DK167987B1 - Fremgangsmaade og apparat til at bestemme parametre for gasformige stoffer - Google Patents

Description

i DK 167987 B1

FREMGANGSMÅDE OG APPARAT TIL AT BESTEMME PARAMETRE FOR GAS-FORMIGE STOFFER

5 Nærværende opfindelse vedrører en fremgangsmåde til at bestemme parametre, især tryk, temperatur, koncentration, antal partikler og partikelstørrelsesfordeling i gasformige stoffer, der er tilstede i forbrændingsprocesser og andre højtemperaturprocesser, ved hvilken fremgangsmåde lys, der 10 transmitteres gennem gasserne, spektralopdeles og den spektrale fordeling af lyset i det betragtede bølgelængdeområde registreres sekventielt ved, at det spektralopdelte lys fejes i forhold til en en-kanal detektor.

15 Opfindelsen angår også et apparat til brug ved udøvelse af fremgangsmåden, idet apparatet er til at bestemme parametre, især tryk, temperatur, koncentration, antal partikler og partikelstørrelsesfordeling i gasformige stoffer, som er tilstede ved forbrændingsprocesser eller andre højtempera-20 turprocesser, og omfatter et organ til spektralopdeling af lys, der transmitteres gennem gasserne, organer til se-• kventiel registrering af den spektrale fordeling af lyset i det betragtede bølgelængdeområde, hvilke organer omfatter en en-kanal detektor, hvis udgangssignal er proportional 25 med intensiteten af det modtagne lys, og organer til at feje det spektralopdelte lys i forhold til den nævnte en-kanal detektor.

Stigninger i råvarepriser og de stigende krav om effektive 30 forholdsregler mod forurening har forøget interessen for for eksempel styring af forbrænding. En amerikansk undersøgelse fra midten af 1970'erne viser for eksempel, at hvis effektiviteten af forbrændingsprocesser kunne forøges med 1%, ville dette betyde en besparelse på 15 millioner tønder 35 olie pr. år i USA alene. Forbrændingen i kulfyrede kraftværker er et andet eksempel på en forbrændingsproces, hvor DK 167987 B1 2 en effektiv styring kunne spare store pengesummer. Hvis temperaturen i et kulfyret kraftværk bliver for høj, aflejres der slaggeprodukter, som i værste fald kan nødvendiggøre lukning af hele værket med henblik på rensning. Endvide-5 re kan udsendelse af stoffer, der er skadelige for miljøet, formindskes, hvis nogle forbrændingsprocesser kunne styres mere effektivt, for eksempel forbrændingen af affald. Hvis forbrændingstemperaturen bliver for høj (over 1600° C) frembringes der store mængder NO, som er et af de stoffer, 10 der antages at bidrage til den såkaldte skovdød. Hvis temperaturen på den anden side er for lav, dannes der dioxin, som er en frygtet miljøgift.

Passende kontrolforanstaltninger til at holde temperaturen 15 . på en mellemværdi kan minimere udsendelser af disse to far lige stoffer.

For på en nem måde at være i stand til at styre de ovennævnte og andre processer, kræves der imidlertid transduce-20 re, med hvilke styreparametrene, såsom temperaturen, kon- centrationen af bestemte stoffer etc., kan bestemmes.

Uheldigvis har det tekniske fremskridt på dette område ikke holdt trit med stigningen i råmaterialepriser og med mil-25 jøspørgsmålene. En af grundene er naturligvis de høje temperaturer, som gør brugen af sædvanlige transducere og må-• leinstrumenter umulige. En anden grund er, at måleomgivelserne i for eksempel et kulfyret kraftværk stiller store krav til måleudstyret, som skal være upåvirkeligt over for 30 snavs og vibrationer. En tredie grund er målemiljøets turbulente karakter, det vil sige at målebetingelserne er genstand for store variationer med tiden, hvilket gør det vanskeligt at konstruere et måleudstyr, der er i stand til at arbejde med stor nøjagtighed og pålidelighed, og indtil 35 for få år siden fandtes der kun upålidelige metoder til at bestemme temperatur, koncentration og andre parametre. For M· > ..

DK 167987 B1 3 eksempel blev temperaturen målt ved hjælp af termoelementer, som forstyrrede processerne og derfor ikke gav pålidelige resultater. Endvidere blev koncentration af stoffer, der var til stede under forbrændingen, registreret ved at 5 suge gas ud fra forbrændings zonen og indføre det i for eksempel et massespektrometer. Disse koncentrationsmålinger var også upålidelige, fordi udsugning af prøven forstyrrede processerne, den udsugede gasprøve blev afkølet i masse-spektrometeret, og der var risiko for, at stoffene kunne 10 reagere med hinanden i massespektrometeret, så de målte stoffer var forskellige fra dem, der var tilstede under processen.

Når man på andre tekniske områder vil forhindre målinger i 15 at forstyrre processen, anvender man ofte optisk måleteknik. En gruppe af optiske målemetoder er baseret på princippet, at man ved hjælp af lys fremkalder en sekundær effekt, for eksempel fluorescens, som giver informationer om den ønskede parameter, og hvis intensitet måles. Eksempler 20 på sådanne teknikker er Raman spektroskopi, laser-induceret fluorescens o.s.v. Imidlertid er disse måleteknikker ikke lette at anvende ved store forbrændingsanlæg, fordi den sekundære effekt drukner i lyset fra flammen.

25 Den eneste realistiske mulighed for at anvende optisk måleteknik i forbrændingsanlæg er at udføre absorptionsmålinger, det vil sige at måle hvor meget lys, der absorberes af flammen. Også denne måleteknik er vanskelig, fordi parti-keltætheden i disse omgivelser er meget høj og lystransmis-30 . sionen derfor meget lav. I en normal kedel i et forbræn dingsanlæg er transmissionen mindre en 1%, af hvilken grund der kræves en meget stærk lyskilde for at få et brugbart målesignal.

35 Fornylig er der udviklet en optisk måleteknik, med hvilken . en berøringsfri måling af koncentration og temperatur ved DK 167987 B1 4 forbrændingsprocesser kan gennemføres. Denne måleteknik, som kaldes CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering), er offentliggjort i "Ildteknik med aktuel elektronik", 1985:4 side 76-80. Ved CARS målinger gøres der brug af to lasere, 5 af hvilke den ene kan indstilles, og den anden har en fast frekvens. Strålerne fra disse to lasere fokuseres og justeres, så de skærer hinanden under en bestemt vinkel. Området, på hvilket de to laserstråler skal fokuseres, har et areal på nogle pm2. Hvis fokuseringen ikke lykkes, virker 10 måleteknikken ikke. Endvidere skal frekvensdifferencen mel lem de to laserstråler svare nøjagtigt til differencen mellem to interne energiniveauer i det molekyle, man ønsker at undersøge. Som det umiddelbart fremgår af denne korte beskrivelse, er den her omtalte måleindretning teknisk meget 15 kompliceret, og kan kun installeres og bruges af specielt uddannede teknikere. Naturligvis er en sådan indretning meget kostbar; tidskriftet nævner et beløb på 2 millioner svenske kroner for hvert system, og eftersom det er lasere med høj effekt, kan det ikke ventes, at denne sum bliver 20 meget lavere.

Uheldigvis har laserteknikken andre mangler. For det første kan det vise sig vanskeligt at frembringe et tilstrækkeligt stærkt målesignal, hvis der udføres måling på processer, 25 der har et højt partikelindhold, fordi også CARS teknikken anvender sekundært lys ved detektering. For det andet er en laser en støjende lyskilde, og det betyder, at målenøjag-tigheden i mange tilfælde ikke vil være ret god. For det tredie skal der anvendes forskellige måleopstillinger (la-30 sere) til måling i forskellige frekvensområder. For det fjerde opstår der sikkerhedsproblemer, eftersom lys tilbagekastet fra overflader, der reflekterer så lidt som nogle få procent, kan forårsage ubodelig skade på øjet.

35 . Til målinger i forbrændingsprocesser og andre højtempera turprocesser er der således et behov for en enklere, mere DK 167987 B1 5 pålidelig og mindre kostbar måleteknik, som kan anvendes af hvemsomhelst uden ekspertviden, men som ikke desto mindre lever op til de hårde betingelser, som findes i omgivelser med høje temperaturer og høj grad af forurening.

5

En billigere og mindre kompliceret koncentrationsmåleteknik, som for eksempel bruges inden for kemi og biologi, er absorptionsspektroskopien. Denne måleteknik går ud på at bestråle en cuvette, der indeholder en flydende måleprøve 10 med hvidt lys, og ved hjælp af et langsomt scannende spek-trometer at registrere intensiteten af de forskellige bølgelængder i spektret sekventielt. En typisk scanning varer nogle få minutter, men dette er ikke noget problem, fordi måleforholdene ikke er turbulente.

15

En indretning, der anvender denne måleteknik og er i stand til at måle under turbulente forhold, er offentliggjort i EP patentansøgning nr. 0 121 404. Denne indretning omfatter en pulserende lyskilde til at udsende lysimpulser mod prø-20 ven, hvis koncentration skal måles, et spektrometer til at dele hver lysimpuls, der transmitteres igennem prøven, i idet mindste to forudbestemte spektrale komponenter, en diode-opstilling til at frembringe udgangssignaler svarende til lysintensiteten af hver af de nævnte, forud fastsatte, 25 spektrale komponenter, og en middelværdidanner til for alle lysimpulserne at beregne middelværdien af forskellen i lysintensitet for det transmitterede lys for de to førnævnte spektrale komponenter.

30 I denne indretning elimineres turbulensens indvirkning således ved at gøre brug af en pulserende lyskilde, men det medfører den ulempe, at det er vanskeligt at sammenligne spektre taget under forskellige impulser, fordi spektral-fordelingen af lyset fra lyskilden varierer fra en impuls 35 til en anden.

DK 167987 B1 6

En anden ulempe ved indretningen er, at det er vanskeligt at registrere et spektrum med et acceptabelt signal:støj forhold. En årsag hertil er måden, hvorpå spektret registreres, det vil sige ved hjælp af en diode-opstilling. I 5 princippet består en diode-opstilling af et stort antal ved siden af hinanden anbragte detektorelementer. Disse detektorelementer lider under den ulempe, at de på grund af deres konstruktion har en begrænset lysfølsomhed, og yderligere er de gensidigt forskellige med hensyn til mørkestrøm, 10 forstærkning, temperaturafhængig ændring og ændring på grund af ældning. Som følge af disse faktorer er den ovennævnte indretning uegnet til bestemmelse af styreparametre ved højtemperaturprocesser.

15 Det er derfor formålet med nærværende opfindelse at frembringe en billig og enkel fremgangsmåde til meget nøjagtig måling af parametre for gasformige stoffer, der forekommer under forbrændingsprocesser og andre højtemperaturproces-ser. En særlig interessant anvendelse er måling inden i 20 flammer. Ved opfindelsen skal der også frembringes et apparat til brug ved udøvelse af fremgangsmåden.

Dette formål opnås ved en fremgangsmåde af den indledningsvist angivne art, hvilken fremgangsmåde ifølge opfindelsen 25 er særegen ved, at det transmitterede lys er spektralt bredbåndet, kontinuerligt lys fra en ydre lyskilde, at registreringen udføres et stort antal gange og i løbet af så kort tid, at den totale lysintensitet for hele bølgelængdeområdet er konstant under hver registrering, at middelvær-30 dien for de registrerede spektrale fordelinger dannes, og at de ønskede parametre beregnes på basis af middelværdi-spektralfordelingen, hvorved udseendet af middelværdispek-tralfordelingen såvel som spektre, der er beregnet eller registreret for kendte betingelser, anvendes til denne be-35 regning.

DK 167987 B1 7

Til at gennemføre fremgangsmåden ifølge opfindelsen gøres der brug af et apparat, som ligeledes er af den indledningsvist angivne art, hvilket apparat ifølge opfindelsen er særegent ved, at apparatet omfatter en spektralt bred-5 båndet, kontinuerlig lyskilde, fra hvilken lys transmitteres mod gasserne, at registreringsorganerne er indrettet til at kunne udføre registreringen et stort antal gange og i løbet af så kort tid, at den totale lysintensitet for hele bølgelængdeområdet er konstant under hver registrering, 10 og at apparatet omfatter en middelværdidanner og et beregnerorgan til at beregne de søgte parametre.

Hovedfordelen ved fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen er, at spektret registreres ved hjælp af en en-kanal 15 detektor, hvorved målefejlene, der hidrører fra, at detektorelementerne i en diode-opstilling har forskellige karakteristika, elimineres. En yderligere fordel er, at det anvendte detektorelement kan være en fotomultiplikator med en højere lysfølsomhed end detektorelementerne i en diode-op-20 stilling.

Fordelen ved en kontinuerlig lyskilde ligger i, at den kan gøres uhyre stabil, og at den er mere pålidelig end for eksempel en pulserende lampe.

25 Nærværende opfindelse gør det muligt at udføre målinger på alle gasformige stoffer, gennem hvilke lys kan transmitteres.

30 Endvidere kan parametrene for flere stoffer bestemmes ved en og samme måling, hvad der naturligvis er en fordel.

Fordi der registreres et stort antal spektre, og fordi hvert spektrum registreres på en tid, som er så kort, at 35 måleforholdene er konstante, kan der bestemmes meget små absorptioner.

5 DK 167987 B1 8

Nedenfor vil der blive beskrevet flere udformninger af opfindelsen, idet der henvises til den ledsagende tegning, hvor:

Fig. 1 skematisk viser et apparat ifølge opfindelsen, fig. 2 skematisk viser en variant af apparatet vist i fig 1, 10 fig, 3A og 3B skematisk viser i perspektiv henholdsvis ovenfra et apparat til sekventiel scanning af et spektrum, 15 fig. 4 skematisk viser et apparat til at feje et spektrum over en detektor, fig, 5A og 5B viser absorptionsspektre for et og samme stof optaget ved forskellige temperaturer, og 20 fig. 6 er et absorptionsprofil og viser, at profilbredden afhænger af temperatur og tryk.

Fig 1 viser et apparat, som er beregnet til at måle parame-25 trene for gasser, der er tilstede under forbrændingsprocesser og andre højtemperaturprocesser- En lampe 1 anbringes i brændpunktet for et parabolspejl 4 og i nærheden af et objekt 2, som skal måles. Lampen 1 skal have mindst samme • frekvensområde, som det bølgelængdeområde, man ønsker at 30 undersøge, og lampen skal være kontinuerlig og så stabil som mulig og kan for eksempel være en 450 watt xenon-lampe.

Modsat lampen 1 og på den anden side af objektet 2, som her er en flamme, findes der en modtagerindretning bestående af 35 · et parabolspejl 5 og et skråtstillet spejl 3. Hvis måling udføres på lys, der tilbagekastes eller udsendes fra måle- DK 167987 B1 9 objektet, kan modtageindretningen placeres anderledes 1 forhold til lampen. Et spektrometer 6 til spektra Ide ling af lyset er anbragt, så det modtager lyset fra modtageindretningen. Alternativt kan lyset fra måleobjektet føres direk-5 te ind i spektrometret 6, i hvilket tilfælde modtageindretningen vil være overf øldig. Til målinger inden for det synlige område og inden for IR og UV områderne kan spektrometret passende være et sædvanligt gitterspektrometer. Appa-ratet omfatter yderligere organer 7, 8 til sekventiel re-10 gistrering af lyset, der er spektraldelt af spektrometeret 6. I denne udformning omfatter disse organer et roterbart spejl 7, der kan feje spektret tværs over en fast udgangsslids fra spektrometret, såvel som en lysdetektor 8, som er anbragt bag udgangsslidsen og fortrinsvis er en fotomulti-15 plikator, til at konvertere intensiteten af lyset, der transmitteres gennem slidsen, til elektriske signaler. I dette tilfælde fejes spektret således over en fast slidse, men det er klart, for den der er kendt med fagområdet, at slidsen ligesåvel kan fejes over et stationært spektrum. I 20 begge tilfælde udføres scanningen på en sådan måde, at slidsens placering i rummet i forhold til spektret ændres . ved mekaniske midler. Fig 3 og 4 nedenfor beskriver eksempler på egnede registreringsorganer. En yderligere betingelse, som skal opfyldes af disse registreringsorganer 7, 8 25 er, at spektret kan registreres så hurtigt, at den totale lysintensitet af hele bølgelængdeområdet er konstant under hver registrering. På den anden side kan den totale lysin- • tensitet være forskellig ved forskellige registreringer, fordi signalniveauet fluktuerer i afhængighed af turbulens 30 i måleobjektet, vibrationer osv. Apparatets udgangssignaler er forbundet til en hurtig A/D-konverter, der konverterer det analoge signal fra fotomultiplikatoren til digitalform, hvorpå signalet oplagres i et beregnerorgan 9. I beregner- • organet 9 er der lagret programmer til at danne gennem-35 snitsværdier af de registrerede spektre, for at beregne de ønskede parametre, og til at styre det roterbare spejl 7, DK 167987 B1 10 såvel som referencespektre, der er optaget under kendte betingelser. Beregnerorganet 9 har også en hukommelse til at lagre de registrerede spektre. En skriveenhed 10 eller en anden egnet udlæsningsenhed kan være forbundet til bereg-5 nerorganet. Endvidere kan beregnerorganet 9 være forbundet til styreorganer (ikke vist), der modtager styresignaler som reaktion på måleresultaterne.

Måleapparatet virker som følger. Lys fra lampen 1 reflekte-10 res i parabolspejlet 4, som det forlader som en parallel lysstråle, der transmitteres gennem objektet 2, der skal måles. Det transmitterede lys modtages af parabolspejlet 5, reflekteres til det skråtstillede spejl 3 og videre til indgangen til spektrometeret 6. I spektrometret 6 deles ly-15 . set spektralt. Det roterende spejl 7 fejer spektret tværs over den faste slids på spektrometrets udgang, og fotomultiplikatoren 8 modtager sekventielt lyset, der kommer fra de forskellige bølgelængdeområder af spektret og transmitteres gennem slidsen, og frembringer et analogt signal sva-20 rende til lysets intensitet. Det analoge signal A/D konver- • teres og lagres i beregnerorganet 9. Ved at gentage disse funktioner registreres der et stort antal spektre (10.000 -100.000) på kort tid, hvorefter middelværdien af disse spektre beregnes i beregnerorganet 9. For at kompensere for 25 de bølgelængdeafhængige variationer i udgangssignalet fra lampen og reflektionen i spejle osv., og for at frembringe • de interessante absorptionsprofiler divideres middelværdispektret med en passende funktion. På basis af det således opnåede spektrum beregner beregnerorganet 9 de ønskede pa- 30 rametre i real-tid, som det vil blive forklaret nedenfor.

Fig 2 viser en variant af installationen i fig 1. Ifølge • denne variant føres lyset fra lyskilden 1 til objektet 2, der skal måles, og/eller fra måleobjektet 2 til spektrome- 35 tret 6 ved hjælp af optiske fibre 11. Lyset indføres i de optiske fibre ved hjælp af en speciel indretning 12, der DK 167987 B1 11 består af et plant skråtstillet spejl og et fokuseringsspejl (SE patentansøgning nr. 8406025-0). Denne måleinstal-1ation er beregnet primært til målinger i omgivelser, der er vanskeligt tilgængelige, og til at måle over korte og 5 veldefinerede strækninger, for eksempel inden i en flamme.

Fig 3A og 3B viser et eksempel på et apparat til sekventiel registrering af et spektrum. Apparatet består af en roter-bar skive 30, som langs sin periferi er forsynet med en op-10 retstående liste 30A med slidser 31, som er parallelle med skivens 30 drejeakse og placeret med samme indbyrdes afstande. Endvidere er et fokuserende gitter 32 anbragt i skivens 30 midte, og en fotomultiplikator 33 er anbragt bag listen 30A.

15

Ved brug af apparatet bringes skiven 30 til at rotere ved hjælp af en motor (ikke vist), og lyset bringes til at ramme et punkt over listen 30A gennem en fast slids (ikke vist), som befinder sig, hvor lystrålerne skærer hinanden, 20 · og videre til fokuseringsgitteret 32, som deler lyset spektralt og reflekterer det mod periferien. På denne måde vil en slids 31 ad gangen bevæge sig gennem spektret, og fotomultiplikatoren 33 vil sekventielt modtage og registrere lyset fra de forskellige bølgelængder i spektret. Forde-25 len ved dette arrangement er, at slidsen 31 på listen 30A • hele tiden vil ligge i fokuseringsgitterets 32 fokalplan.

Fig 4 viser et andet apparat til sekventiel registrering af et spektrum, og dette apparat består af et roterbart spejl 30 36, som befinder sig inden i spektrometret 6 og modtager det spektralopdelte lys. Vinkelnormalen til det roterbare 'spejl 36 afviger let fra spejlets omdrejningsakse. Når spejlet roteres ved hjælp af en motor (ikke vist), reflekteres det indfaldende lys i en elliptisk bane på spektrome-35 trets 6 udgangsslids 34, bag hvilken slids der er anbragt en fotomulitiplikater 35 for sekventielt at modtage lyset DK 167987 B1 12 fra spektrets forskellige bølgelængder. Endvidere omfatter apparatet en tap 37, som er anbragt på det roterbare spejls 36 periferi og strækker sig radielt udfra spejlet, såvel som en lysbarriere 34, der består af en optisk sender 39 og 5 modtager 40. Lyset fra senderen 39 standses, når tappen 37 passerer, hvorved der frembringes et begyndelsessignal for målingen.

Beregningerne, der udføres i beregnerorganet, er baseret på 10 den kendsgerning, at elektroner kun kan bevæge sig i bestemte skaller eller omløbsbaner i atomer. Hver elektronbane svarer til en bestemt energitilstand. Situationen er no-. get mere kompliceret i molekyler. Foruden den elektrontilstand, som forekommer i atomer, eksisterer der også vibre-15 rende og roterende tilstande, som skyldes den kendsgerning, at molekyler kan vibrere langs med henholdsvis rotere omkring en akse. Princippet er imidlertid det samme: Hvert molekyle har et begrænset antal tilladelige energitilstan-. de. Hvis et atom eller et molekyle rammes af fotoner, det 20 vil sige lys, hvis frekvens svarer nøjagtigt til energidifferencen mellem to tilstande i atomet eller molekylet, absorberes der med en vis sandsynlighed et foton, i hvilket tilfælde atomet eller molekylet går fra en energitilstand til en anden. Ved at transmittere lys med et bestemt fre-25 kvensindhold og en bestemt intensitet gennem for eksempel en gas, og ved at studere hvor meget lys, der er absorberet ved en bestemt frekvens under transmitteringen gennem gassen, kan der opnås megen information om stofferne, der indeholdes i gassen.

30 ' I det efterfølgende gives der en oversigt over, hvorledes temperatur, koncentrationen, tryk, antal partikler og partikelstørrelsesfordeling beregnes på basis af de registrerede spektre.

35 --— _ ___ DK 167987 B1 13

Temperatur.

Elektronerne i et atom indtager forskellige tilstande afhængig af temperaturen. På samme måde indtages der forskel-5 lige elektron-, vibrations- og rotationstilstande i et molekyle i afhængighed af temperaturen. Det betyder, at atomer og molekyler absorberer fotoner med forskellige frekvenser i afhængighed af temperaturen, og dette igen resulterer i forskellige udseender af absorptionsspektret for et 10 stof ved forskellige temperaturer. Fig 5A og 5B viser to forskellige spektre for svovldioxid, optaget ved forskellige temperaturer i et 100 MWatt kraftværk lige igennem flammen, Differencen fremgår klart. Ved at sammenligne et spektrum optaget med apparatet ifølge nærværende opfindelse 15 med spektre optaget under (eller beregnet for) kendte tilstande, kan temperaturen bestemmes.

Koncentrationen.

20

Koncentrationen bestemmes ved hjælp af Lambert-Beer loven el p I=I0e , hvori I er intensiteten for det transmitterede lys, I0 er intensiteten for lyskilden, σ er absorptionstværsnittet for det pågældende stof, 1 er absorptionstræk-25 ningen og C er koncentrationen. Til denne bestemmelse skal temperaturen imidlertid være kendt, eftersom absorptionstværsnittet er temperaturafhængig. Imidlertid kan temperaturen nemt bestemmes med fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Den således bestemte koncentration er middelkoncentratio-30 ' nerne af det pågældende stof langs absorptionsstrækningen.

Hvis temperaturen er forskellig på forskellige punkter langs absorptionsstrækningen kan der opnås yderligere oplysninger.

35 DK 167987 B1 14

Tryk.

Fig 6 viser et absorptionsprofil og specielt profilets udvidning på grund af tryk og temperatur. Kurve A viser det 5 sande temperaturbidrag, en såkaldt Doppler udvidning. Halvværdi -vidden af denne kurve er proportional med kvadratroden af temperaturen. Kurve B viser absorptionsprofilets udseende ved trykudvidning. Halvværdi-vidden af denne kurve er direkte proportional med trykket og proportional med 10 kvadratroden af temperaturen. Disse kurver viser altså ud-. vidningsfænomenerne hver for sig. Det virkelige absorptionsprofil vil være en kombination af disse to. Hvis temperaturen er kendt, kan man således bestemme trykket som en funktion af absorptionsprofilets udvidning og vice versa.

15 • Antal partikler og deres størrelsesfordeling.

Når antallet af partikler i en gas og deres partikelforde-20 ling skal bestemmes, registreres der et spektrum af hele det optiske område fra UV til IR. Den såkaldte Mie effekt forårsager, at lys af forskellig bølgelængde spredes for- • skelligt mod partikler i gassen, og medfører således, at forskellige mængder lys i forskellige bølgelængdeområder 25 vil nå modtageindretningen. Ved at sammenligne intensiteten af det transmitterede lys i forskellige bølgelængdeområder i spektret kan partikelstørrelsesfordelingen bestemmes, og ved at studere niveauet for intensiteten i hele bølgelængdeområdet kan antallet af partikler bestemmes.

30

For at kunne gennemføre de ovennævnte beregninger er det en betingelse, at der kan registreres et spektrum med tilstrækkelig nøjagtighed. Dette er gjort mulig ved hjælp af den hurtige fejning og registrering af spektret på spektro-35 ' meterudgangen ved hjælp af en en-kanal detektor, og jo større antal registreringer jo større nøjagtighed. Forstyr- DK 167987 B1 15 reisen formindskes nærmere bestemt med kvadratroden af antallet af registreringer, der er udført.

Denne måleteknik har mange fordele. Den er meget biligere 5 end tidligere beskrevne laserbaserede metoder. Endvidere kan der opnås en meget høj målenøjagtighed, når der udføres målinger på turbulente objekter ved at bruge en kontinuerlig lyskilde og en en-kanal detektor, såvel som ved en meget hurtig scanning af spektret. I mange tilfælde er nøjagio tigheden bedre, end hvad der kan opnås ved andre måleteknikker. Det er en alsidig måleteknik. Det samme apparat kan anvendes til målinger på forskellige stoffer og til forskellige anvendelser. Måleteknikken er også enkel og pålidelig, og der behøves ikke specialuddannede teknikere til 15 at arbejde med udstyret. Desuden er måleteknikken egnet til • langvarige målinger, eftersom den ikke konstant behøver at bliver overvåget. Den er også egnet til målinger på vanskeligt tilgængelige steder, eftersom lyset kan føres til og fra målestedet ved hjælp af optiske fibre, hvad der ikke er 20 muligt med laserlyset ved tidligere kendt måleteknik. Endvidere kan et og samme måleapparat anvendes til at overvåge flere processer eller flere målesteder i en proces ved at føre lys fra en eller flere lamper til de forskellige målesteder, og fra de forskellige målesteder til selve måleap-25 paratet ved hjælp af optiske fibre, hvorved apparatet er styret til cyklisk at beregne parametrene fra de forskellige målinger. Hvis flere absorptionsstrækninger registreres ' samtidig i forskellige retninger gennem måleobjektet, kan der ved tomografi frembringes tredimensionale kort over de 30 søgte måleværdier.

Nærværende opfindelse er beregnet til real-tidsovervågning af og måling i forbrændingsprocesser, især flammer og ved alle processer, hvor høje temperaturer hindre brugen af 35 sædvanlig teknik. Nærværende opfindelse er også beregnet til at virke som transducer til at styre processer af oven- DK 167987 B1 16 nævnte slags. Eksempler på anvendelser er varme- og kraftindustri (forbrænding af forskellige brændstoffer, flammeovervågning), kemiske processer (temperaturovervågning ved saltsyreovne), papir- og papirmasseindustustrien (bestem-5 melse af partikelindhold, detektering af gasser ved høje temperaturer), jern- og stålindustrien (temperåturmåling i ovne og konvertere, analyse af tunge elementer i gasstrømme), automobilindustrien (udstødsgasanalyse, særligt i forbindelse med rensning af udstødsgas med katalysator), osv.

10 Nærværende opfindelse er naturligvis ikke begrænset til de viste udformninger, og mange modifikationer kan udføres inden for de medfølgende patentkrav. For eksempel er måleteknikken ifølge nærværende opfindelse blevet beskrevet med 15 ' henvisning til en udformning, i hvilken en lampe bruges som lyskilde, og et absorptionsspektrum registreres ved hjælp af lyset, der er transmitteret gennem måleobjektet. Det er imidlertid også muligt at registrere absorptionsspektre ved hjælp af det reflekterede lys. Endvidere kan selve måleob-20 jektet bruges som lyskilde, og et lysspektrum optages af det emitterede lys.

Claims (3)

1. Fremgangsmåde til at bestemme parametre, især tryk, temperatur, koncentration, antal partikler og partikelstørrel-5 sesfordeling for gasformige stoffer, som er tilstede ved forbrændingsprocesser og andre højtemperaturprocesser, ved hvilken fremgangsmåde lys, der transmitteres gennem gasserne, spektralopdeles og den spektrale fordeling af lyset i det betragtede bølgelængdeområde registreres sekventielt 10 ved, at det spektralopdelte lys fejes i forhold til en en-kanal detektor, kendetegnet ved, at det transmitterede lys er spektralt bredbåndet, kontinuerligt lys fra en ydre lyskilde, at registreringen udføres et stort antal gange og i løbet af så kort tid, at den totale lysin-15 tensitet for hele bølgelængdeområdet er konstant under hver registrering, at middelværdien for de registrerede spektrale fordelinger dannes, og at de ønskede parametre beregnes på basis af middelværdispektralfordelingen, hvorved udseendet af middelværdispektralfordelingen såvel som spektre, 20 der er beregnet eller registreret for kendte betingelser, anvendes til denne beregning.

2. Apparat til at bestemme parametre, især tryk, temperatur, koncentration, antal partikler og partikelstørrelses-25 fordeling i gasformige stoffer, som er tilstede ved forbrændingsprocesser eller andre højtemperaturprocesser, hvilket apparat omfatter et organ (6) til spektralopdeling af lys, der transmitteres gennem gasserne, organer (7, 8) til sekventiel registrering af den spektrale fordeling af 30 lyset i det betragtede bølgelængdeområde, hvilke organer (7, 8) omfatter en en-kanal detektor (8), hvis udgangssignal er proportional med intensiteten af det modtagne lys, og organer til at feje det spektralopdelte lys i forhold til den nævnte en-kanal detektor, kendetegnet 35 ved, at apparatet omfatter en spektralt bredbåndet, kontinuerlig lyskilde (1), fra hvilken lys transmitteres mod 18 DK 167987 B1 • gasserne, at registreringsorganeme (7, 8) er indrettet til at kunne udføre registreringen et stort antal gange og i løbet af så kort tid, at den totale lysintensitet for hele bølgelængdeområdet er konstant under hver registrering, og 5 at apparatet omfatter en middelværdidanner og et beregnerorgan (9) til at beregne de søgte parametre.

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at organet til at feje det spektralopdelte lys i forhold til 10 en-kanal detektoren (8) er en roterbar skive (30), som langs sin periferi er forsynet med slidser (31), der strækker sig parallelt med skivens omdrejningsakse, hvilken skive i sin midte bærer et organ (32) til at spektralopdele lyset og fokusere lyset mod de nævnte slidser (31). I - · — --- ---