般来说，速度被定义为将移动距离按照所需时间进行划分后的值，但是对于一次元运动来说，两个物理量具有相同的概念。在本发明中，为了便于说明，以一次元运动为例说明。因此，本发明的实施方式中，速度和速力为同一概念，但是在本发明中，统一使用“速度”这一概念术语。

速度（v）和加速度（a）的定义分别如数学方程式6及数学方程式7所示。

数学方程式6[方程式6]

v = \frac{dL}{dt}

数学方程式7[方程式7]

a = \frac{dv}{dt}

数学方程式6及数学方程式7中，v是速度，L是变位（距离），t是时间，a是加速度。

2）终端速度（terminal velocity）

粒子因外力运动时，外力持续维持的情况下，粒子的运动速度持续增加。另外与速度成比例，发生阻力时，这种阻力随着速度的增加而变大时，外力和阻力实现平行，粒子做等速度运动，这被称为终端速度。举例来说，雨云里的雨滴因重力自由落下，但是雨滴的速度越快，空气中的阻力越大，重力和阻力实现平行时，雨滴做等速度运动。

上述理论若使用在从烟囱中排放气体上时，因烟囱较低的位置和较高位置间的压力差值，在压力大于重力时，气体分子从烟囱较低的地方移向较高的地方并排出。在上述的气体分子运动中，气体分子因压力作用，其速度持续增加，但是气体分子速度的增加受周围空气等阻力的作用，从而使气体分子按照一定的速度移动并被排出。这种运动方式如数学方程式8所示。也就是说，作用在一个气体分子上的力是与压力和气体分子的速度增加成比例的阻力，两个力彼此反向。作用的气体分子上的力的运动方式如数学方程式8所示。

数学方程式8[方程式8]

m = \frac{dv}{dt} = p - βv

在数学方程式8中，m是气体分子的质量，v是气体分子的速度，p是因压力作用在一个气体分子上的平均力，β是一种阻力系数。气体分子与其他分子冲突时，与移动的平均距离(mean free path length)成反比，与该移动距离上所需要的时间成比例的值，向运动方向的反向作用，因此具有（-）号。

另外，在数学方程式8中所标记的微分方程式，其解如数学方程式9所示。

数学方程式9[方程式9]

v (t) = v_{f} - (v_{f} - v_{0}) e^{- \frac{t}{τ}}

v_{f} = \frac{p}{β}

τ = \frac{m}{β}

在数学方程式9中，v₀是初始速度，v_f是终端速度。数学方程式9用曲线图表示的话，如图4所示。

图4图示了加速运动和阻力导致速度变化的曲线图。如图4所示，若存在与速度成比例的阻力时，初始速度为v₀时，外力（如排放气体的压力）和阻力发生作用，最后实现终端速度v_f。将此使用在气体排放系统上时，初始的气体分子因燃烧，在自然而然的产生气体（v₀<v_f）或是被强烈的排出（v₀>v_f）之间，经过一段时间后，以一定的速度（即，终端速度）通过烟囱被排放。

上述说明不局限于烟囱的初始端至终端。举例来说，在烟囱中间有障碍物，妨碍气体流动时，也就是说气体的速度发生变化时，在经过一定的时间后，还会回到终端速度。

在本发明一实施方式中，考虑到终端速度，依据本发明所公开的方法，测定气体的流速时，施加物理性干扰的情况下，一部分气体的速度会发生变化，但是测定各区间的速度变化时，可通过数学方程式9得到终端速度，计算出作为气体排放速度的终端速度。

4.利用气体分子的吸光，选择性测定气体流速的方法

1）物理性干扰的发生和移动

多种气体混合流动的情况下，在气体流动上产生干扰时，随着移动距离，干扰的强度会变小，气体流动的干扰会移动一定的距离。在本发明实施方式的气体流速测定装置及方法中，如上所述，利用干扰，通过测定干扰的移动速度，侦测到混合气体中特定的气体，对特定气体的流速进行测定。

在本发明的实施方式中，所述干扰的方法如向所要测定的特定气体喷射高浓度的指示气体的方法以及利用斩波器等，在气体流动中产生涡流的方法等等。但是，所述干扰方法仅是本发明技术思想中的一部分实施方式，除上述方法以外，可使用多种多样的方法。

图5是本发明一实施方式的气体流速测定方法中，在测定对象气体中产生干扰的方法的概念图。在图5中图示了喷射与所要测定的特定气体相同且高浓度的指示气体，进行浓度干扰的示例。

如图5所示，在喷射口喷射的指示气体形成局部高浓度，向气体流动方向移动，在此，指示气体的种类与所要测定气体的相同，所述指示气体的浓度要高于所要测定的特定气体的浓度。喷射的高浓度指示气体经过任意的第一个位置L1，向第二个位置L2移动时，虽然指示气体的局部浓度变小，范围也因扩散也变广，但是尽管如此，浓度分布中心的移动速度仍然是指示气体的移动速度。

由此可见，测定第一位置L1到第二位置L2之间的距离，测定指示气体从第一位置L1移动到第二位置L2的移动时间，就可以测定出指示气体的移动速度。同样，指示气体从第二位置L2到第三位置L3的移动速度也能被测定出来，因指示气体的扩散，直至浓度分布消失，指示气体的移动速度均可在各区间测定出来。

指示气体和所要测定的特定气体是相同的气体，因此在测定指示气体的移动速度时，可以在混合多种气体的混合气体中，测定所要测定的特定气体的移动速度。

图6是本发明另一实施方式的气体流速测定方法中，在测定对象气体中产生干扰的方法的概念图。在图6中图示了在所定结构物的内部流动的气体上，利用斩波器等，使其产生涡流，从而使气体的浓度被干扰的示例。

如图6所示，因斩波器而发生的涡流，对流动气体的浓度产生干扰，维持一定时间，向气体流动方向移动。因此，与所述指示气体（如图5）相同，因斩波器形成的涡流的移动速度，通过浓度干扰速度的测定，可在混合气体中，对特定气体的移动速度进行测定。

2）利用物理性干扰的气体移动速度测定方法

图7是本发明一实施方式的气体流速测定方法中，在流动的气体中产生干扰后，测定所干扰气体移动速度方法的概念图。图7中图示了在混合气体中测定二氧化碳的流速方法的示例，在测定过程中，物理性的干扰方法是使用高浓度指示气体。

如图7所示，为了测定被干扰的气体移动速度，利用光源a、光检测器a、光源b及光检测器b。同样，在光源b中所放出的光仅到达光检测器b，不到达光检测器a上。另外，光源a和光检测器a之间的光途径a及光源b和光检测器b之间的光途径b彼此平行。

在图7中，光源a和光源b是可放出所要测定的特定气体所吸收波长的光，光检测器a及光检测器b是利用上述光过滤器等，仅对所述特定气体所吸收的波长的光进行检测。

举例来说，多种气体混存流动时，仅要测定二氧化碳的流速时，光源a及光源b放出二氧化碳可吸收的波长4.26μm的光，或是光检测器a及光检测器b检测波长为4.26μm的光。在光源a及光源b所放出的4.26μm波长的光，在分别到达光检测器a及光检测器b的过程中，一部分被二氧化碳吸收，剩下的部分到达光检测器a及光检测器b。在光检测器a和光检测器b上所检测出的光量，因二氧化碳的浓度而有所不同，这与上述比尔-朗伯定律中提到的内容一样。也就是说，二氧化碳的浓度低时，光检测器a及b中所检测到的光量大，相反二氧化碳的浓度大时，光检测器a及b中所检测到的光量就小。

如图7所示，因指示气体所形成的浓度分布在第一位置L_a及第二位置L_b上，分别以浓度的脉冲形态被光检测器a及光检测器b分别检测出。因此，测定与指示气体浓度相应的脉冲的移动时间和光检测器a及光检测器b之间的间隔距离后，就可以测定二氧化碳的移动速度。

图8是本发明一实施方式的气体流速测定装置的结构图；图9是图8中所示的气体检测部的详细结构图及动作原理的概念图。

如图8所示，本发明的一实施方式的气体流速测定装置包括：气体处理部110；体检测部130a、130b、130c；控制部150；显示部160及通信数据部170。根据制造形态，还可包括气体引导部180及固定部190。

进一步，气体处理部110以控制部150的控制为基础，对流动的气体进行物理性干扰，气体检测部130a、130b、130c以所发生的干扰为基础，检测预测定的特定气体。在此，举例来说，干扰可以是通过加入指示气体或涡流等而发生的。

气体处理部110可由多种形态构成。举例来说，气体处理部110如图5所示，由喷射高浓度指示气体（在此，所述指示气体与预测定的特定气体相同）的气体喷射装置构成。如图6所示，也可为在流动的气体中产生涡流的斩波器等。

气体检测部130a、130b、130c至少由一个构成，各个气体检测部130a、130b、130c包括可放出特定气体所吸收波长光的至少一个光源及检测至少一个光源所放出光相应光量的至少一个的光检测器。

图8所示的本发明的一实施方式的气体流速测定装置中，气体检测部由三个（即130a、130b、130c）构成，但是气体检测部的数量不局限于三个，可根据多种多样的测定环境，多加或是减少其个数。

在图8中，气体检测部130a、130b、130c为三个的理由是，气体处理部110致使干扰发生的情况下，所发生的干扰的初期速度与气体流动的速度不同，干扰在气体引导部180的内部移动，直到达到气体的终端速度，其速度会发生变化，分别测定这些速度，在数学方程式9中对三个参数通过三个方程式计算，方程式的解便是终端速度。

但是，以各个气体检测部130a、130b、130c中所检测的信号为基础，所测定的气体瞬间速度因其他因素而被干涉时，为了得到更精确的终端速度，需要更多的速度值，这种情况下需要设定更多的气体检测部。另外，所发生的干扰在充分维持的状态下，在一定的误差范围内，近似于终端速度时，仅需设置一个气体检测部即可。

各个气体检测部130a、130b、130c以控制部150的控制为基础，在放出特定波长的光后，将与所放出光相应且被检测出的光量的对应电信号（如电压或电流信号）提供给控制部150。

如图9所示，对气体检测部130a、130b、130c的详细结构和动作原理进行进一步的说明。各气体检测部由第一光源131、第一光检测器132、第二光源133及第二光检测器134构成。在这里，第一光源130中所放出的光仅到达第一光检测器132，不到达第二光检测器134。另外，在第二光源133中所放出的光仅到达第二光检测器134，不到达第一光检测器132。

为使在第一光源131和第一光检测器132之间的光的进行方向，即第一光途径135及在第二光源133和第二光检测器134之间的光的进行方向，即第二光途径136，垂直于气体流动的方向，配置有第一光源131、第一光检测器132、第二光源133及第二光检测器134。

第一光源131及第二光源133仅放出预测定流速的特定气体所吸收波长的光或上述特定气体所吸收的光，第一光检测器132及第二光检测器134仅检测预测定流速的特定气体所吸收波长的光或上述特定气体所吸收的光。若第一光源131及第二光源133放出了含有预测定流速的特定气体所吸收波长的光时，第一光检测器132及第二光检测器134仅检测上述特定气体所吸收的波长的光，第一光源131及第二光源133仅放出预测定流速的特定气体所吸收波长的光时，第一光检测器132及第二光检测器134检测出含上述特定气体所吸收波长的其他波长的光也没关系。

自第一光源131所放出的光在到达第一光检测器132的过程中，形成第一光途径135；自第二光源133所放出的光在到达第二光检测器134的过程中形成第二光途径136。第一光途径135及第二光途径136向气体流动的方向，按照一定的距离L_D隔开，第一光途径135及第二光途径136彼此平行，且垂直于气体的流动方向。此时，L_D比各气体检测部的距离L1、L2、L3要小。

气体流动中的干扰经过第一光途径135后，通过第二光途径136，此时所需要的时间为t_D时，干扰通过气体检测部的速度v可通过数学方程式10算出。

数学方程式10[方程式10]

v = \frac{L_{D}}{t_{D}}

在此，v是通过气体检测部所测定的干扰的移动速度，如上所述，干扰在发生以后，直到到达终端速度，具有加速度并做移动，因此L_D如图8所示，比从发生干扰的位置起到各气体检测部的距离L1、L2、L3小时，v被看作为干扰通过气体检测部的瞬间速度。

控制部150控制气体处理部110、气体检测部130a、130b、130c、显示部160及通信数据部170的动作。

尤其是控制部150与由气体检测部130a、130b、130c所提供的电信号相应，算出预测定特定气体的流速后，所算出的流速值提供至显示部160，或是通过通信数据部170将算出的流速值传送至事先定好的装置。

进一步，控制部150以由气体检测部130a、130b、130c所提供的电信号（即，与所检测的光量相应的电压或电流）为基础，计算特定气体终端速度的方法如下。

首先，气体处理部110放在发生干扰的点t=0，发生的干扰自气体处理部110到达位于距离L1的第一气体检测部130a时，第一气体检测部130a在放出预测定的特定气体所吸收波长的光后，检测放出的光，并将与此对应的第一电信号提供给控制部150。

控制部150以第一气体检测部130a所提供的第一电信号为基础，算出干扰的移动速度v1，此时的时间为t=t1。

然后，干扰到达与气体处理部110分别相隔L2及L3距离的位置上的第二气体检测部130b及第三气体检测部130c，第二气体检测部130b及第三气体检测部130c分别利用与第一气体检测部130a相同的方法，在检测光之后，将与之对应的第二点信号及第三电信号提供到控制部150。

控制部150以上述第二点信号及第三电信号为基础，测定干扰的移动速度v2及v3时，此时时间分别为t=t2及t=t3。

在此，气体处理部110所发生的干扰的初期速度可为0，也可不为0。

控制部150如上所述，利用测定的时间及速度t1、v1，t2、v2，t3、v3，在数学方程式9中计算出终端速度。即，数学方程式9导出下列数学方程式11三元连立方程式。

数学方程式11[方程式11]

v 1 = A - {Be}^{- \frac{t 1}{τ}}

v 2 = A - {Be}^{- \frac{t 2}{τ}}

v 3 = A - {Be}^{- \frac{t 3}{τ}}

(在此,A=v_f,B=v_f-v₀)

上述数学方程式11的三元连立方程式包含自然指数，不易于求解。因此，根据数学方程式9可变形为数学方程式12来就时间的移动距离函数进行变更。

数学方程式12[方程式12]

v (t) = v_{f} - (v_{f} - v_{0}) e^{- \frac{t}{τ}} = A - {Be}^{- a}

(在此,

C = \frac{1}{τ}

)

另外，若时间相关的移动距离的函数为L(t)的话，数学方程式13及数学方程式14如下所示。

数学方程式13[方程式13]

L (t) = {&Integral;}_{0}^{t} v (t) dt = {&Integral;}_{0}^{t} (A - {Be}^{- a}) dt = At + \frac{B}{c} e^{- a} - \frac{B}{C}

数学方程式14[方程式14]

Be^-a=CL(t)-ACt+B

另外，上述数学方程式14在数学方程式13中对入整理后，可显示数学方程式15。

数学方程式15[方程式15]

v(t)=(A-B)+ACt-CL(t)

在上述数学方程式15中，t=t1时，L=L1，v=v1；t=t2时，L=L2，v=v2；t=t3时，L=L3，v=v3；以此可导出数学方程式16。

数学方程式16[方程式16]

v1=(A-B)+ACt1-CL1

v2=(A-B)+ACt2-CL2

V3=(A-B)+ACt3-CL3

另外，在上述数学方程式16中，A（即终端速度v_f）通过如下数学方程式17可得出。

数学方程式17[方程式17]

v_{f} = A = \frac{v 1 (L 2 - L 3) + v 2 (L 3 - L 1) + v 3 (L 1 - L 2)}{v 1 (t 2 - t 3) + v 2 (t 3 - t 1) + v 3 (t 1 - t 2)}

如上所述，控制部150以至少一个气体检测部130a、130b、130c所提供的光检测信号（即与所检测光量相应的电信号）为基础，测定特定气体的终端速度。

显示部160以控制部150的控制为基础，显示气体流速测定值。

通信数据部170由无线或是有线的通信数据库构成，以控制部150的控制为基础，传送气体流速的测定值。

气体流速测定装置根据制造形态，还可包括气体引导部180和固定部190。

举例来说，气体流速测定装置被制成易于移动的形态时，如图8所示，可包括气体引导部180，至少一个气体检测部130a、130b、130c向在气体引导部180内部流动的气体放出光，设置在可检测出放出的光的位置上。气体处理部110也可以设置在对在气体引导部180内部流动的气体进行物理性干扰的位置上。其中，气体引导部180的两端呈开放形态，两端气体流动的横截面相同，气体引导部180内部的气体流动压力与气体引导部180外部的气体流动压力相同时，对气体引导部的形态无其它限制。

另外，气体流速测定装置被制成可移动的形态时，气体流速测定装置还包括一个固定部190，以便于将气体引导部180固定在烟囱等需测定气体的位置上。

图10是图示本发明一实施方式的气体流速测定方法的流程图。图示了利用三个气体检测部，对特定气体的流速进行测定的示例。

如图10所示，首先，气体处理部在时间t0上对流动的气体产生干扰（步骤210），其中，上述干扰可为加入指示气体或产生涡流等。

然后，在与气体处理部隔开L1距离位置的第一气体检测部，在时间t1上放出预测定气体所吸收波长的光并对其检测，并将相应的第一电信号提供给控制部，控制部以第一电信号为基础，算出速度v1(步骤220)。

在与气体处理部隔开L2距离位置的第二气体检测部，在时间t2上放出预测定气体所吸收波长的光并对其检测，并将相应的第二电信号提供给控制部，控制部以第二电信号为基础，算出速度v2(步骤230)。

在与气体处理部隔开L3距离位置的第三气体检测部，在时间t3上放出预测定气体所吸收波长的光并对其检测，并将相应的第三电信号提供给控制部，控制部以第三电信号为基础，算出速度v3(步骤240)。

然后，控制部在步骤220至240中，利用所算出的时间及速度t1、v1，t2、v2，t3、v3，在数学方程式9中算出预测定的特定气体的终端速度（步骤250）。

在图10中图示了以三个速度检测部所提供的信号为基础，计算特定气体速度的示例，图8所记载的气体检测部的个数不局限于三个，根据多种测定环境，可多加或减少其个数。因此，在图10所图示的步骤204，其是否进行也取决于气体检测部个数。举例来说，气体处理部所发生的干扰在充分维持的状态下，在一定的误差范围内，近似于终端速度时，仅需设置一个气体检测部即可。由此以来，图10的步骤230至250不需要进行。

接下来，举例详细说明利用如上所述的本发明的实施方式的气体流速测定装置及气体流速测定方法，对混合气体中的二氧化碳进行测定的过程。

二氧化碳(CO₂)是因含有碳素的燃料在燃烧后产生的。举例来说，利用大气(O₂+N₂)，燃烧沼气(CH₄)时，上述反应式1成立。

在燃烧沼气后，通过烟囱排放的气体是二氧化碳、水蒸汽及未参与燃烧的氮。若沼气不完全燃烧时，二氧化碳以外还会产生一氧化碳，燃烧温度非常高时，氮也被参与燃烧，排放出氧化氮(NOx)。另外，也排放出不参与燃烧的残留的氧气。

一般来说，燃烧沼气时，所排放的气体是二氧化碳、水蒸汽、氮、氧、一氧化碳及氧化氮，各气体通过烟囱排放出来。其中，通过烟囱排放的各气体的速度根据气体的种类而有所不同。这起因于上述的各气体的分子量。

二氧化碳具有强烈吸收4.26μm红外线的特性。因此，气体检测部的光源和光检测器放出4.26μm波长的红外线，检测所放出的光，可测定二氧化碳的移动速度。另外，在整体气体中测定二氧化碳的速度，计算二氧化碳的排放量。

以上实施方式仅为详细说明本发明，本技术领域的技术人员，在本发明的技术思想及原则内所作的任何替换、变更、变形、修改等均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种气体流速测定装置，其特征在于，所述气体流速装置包括：在至少含有一种气体的混合气体中，放出预测定流速的特定气体可吸收的波长的光，并检测所述放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的至少一个的气体检测部；及以所述气体检测部所提供的检测信息为基础，算出所述预测定的特定气体的流速的控制部。

2.根据权利要求1所述的气体流速测定装置，其特征在于，还包括为了测定所述预测定的特定气体的流速，对所述混合气体的流动产生干扰的气体处理部。

3.根据权利要求2所述的气体流速测定装置，其特征在于，所述气体处理部所喷射的指示气体与所述混合气体中的所述预测定的特定气体相同，浓度高于所述特定气体的浓度。

4.根据权利要求2所述的气体流速测定装置，其特征在于，所述气体处理部在所述混合气体中产生涡流。

5.根据权利要求1所述的气体流速测定装置，其特征在于，所述至少一个的气体检测部分别包括：放出所述特定气体所吸收波长的光的第一光源；检测所述第一光源所放出的光，提供与检测出的光量相应的第一检测信号的第一光检测器；与所述混合气体移动的方向相同，与所述第一光源按照所定距离隔开设置，放出所述特定气体所吸收波长的光的第二光源；及检测所述第二光源所放出的光，提供与检测出的光量相应的第二检测信号的第二光检测器；

在所述第一光源与所述第一光检测器之间的光进行方向的第一光路与在所述第二光源与所述第二光检测器之间的光进行方向的第二光路互相平行，所述第一光路及所述第二光路垂直于所述混合气体的流动方向。

6.根据权利要求5所述的气体流速测定装置，其特征在于，所述控制部以所提供的所述第一检测信号及所述第二检测信号为基础，算出所述预测定的特定气体的速度。

7.根据权利要求1所述的气体流速测定装置，其特征在于，所述至少一个的气体检测部包括：从事先设定的基本位置移到第一位置（L1），在第一时间（t1）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的第一气体检测部；

从事先设定的基本位置移到第二位置（L2），在第二时间（t2）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的第二气体检测部；

从事先设定的基本位置移到第三位置（L3），在第三时间（t3）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的第三气体检测部。

8.根据权利要求7所述的气体流速测定装置，其特征在于，所述控制部以所述第一气体检测部、所述第二气体检测部、所述第三气体检测部分别提供的检测信号为基础，计算出第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3），以所述第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3）为基础，测定所述特定气体的终端速度。

9.一种气体流速测定方法，其特征在于，所述气体流速测定方法包括：在含至少一种气体的混合气体的流动中，产生干扰的步骤；在被干扰流动的混合气体中，放出预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，检测所述放出的光，提供与所检测出的光量相应的检测信号的步骤；及以所述提供的所述检测信号为基础，对所述预测定的特定气体的流速进行计算的步骤。

10.根据权利要求9所述的气体流速测定方法，其特征在于，在所述在含至少一种气体的混合气体的流动中产生干扰的步骤中，为了测定所述预测定的特定气体的流速，所喷射的指示气体与所述特定气体相同，其浓度高于所述特定气体的浓度。

11.根据权利要求9所述的气体流速测定方法，其特征在于，在所述在含至少一种气体的混合气体的流动中产生干扰的步骤中，在所述混合气体中产生涡流。

12.根据权利要求9所述的气体流速测定方法，其特征在于，所述在被干扰流动的混合气体中，放出预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，检测所述放出的光，提供与所检测出的光量相应的检测信号的步骤包括：自第一光源放出所述特定气体吸收波长的光的步骤；

检测自所述第一光源放出的光，提供与检测出的光量相应的第一检测信号的步骤；自第二光源放出所述特定气体吸收波长的光的步骤；及

检测自所述第二光源放出的光，提供与检测出的光量相应的第二检测信号的步骤。

13.根据权利要求12所述的气体流速测定方法，其特征在于，在所述以所述提供的所述检测信号为基础，对所述预测定的特定气体的流速进行计算的步骤中，以所述第一检测信号及所述第二检测信号为基础，计算所述预测定的特定气体的流速。

14.根据权利要求9所述的气体流速测定方法，其特征在于，所述在被干扰流动的混合气体中，放出预测定流速的特定气体所吸收的波长的光，检测所述放出的光，提供与所检测出的光量相应的检测信号的步骤包括：在与发生干扰的位置隔开第一距离的位置上，在第一时间（t1）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的步骤；

在与发生干扰的位置隔开第二距离的位置上，在第二时间（t2）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的步骤；及

在与发生干扰的位置隔开第三距离的位置上，在第三时间（t3）放出所述特定气体所吸收波长的光，检测所放出的光，提供与检测出的光量相应的检测信号的步骤。

15.根据权利要求14所述的气体流速测定方法，其特征在于，所述以所述提供的所述检测信号为基础，对所述预测定的特定气体的流速进行计算的步骤包括：分别以所述第一时间（t1）、所述第二时间（t2）、所述第三时间（t3）所提供的检测信号为基础，计算出第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3）的步骤；及

以所述第一速度（v1）、第二速度（v2）、第三速度（v3）和所述第一距离、第二距离、第三距离为基础，计算所述预测定的特定气体的终端速度的步骤。