CN1230670C - 利用红外气体分析仪检测泄漏的方法和用于实现该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用红外气体分析仪(1)确定在测量点处可能存在的试验气体的方法，具有样品容器(2)、IR光源(3)、IR探测器(4)以及两个用于将气体引至红外气体分析仪的气体导管(15，17)，其中的一个导管用于在测量点处采集可能含有试验气体的被测气体，其中的第二个导管(17)用于采集来自测量点的外界环境中的气体(参考气体)，它可能含有试验气体背景，这在确定测量点处采集的试验气体时应予以考虑；为了提高分析仪的灵敏度，建议只设置一个样品容器(2)，这样将测量点处采集的被测气体和参考气体输入红外气体分析仪的样品容器，使得所述气体在样品容器中交替地存在。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用红外气体分析仪检测泄漏的方法，还涉及用于实现该方法的装置。
背景技术
这种类型的方法和装置已由DE-A-19911260已知。它们特别适用于探测泄漏(Schniiffellecksuche)的应用。在进行泄漏探测时，含有有效气体的化验物通过采集试验气体的探针被采样。如果存在缝隙，则有效气体向外渗漏。泄漏的气体通过探针传导给气体探测器。如果有效气体不是红外激活的，则将一种红外激活的试验气体引入化验物中的有效气体中。在这种情况下，通过可能存在的缝隙而泄漏的被测气体是有效气体与试验气体的混合物。如果有效气体本身已经是红外激活的(例如卤素气体)，那它就是试验气体(或被测气体)本身。
当探测泄漏时会出现这样的问题：由探针所抽取的不仅是从可能存在的缝隙中(测量点处)泄漏出去的试验气体，还有来自测量点外界环境中的气体。如果例如来自先前所确定的缝隙或来自生产线的填料站的试验气体的浓度含量已经很低，这同样由气体探测器来确定。在很高的试验气体背景下，这可能会造成错误测量，即浓度很高的化验物被错误地识别。
为了避免这种缺点，在DE-A-19911260中建议，借助于两个样品容器(Küvetten)，即一个测量样品容器和一个参考样品容器，将在测量点处取得的气体的试验气体浓度与参考气体(在测量点外界环境中取得的气体)的试验气体浓度进行比较，这样可以考虑到干扰影响。采用两个分开的、带有一个或两个精确调制IR光源的样品容器不仅在技术上开销很大，还具有一些缺点。缺点之一在于，样品容器不能对称地改变其特性。它们可能会被不均匀地污染；当采用两个IR光源时，这两个光源可能会不同。在现有技术中尽管进行了建议，但也可能只采用一个IR光源。这使得光线分配不足。这种光线分配已经在现有技术中公开的光线组合(为了只采用一个IR探测器)造成了相当高的损耗(约为50％)，从而特别损害了气体分析仪的灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于，对这里所提到类型的方法和装置加以简化，特别是改善其灵敏度。
根据本发明，这一任务这样来解决：
利用红外气体分析仪检测泄漏的方法，在检测泄漏时，为了确定泄漏，利用一个采集被测气体的探针对含有红外敏感的试验气体的样品进行采样，借助于两个气体导管将气体从样品引至红外气体分析仪，其中的一个导管用于在实际泄漏的区域内采集被测气体，而另一个导管用于从实际存在泄漏的周围环境中采集参考气体，所述参考气体可能含有对红外敏感的气体背景，所述红外气体分析仪包括容纳要检测的气体的样品容器，设置在所述样品容器一端的IR光源，以及设置在所述样品容器另一端的IR探测器，IR探测器的信号用于确定在实际泄漏的区域内采集的试验气体，其中，仅提供了一个样品容器，在实际泄漏的区域内采集到的气体和红外分析仪的样品容器中的参考气体以下列方式导入：即这两种气体在样品容器中交替存在，当探针采集到含有试验气体的被测气体、并且被测气体中试验气体的浓度高于参考气体中的试验气体浓度的情况下，由IR探测器发出交变信号，用于确定提高了的试验气体浓度。或者仅提供了一个样品容器，在实际泄漏的区域内采集到的被测气体和红外分析仪的样品容器中的参考气体以下列方式导入：即被测气体持续地流过样品容器，而参考气体有时附带地流过样品容器，当探针采集到含有试验气体的被测气体、并且被测气体中试验气体的浓度高于参考气体中的试验气体浓度的情况下，由IR探测器发出交变信号，用于确定提高了的试验气体浓度。
上述任务还这样来解决：用于实现上述方法的装置，其中气体导管配备有控制阀和控制单元，所述气体导管以下列方式导入测量点处采集的被测气体和红外气体分析仪的样品容器中的参考气体：即交替地将用于引导被测气体的导管和用于引导参考气体的导管连接到样品容器。
作为替代，一个控制阀位于引导参考气体的导管中，这个控制阀与一个控制单元相连，所述控制单元使所述控制阀周期性地打开和关闭。
在本发明所述的方法和装置中，只需要一个样品容器。整个照射过程(灯-样品容器-探测器)的污染和改变在被测气体循环期间和参考气体循环期间同等地起作用。单一的IR光源不必一定要进行调制，这种调制通过气体交换来实现。首先，不用像现有技术中那样必须进行调制，特别是精确调制，即可以采用更慢和更亮的光源，这对分析仪的灵敏度有着特别的优点。照射分配和照射组合也被省去了。单一的样品容器有时装有包含可能的试验气体的被测气体，有时装有参考气体(或者附加地装有参考气体)。当被测气体中，即测量点处的试验气体浓度比参考气体中的试验气体浓度高时，IR探测器检测到改变信号，它是用于浓度差的一个尺度。其中它不起任何作用，或者事实上试验气体背景已经存在或者还没存在。随之得到了这样的优点：在本发明情况下的零线(被测气体＝参考气体)比现有技术中稳定得多，因为在被测气体与参考气体相等的情况下气体交换不会产生调制分量。与此相反，在现有技术中，必须对两个相当大的调制信号进行比较，这一般会引起并非可忽略不计的干扰分量。
在本发明的范围内，具有优点的是提供了监控本发明所述的IR气体分析仪的工作性能的措施，以避免由污染或误差所引起的错误测量。由于污染不仅气体的传导受到了干扰，而且气体分析仪自身的灵敏度也随着污染的增加而下降。
为了避免受到干扰的气体流量，建议使用气体导管中的压力作为气流监控的测量值。根据本发明，对气体分析仪自身功能的监控以这样的方法来实现：使IR光源以一个参考频率来进行调制，它的信号施加到IR探测器上，并被监控(最好通过适当的闭环(lock-in)分析)。
然后特别有利的是，使用一个气灯(Gaslampe)作为IR光源，它至少部分地包含试验气体。与白炽灯相反，气灯通常具有这样的优点：气灯更亮(更充分地利用光功率)，并且能够更快地开关-调制。由于IR探测器的信噪比有限，因此分析仪得到的结果随着光源的亮度而改变。
可以采用闪光灯、气体放电灯、辉光灯或类似的灯作为气灯。由于它们通过应该被检测的气体来工作，因此省去了滤波器。此外还可以使用大范围的吸收光谱，因为所产生的光谱与被测气体的光谱尽可能地相一致。光功率中很大的一部分得到了利用，由此显著提高了IR探测器的气体选择性。可以通过简单的方法转换为另一种气体：在气灯中采用所述的另一种气体。
附图说明
本发明其他的优点和特征将通过图1至图6所示的实施例更详细地说明。
图1至图4表示了具有不同的用于将被测气体和参考气体引入单一的样品容器中的装置的红外气体分析仪。其中：
-图1所示的实施例中采用了一个阀门系统，
-图2所示的实施例中表示了带有一个线性移动活塞的中间容器(Zwischenvolumen)，
-图3所示的实施例中表示了带有一个旋转摆动活塞的中间容器，
-图4所示的实施例中具有一个节流阀(被测气体)和一个阀门(参考气体)。
图5表示了带有一个探测气流监控电路的实施例。
图6中表示了一个实施例，装配有用于检验其工作性能的装置。
具体实施方式
在所有的附图中，红外气体分析仪以1来表示，它的样品容器以2来表示，设置在前端的IR光源以3来表示，设置在相对一端的红外探测器以4来表示，与之相连接的电子元件(放大器/滤波器)以5来表示，进一步连接在其上的、进行信号处理的电子元件(闭环放大器)以6来表示，指示器以7来表示。闭环处理通常以软件方式在一个微控制器中进行；只是为了更好地说明，才将其用一个独立的模块6来表示。样品容器2装有分别在端部设置的端点8和9，通过它们，被测气体和参考气体以下面所述的方法被引入或引出。样品容器2的端部分别以虚线来表示。由此可以形成这样的印象：在样品容器气密的外壁(Wandungen)上，在其端部的区域内可以允许红外线通过。可以使用如DE-A-19911260中所述的装置作为红外光源和红外探测器。
在所有这些实施例中，本申请的发明主题是用于查找泄漏。附图标记11表示要检查缝隙的化验物，它具有缝隙12。在这种情况下缝隙的位置就是测量点。探针13用于采集被测气体，被测气体中由于存在缝隙12而含有试验气体。通过连接在探针上的导管15，所采集的被测气体流量到样品容器2中。软管导管17的开孔16用于从探针的周围环境中采集气体(参考气体)。该气体可能含有试验气体背景，试验气体背景应该在确定由缝隙12流出的气体的浓度时加以考虑。
在图1所示的实施例中，控制阀21用于交替地引入被测气体和参考气体。这样来设计，使得导管15或者导管17与样品容器2的输入端点8相连接。气体分别在轴向方向上流经样品容器，并流过输出端点9，该端点与一个输送泵或真空泵相连接。分别根据吸入能力来确定要检验的气体在样品容器中的流速。
最好周期地实现气体更替。为此将控制阀21的控制单元23通过导线24与闭环放大器6相连接。采用已知的闭环放大器具有这样的优点：有效信号在频率上和相位上有选择性地被滤波。由此非常有效地降低了干扰信号。如果IR光源3与气体更替同步地进行调制，它也与闭环放大器6相连接。这种改进通过虚线24来表示。包括控制在内的闭环处理也可以由微处理器系统通过适当的软件来进行。
在如图2所示的实施方式中，最好如图所示在样品容器2和导管15、17之间有一个圆柱形的中间容器25，在它里面有一个与曲轴驱动装置(Kurbelantrieb)26相连接的活塞27。导管15和17分别通向中间容器25相对的两个端部区域。在所述的区域中，中间容器还通过输入端点8和10连接到样品容器2。活塞27在中间容器中形成了两个分开的气室28、29。气室28用于采集和释放被测气体，气室29用于采集和释放参考气体。活塞25的来回运动交替地将被测气体和参考气体引入样品容器2。所引入的气体有利地通过大约设置在样品容器2中部的输出端30离开样品容器，该输出端与泵22(图1)相连接。与图1所示的实施例相比，在样品容器2中发生的气体交换更快、更充分。
在如图3所示的实施例中也提供了一个带有气室28、29的中间容器25。所述的气室由横截面为圆形的外壳31、横截面为半圆形的旋转摆动活塞32和径向隔离壁33所构成。气室28、29通过导管35、36与样品容器2的端点8、9相连接。导管15、17与导管35、36相通，使得活塞32通过驱动装置37发生摆动运动，将被测气体和参考气体交替地填充到样品容器2中。上述气体通过中部的端点30离开样品容器2。
在如图1、2和3所示的实施例中，在样品容器2中发生的周期性气体更替的周期由闭环放大器6确定。所述的闭环放大器通过导线24分别与控制阀21、曲轴驱动装置26或者摆动活塞32的驱动装置37相连接。有利的是周期时间为每周期1秒至1/6秒。
在如图1至3所示的实施例中，样品容器2在第一个时间周期内由被测气体来填充，而在第二个时间周期内由参考气体来填充。与此相反，在如图4所示的实施例中，样品容器2的被测气体通过导管15被连续地引入，参考气体仅仅被周期性地引入，并且通过设置在导管17内的阀门41由它的控制单元43来控制。这个阀门的打开和关闭时间同样也通过闭环放大器6所预先给定的周期来确定。在测量工作期间，参考气体和被测气体，或者只有参考气体，交替地流经样品容器2。如果被测气体含有从缝隙泄漏出的试验气体，那么探测器4将发出所希望的交变信号。
由于泄漏流率灵敏度与被测气体或试验气体流量有关(在很小的被测气体流量下有很高的灵敏度)，有利的是，在导管15上配备一个节流阀42，它这样来进行限流：使被测气体流量恰好在半个周期内将被测气体充满样品容器。与此相反，参考气体流量可以很高，因为实际中需要提供足够多的参考气体。
此外，在所有的实施例中存在这种可能性：所选择的参考气体的测量周期比被测气体的测量周期短。由此可以缩短空闲时间，实现更快和/或灵敏度更高的测量。
正如已经提到的，IR光源不必由闭环放大器的周期来进行调制，因为气体更替已经产生了所希望的调制。但是也可以使IR光源3附带地与气体更替同步地进行调制，以得到边缘更陡峭的测量信号。在没有调制的情况下，测量信号的边缘通过气体更替的快慢来确定。
图5借助于如图1所示的实施例表示了在工作期间如何能够以很高灵敏度检验/监控泄漏流量。这利用差分压力传感器45来实现，它在控制阀21的高度处与导管15、17相连接。测得的差分压力信号通过放大器46引入到分析逻辑元件47。当人们将所述的差分压力信号以相选方式估算为转换频率时，人们就得到了关于泄漏的信息，或者得知这一个或另一个泄漏导管或这两个泄漏导管的流量发生了改变。还得知了泵导管的堵塞或泵的故障。
另一种可能的差分压力监控可以借助于流量传感器来实现。但是它比上述的方法成本更高。
图6同样借助于如图1所示的实施例表示了如何能够以很高的灵敏度检验/监控气体分析仪1的功能。在一种解决方案中，可以将传感器处的信号通过一个基频fg(它由闭环放大器6所产生)来进行调制，其中以频选灵敏度检测到泄漏流率。
在如图6所示的解决方案中，设置了第二个闭环放大器51，它产生频率为fr的参考脉冲。闭环放大器6和51的输入端通过导线52相互连接。在闭环放大器51的输出端连接有一个分析单元53，它将信息进一步传递给指示器7。通过导线54，闭环放大器51与放大器55相连接，并通过它连接到IR光源3。
在如图6所示的实施例中，对气体分析仪1的监控以下列方法来实现：将红外线灯3以一个频率不同的(附加)信号来进行调制。为了避免对有效信号fg的干扰，所提供的频率例如为fr＝2.5fg。调制幅度必须选择得这样大：人们可以在频选方式的灵敏度下对该信号进行很好的评估分析。然后人们得到了频率为fg的测量信号和频率为fr的参考信号，它们可以相互独立地进行分析。如果现有由于误差而降低了系统灵敏度(也可能是没有测量到泄漏)，人们可以由频率为fr的信号分量的幅度下降得知。人们由此可以确定错误警报的限度。
分析工作在模块53中完成。当灵敏度下降时，它还可以用于匹配校准因数，并由此提高测量精度。
在附图和说明书中分别表示了独立的模块，它们是所采用的电路的组成部分。有利的是采用集成系统。例如，为了实现闭环处理、测量信号和控制信号的控制和处理，可以采用带有相关软件的微型计算机或微处理器系统。
Claims (31)
1、利用红外气体分析仪(1)检测泄漏的方法，
-在检测泄漏时，为了确定泄漏，利用一个采集被测气体的探针(13)对含有红外敏感的试验气体的样品进行采样，
-借助于两个气体导管(15，17)将气体从样品引至红外气体分析仪，其中的一个导管(15)用于在实际泄漏的区域内采集被测气体，而另一个导管(17)用于从实际存在泄漏的周围环境中采集参考气体，所述参考气体可能含有对红外敏感的气体背景，
-所述红外气体分析仪(1)包括容纳要检测的气体的样品容器(2)，设置在所述样品容器一端的IR光源(3)，以及设置在所述样品容器另一端的IR探测器(4)，IR探测器的信号用于确定在实际泄漏的区域内采集的试验气体，
其特征在于，
-仅提供了一个样品容器(2)，在实际泄漏的区域内采集到的气体和红外分析仪的样品容器中的参考气体以下列方式导入：即这两种气体在样品容器中交替存在，当探针(13)采集到含有试验气体的被测气体、并且被测气体中试验气体的浓度高于参考气体中的试验气体浓度的情况下，由IR探测器发出交变信号，用于确定提高了的试验气体浓度。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用了控制阀(21)，它交替地将导管(15)和导管(17)连接到样品容器的端点(8)。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用了带有活塞(27，32)的中间容器，它位于样品容器(2)和导管(15，17)之间，用于交替地将参考气体和被测气体引入样品容器(2)。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了进行信号分析使用了闭环技术。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，IR光源(3)还与气体更替同步地进行调制。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所选择的引入被测气体的周期比引入参考气体的周期时间长。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，对气体分析仪的工作性能连续地进行监控。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，除了以基频(fg)进行气体更替之外，还至少有时对IR光源(3)以参考频率(fr)进行调制。
9、如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，对引入的气体流量连续地进行监控。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，测量引入导管(15，17)内的压力，并将压力差作为测量值。
11、利用红外气体分析仪(1)检测泄漏的方法，
-在检测泄漏时，为了确定泄漏，利用一个采集被测气体的探针(13)对含有红外敏感的试验气体的样品进行采样，
-借助于两个气体导管(15，17)将气体从样品引至红外气体分析仪，其中的一个导管(15)用于在实际泄漏的区域内采集被测气体，而另一个导管(17)用于从实际存在泄漏的周围环境中采集参考气体，所述参考气体可能含有对红外敏感的气体背景，
-所述红外气体分析仪(1)包括容纳要检测的气体的样品容器(2)，设置在所述样品容器一端的IR光源(3)，以及设置在所述样品容器另一端的IR探测器(4)，IR探测器的信号用于确定在实际泄漏的区域内采集的试验气体，
其特征在于，
-仅提供了一个样品容器(2)，在实际泄漏的区域内采集到的被测气体和红外分析仪的样品容器中的参考气体以下列方式导入：即被测气体持续地流过样品容器(2)，而参考气体有时附带地流过样品容器(2)，当探针(13)采集到含有试验气体的被测气体、并且被测气体中试验气体的浓度高于参考气体中的试验气体浓度的情况下，由IR探测器发出交变信号，用于确定提高了的试验气体浓度。
12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，为了进行信号分析使用了闭环技术。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，IR光源(3)还与气体更替同步地进行调制。
14、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所选择的引入被测气体的周期比引入参考气体的周期时间长。
15、如权利要求11所述的方法，其特征在于，对气体分析仪的工作性能连续地进行监控。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，除了以基频(fg)进行气体更替之外，还至少有时对IR光源(3)以参考频率(fr)进行调制。
17、如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，对引入的气体流量连续地进行监控。
18、如权利要求17所述的方法，其特征在于，测量引入导管(15，17)内的压力，并将压力差作为测量值。
19、用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，气体导管(15，17)配备有控制阀(21)和控制单元(23)，所述气体导管以下列方式导入测量点处采集的被测气体和红外气体分析仪的样品容器中的参考气体：即交替地将用于引导被测气体的导管(15)和用于引导参考气体的导管(17)连接到样品容器。
20、如权利要求19所述的装置，其特征在于，样品容器设置有输出端(9，30)，一个传送泵/真空泵(22)连接到输出端上。
21、用于实现权利要求11所述方法的装置，其特征在于，一个控制阀(41)位于引导参考气体的导管(17)中，这个控制阀与一个控制单元(43)相连，所述控制单元使所述控制阀(41)周期性地打开和关闭。
22、如权利要求21所述的装置，其特征在于，在用于引入被测气体的导管(15)中设置了一个节流阀(42)。
23、如权利要求21所述的装置，其特征在于，构成电子元件的是一个闭环放大器(6)，这个闭环放大器(6)的提供节拍周期的导线(24)与控制阀(41)的控制单元(43)相连接。
24、如权利要求23所述的装置，其特征在于，还设置了另一个闭环放大器(51)，这个闭环放大器(51)的预先给定了对应于参考频率的节拍周期的导线(54)与IR光源相连接。
25、如权利要求24所述的装置，其特征在于，参考频率(fr)比基频(fg)大。
26、如权利要求25所述的装置，其特征在于，参考频率(fr)是基频(fg)的2.5倍。
27、如权利要求25所述的装置，其特征在于，第二个闭环放大器与一个分析单元(53)相连接，该分析单元用于识别系统误差。
28、如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述的分析单元还用于匹配校准因数。
29、如权利要求21所述的装置，其特征在于，一个差分压力传感器(45)连接到导管(15，17)上，所述压力传感器的输出端连接有一个分析逻辑单元(47)。
30、如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述的分析逻辑单元包含一个自身的闭环放大器。
31、如权利要求21至30中任一项所述的装置，其特征在于，为了进行闭环处理、对测量信号和控制信号进行控制和处理，使用带有相关软件的微型计算机电路或微处理器电路。
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