NO171385B

NO171385B - PROCEDURE AND DEVICE FOR DETERMINING PARAMETERS FOR GAS-SUBSTANCES

Info

Publication number: NO171385B
Application number: NO870556A
Authority: NO
Inventors: Leif Uneus; Svante Wallin
Original assignee: Opsis Ab
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1987-02-12
Publication date: 1992-11-23
Also published as: NO870556D0; NO171385C; NO870556L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en framgangsmåte for bestemmelse av parametre, spesielt trykk, temperatur, konsentrasjon, partikkelantall og partikkelstørrelses-fordeling, for gassformige stoffer som er tilstede i forbrenningsprosesser og andre høytemperaturprosesser, The present invention relates to a procedure for determining parameters, in particular pressure, temperature, concentration, particle number and particle size distribution, for gaseous substances that are present in combustion processes and other high-temperature processes,

slik som angitt i innledningen til det etterfølgende selvstendige fremgangsmåtekrav 1. as stated in the introduction to the subsequent independent procedure requirement 1.

Oppfinnelsen vedrører også en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten slik som angitt i innledningen til det etterfølgende anordningskrav 2. The invention also relates to a device for carrying out the method as stated in the introduction to the subsequent device claim 2.

Stigningen i råmaterialpriser og det økede krav om effektive tiltak mot forurensning har økt interessen for for eksempel forbrenningskontroll. En amerikansk undersøkelse fra midten av 1970-tallet, viser f.eks. at hvis effektiviteten ved forbrenningsprosesser kunne økes med en prosent, ville dette bety en besparelse på 15 millioner fat olje pr. år i USA alene. Forbrenningen i kullkraftverk er et annet eksempel på en forbrenningsprosess der en effektiv styring skulle kunne spare store pengebeløp. Hvis temperaturen i kullkraftverk blir for høy, avsettes slaggprodukter hvilket i verste tilfelle kan nødvendiggjøre avstengning av hele verket for rengjøring. Videre skulle emisjon av skadelige stoffer til omgivelsene kunne bli redusert hvis noen forbrenningsprosesser kunne styres mer effektivt, f.eks. søppelfor-brenning. Hvis forbrennings temperaturen blir for høy (over 1600°) dannes store mengder NO, hvilket er en av de stoffer som anses å bidra til den såkalte skogdøden. Hvis på den andre side, temperaturen blir for lav, dannes dioksin som er en fryktet miljøgift. Hensiktsmessig styretiltak for å holde temperaturen på en mellomliggende verdi kan nedsette utslipp av disse to farlige stoffer. The rise in raw material prices and the increased demand for effective measures against pollution have increased interest in, for example, combustion control. An American survey from the mid-1970s, for example, shows that if the efficiency of combustion processes could be increased by one percent, this would mean a saving of 15 million barrels of oil per year in the US alone. Combustion in coal power plants is another example of a combustion process where effective management could save large sums of money. If the temperature in a coal-fired power station becomes too high, slag products are deposited, which in the worst case may necessitate shutting down the entire plant for cleaning. Furthermore, emissions of harmful substances to the environment could be reduced if some combustion processes could be controlled more effectively, e.g. waste incineration. If the combustion temperature becomes too high (above 1600°), large amounts of NO are formed, which is one of the substances considered to contribute to the so-called forest death. If, on the other hand, the temperature becomes too low, dioxin is formed which is a feared environmental poison. Appropriate management measures to keep the temperature at an intermediate value can reduce emissions of these two dangerous substances.

Imidlertid for å være i stand til på hensiktsmessig vis å styre de ovennevnte og andre prosesser, kreves transdusere ved hjelp av hvilke styreparametre, såsom temperatur, konsentrasjon av spesifikke stoffer etc, kan bestemmes. Dessverre har den tekniske utvikling på dette området ikke holdt takt med stigningen i råmaterialpriser og de miljø-messige problemer. En grunn til dette er selvsagt de høye temperaturer som umuliggjør bruk av konvensjonelle transdusere og måleinstrumenter. En annen grunn er at måle-miljøene i f.eks. et kullkraftverk setter store krav til måleutstyret som må tåle smuss, vibrasjoner etc. En tredje grunn er at målemiljøets tur-bulente karakter, dvs. at målebetingelsene er utsatt for meget sterke variasjoner med tiden, hvilket gjør det vanskelig å konstruere måleutstyr som er i stand til å operere med stor nøyaktighet og pålitelig-het, og opptil for noen få år siden var det kun tilgjengelig upålitelige metoder for bestemmelse av temperatur, konsentrasjon og andre parametre. For eksempel ble temperaturen målt ved hjelp av termoelementer som forstyrret prosessen og derfor ikke ga pålitelige resultater. Videre ble konsentrasjonen av stoffer tilstede under forbrenningen, registrert ved uttrekking av gasser fra forbrenningssonen og innføring av disse f.eks. i et massespektrometer. Også disse konsentrasjonsmålinger var upålitelige fordi utsuging av prøver forstyrret prosessene, den utsugde gassprøve ble avkjølt i massespektrometeret, og det var fare for at stoffene kunne reagere med hverandre i massespektrometeret slik at de målte stoffer var forskjellige fra de som var tilstede under prosessen. However, in order to be able to appropriately control the above-mentioned and other processes, transducers are required by means of which control parameters, such as temperature, concentration of specific substances, etc., can be determined. Unfortunately, the technical development in this area has not kept pace with the rise in raw material prices and the environmental problems. One reason for this is of course the high temperatures that make the use of conventional transducers and measuring instruments impossible. Another reason is that the measurement environments in e.g. a coal-fired power plant places great demands on the measuring equipment, which must withstand dirt, vibrations, etc. A third reason is that the fluctuating nature of the measuring environment, i.e. that the measuring conditions are exposed to very strong variations over time, which makes it difficult to construct measuring equipment that is able to operate with great accuracy and reliability, and until a few years ago only unreliable methods were available for determining temperature, concentration and other parameters. For example, the temperature was measured using thermocouples which interfered with the process and therefore did not give reliable results. Furthermore, the concentration of substances present during the combustion was recorded by extracting gases from the combustion zone and introducing these e.g. in a mass spectrometer. These concentration measurements were also unreliable because extraction of samples disturbed the processes, the extracted gas sample was cooled in the mass spectrometer, and there was a danger that the substances could react with each other in the mass spectrometer so that the substances measured were different from those present during the process.

Når det på andre tekniske områder er ønskelig å hindre at målingen forstyrrer prosessen, gjøres det ofte bruk av optiske måleteknikker. En gruppe optiske måleteknikker er basert på prinsippet ved å tilveiebringe en sekundær effekt ved hjelp av lys, f.eks. fluoressens, som bærer informasjon om den ønskede parameter og hvis intensitet blir målt. Eksempler på slike teknikker er Råman spektroskopi, laser-indusert fluoressens etc. Disse teknikker er imidlertid ikke lett anvendbare i full skala forbrenningsanlegg fordi sekundæreffekten drukner i lyset fra flammen. When in other technical areas it is desirable to prevent the measurement from disturbing the process, optical measurement techniques are often used. A group of optical measurement techniques are based on the principle of providing a secondary effect by means of light, e.g. fluorescence, which carries information about the desired parameter and whose intensity is measured. Examples of such techniques are Råman spectroscopy, laser-induced fluorescence etc. However, these techniques are not easily applicable in full-scale combustion plants because the secondary effect is drowned in the light from the flame.

Den eneste realistiske mulighet for å anvende optiske måleteknikker i forbrenningsanlegg er å gjøre absorpsjons-mål inger, dvs. å måle hvor meget lys som absorberes i flammen. Også denne teknikk er vanskelig fordi partikkeltett-heten i disse miljøer er meget høy og lystransmisjonen derfor meget lav. I en normal kjele i et forbrenningsanlegg er transmisjonen mindre enn 1%, av hvilken grunn det kreves en meget sterk lyskilde for å tilveiebringe et anvendbart målesignal. The only realistic option for using optical measurement techniques in combustion plants is to make absorption measurements, i.e. to measure how much light is absorbed in the flame. This technique is also difficult because the particle density in these environments is very high and the light transmission therefore very low. In a normal boiler in an incineration plant, the transmission is less than 1%, for which reason a very strong light source is required to provide a usable measurement signal.

Det er nylig blitt utviklet en optisk teknikk ved hjelp av hvilken berøringsfri måling av konsentrasjon og temperatur i forbrenningsprosesser, kan utføres. Denne teknikk som kalles CARS (Coherent Anti-Stokes Råman Scattering) er presentert i "Elteknik med aktuell elektronik", 1985:4, side 76-80. For CARS-målinger anvendes to lasere, av hvilken den ene er avstembar og den andre har fast frekvens. Strålene fra disse to lasere fokuseres og innstilles slik at de skjærer hverandre under en spesiell vinkel, området på hvilket de to laserstråler skal fokuseres har en overflate på noen jjm^. Hvis fokuseringen mislykkes, virker ikke teknikken. Videre må frekvensforskjellen mellom strålene tilsvare nøyaktig forskjellen mellom to interne energinivåer i den molekyl man ønsker å undersøke. Som det umiddelbart framgår av denne korte beskrivelse, er det her omhandlede måleutstyr teknisk meget komplisert og kan installeres og opereres kun av spesialutdannede teknikere. Naturligvis er slikt utstyr meget kostbart; i artikkelen nevnes summen på 2 millioner svenske kroner for hvert system, og ettersom disse vedrører høyeffekt lasere, forventes ikke denne sum å bli særlig lavere. An optical technique has recently been developed with the help of which non-contact measurement of concentration and temperature in combustion processes can be carried out. This technique, which is called CARS (Coherent Anti-Stokes Råman Scattering), is presented in "Elteknik med aktuell elektronik", 1985:4, pages 76-80. For CARS measurements, two lasers are used, one of which is tunable and the other has a fixed frequency. The beams from these two lasers are focused and adjusted so that they intersect at a particular angle, the area on which the two laser beams are to be focused has a surface of a few jjm^. If the focus fails, the technique does not work. Furthermore, the frequency difference between the beams must correspond exactly to the difference between two internal energy levels in the molecule you want to examine. As is immediately apparent from this short description, the measuring equipment referred to here is technically very complicated and can only be installed and operated by specially trained technicians. Naturally, such equipment is very expensive; the article mentions the sum of 2 million Swedish kroner for each system, and as these relate to high-power lasers, this sum is not expected to be much lower.

Uheldigvis har laserteknikken også andre ulemper. For det første kan det vise seg vanskelig å tilveiebringe et tilstrekkelig sterkt målesignal hvis målingen utføres i prosesser som har et høyt partikkel innhold ettersom også CARS teknikken anvender sekundærlys for detektering. For det annet er laser en støyende lyskilde hvilket betyr at måle-nøyaktigheten i mange tilfeller ikke vil være særlig god. For det tredje må det anvendes forskjellige måleoppstillinger (lasere) for måling i forskjellige frekvensområder. For det fjerde oppstår sikkerhetsproblemer ettersom lys som reflekteres fra overflater som reflekterer så lite som et par prosent, kan medføre permanent skade på øyet. For målinger i forbrenningsprosesser og andre høytemperaturprosesser, finnes det således et behov for en enklere, mer pålitelig og mindre kostbar teknikk som kan anvendes av hvem som helst uten ekspertkunnskap, men som allikevel klarer de vanskelige forhold som forefinnes i miljø med høye temperaturer og en høy forurensningsgrad. Unfortunately, the laser technique also has other disadvantages. Firstly, it may prove difficult to provide a sufficiently strong measurement signal if the measurement is carried out in processes that have a high particle content, as the CARS technique also uses secondary light for detection. Secondly, lasers are a noisy light source, which means that the measurement accuracy in many cases will not be very good. Thirdly, different measurement setups (lasers) must be used for measurement in different frequency ranges. Fourth, safety concerns arise as light reflected from surfaces that reflect as little as a few percent can cause permanent damage to the eye. For measurements in combustion processes and other high-temperature processes, there is thus a need for a simpler, more reliable and less expensive technique that can be used by anyone without expert knowledge, but which nevertheless manages the difficult conditions found in environments with high temperatures and a high degree of pollution.

En billigere og mindre komplisert konsentrasjonsmåleteknikk som anvendes innen f.eks. kjemi og biologi, er absorpsjons-spektroskopi. Denne teknikk innebærer bestråling av en kuvett som inneholder en flytende måleprøve, med hvitt lys og at man ved hjelp av et langsomt scannende spektrometer, registrerer intensiteten for de forskjellige bølgelengder i spektrumet sekvensielt. En typisk scanning tar typisk noen minutter, men dette utgjør intet problem ettersom målemiljøet ikke er turbulent. A cheaper and less complicated concentration measurement technique used within e.g. chemistry and biology, is absorption spectroscopy. This technique involves irradiating a cuvette containing a liquid measurement sample with white light and using a slowly scanning spectrometer to record the intensity for the different wavelengths in the spectrum sequentially. A typical scan typically takes a few minutes, but this poses no problem as the measurement environment is not turbulent.

En anordning som nytter denne teknikk og som muliggjør måling i turbulente miljøer er vist i Europapatentsøknad 84302093.4 (EP-A-0.121.404 ). Denne anordning omfatter en pulset lyskilde for utsending av lyspulser mot den prøve hvis konsentrasjon skal måles, et spektrometer for oppdeling av hver gjennom prøven transmittert lyspuls, i minst to forutbestemte spektralkomponenter, en diodeoppstilling for generering av utsignaler som korresponderer med lysintensi-teten til hver av de nevnte forutbestemte spektralkomponenter, og en middelverdigenerator for beregning for alle lyspulsene, av middelverdien av forskjellen i intensitet for det transmitterte lys for de to nevnte spektralkomponenter. I denne anordning er således turbulenspåvirkningen eliminert ved å anvende en pulset lyskilde, men dette bringer den ulempe at det er vanskelig å s ammenligne spektra som er tatt opp under forskjellige pulser fordi spektralfordelingen for lyset fra lyskilden varierer fra puls til puls. A device which uses this technique and which enables measurement in turbulent environments is shown in European patent application 84302093.4 (EP-A-0.121.404). This device comprises a pulsed light source for sending light pulses towards the sample whose concentration is to be measured, a spectrometer for dividing each light pulse transmitted through the sample into at least two predetermined spectral components, a diode array for generating output signals that correspond to the light intensity of each of the said predetermined spectral components, and a mean value generator for calculating for all the light pulses, the mean value of the difference in intensity of the transmitted light for the two said spectral components. In this device, the effect of turbulence is thus eliminated by using a pulsed light source, but this brings the disadvantage that it is difficult to compare spectra recorded during different pulses because the spectral distribution of the light from the light source varies from pulse to pulse.

En annen ulempe ved anordningen er at det er vanskelig å registrere et spektrum med et godtagbart signal-støyforhold. En grunn for dette er måten på hvilken spektrumet registreres, nemlig ved hjelp av en diodeoppstilling. I prinsippet omfatter en diodeoppstilling et stort antall ved siden av hverandre anbragte detektorelementer. Disse detektorelementer har den ulempe at på grunn av sin konstruksjon, har de en begrenset lysfølsomhet og videre at de er innbyrdes forskjellige med hensyn til mørkestrøm, forsterkning, temperaturavhengig drift, og drift på grunn av aldring. Som et resultat av disse faktorer, er den ovennevnte anordning uhensiktsmessig for bestemmelse av styreparametre for høytemperaturprosesser. Another disadvantage of the device is that it is difficult to record a spectrum with an acceptable signal-to-noise ratio. One reason for this is the way in which the spectrum is recorded, namely by means of a diode array. In principle, a diode arrangement comprises a large number of detector elements arranged next to each other. These detector elements have the disadvantage that due to their construction, they have a limited light sensitivity and furthermore that they are mutually different with respect to dark current, gain, temperature-dependent operation, and operation due to aging. As a result of these factors, the above device is unsuitable for determining control parameters for high temperature processes.

Det er derfor formålet ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en rimelig og enkel framgangsmåte for høy-presisjonsmåling av parametre for gassformige stoffer som forekommer i forbrenningsprosesser og andre høytemperatur-prosesser. Et spesielt interessant område er måling inne i flammer. Et annet formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning for gjennomføring av framgangsmåten. It is therefore the purpose of the present invention to provide a reasonable and simple procedure for high-precision measurement of parameters for gaseous substances occurring in combustion processes and other high-temperature processes. A particularly interesting area is measurement inside flames. Another purpose of the invention is to provide a device for carrying out the method.

Formålet med oppfinnelsen oppnås ved hjelp av en framgangsmåte med de spesielle trekk som er angitt i karakteristikken til det etterfølgende selvstendige fremgangsmåtekrav 1. The purpose of the invention is achieved by means of a method with the special features indicated in the characteristic of the following independent method claim 1.

For utførelse av framgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes det en anordning som er karakterisert ved de trekk som framgår av karakteristikken til det etterfølgende anordningskrav 2. To carry out the method according to the invention, a device is used which is characterized by the features that appear in the characteristic of the subsequent device requirement 2.

Hovedfordelen med denne framgangsmåte og anordningen ifølge oppfinnelsen, er at spektrumet blir registrert ved hjelp av en en-kanal detektor, hvorved målefeilene som er forbundet med de forskjellige karakteristikker til detektorelementene i en diodeoppstilling, blir eliminert. En annen fordel er at det anvendte detektorelement kan være en fotomultiplikator som har større lysfølsomhet enn detektorelementene i diode-oppstillingen. The main advantage of this method and the device according to the invention is that the spectrum is recorded using a single-channel detector, whereby the measurement errors associated with the different characteristics of the detector elements in a diode array are eliminated. Another advantage is that the detector element used can be a photomultiplier which has greater light sensitivity than the detector elements in the diode array.

Fordelen med en kontinuerlig lyskilde består i at den kan gjøres uhyre stabil, og at den er mer pålitelig enn f.eks. en pulset lampe. The advantage of a continuous light source is that it can be made extremely stable, and that it is more reliable than e.g. a pulsed lamp.

Den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å utføre målinger på alle gassformige substanser gjennom hvilke lys kan transmitteres. The present invention makes it possible to carry out measurements on all gaseous substances through which light can be transmitted.

Videre kan parametrene til forskjellige stoffer bestemmes i en og samme måling, hvilket selvsagt er en fordel. Furthermore, the parameters of different substances can be determined in one and the same measurement, which is of course an advantage.

Fordi et stort antall spektra registreres, og fordi hvert spektrum registreres i løpet av en tid som er så kort at måleforholdene er konstante, kan meget små absorpsjoner detekteres. Because a large number of spectra are recorded, and because each spectrum is recorded during a time that is so short that the measurement conditions are constant, very small absorptions can be detected.

Et antall utførelsesformer av oppfinnelsen vil bli beskrevet i det etterfølgende med henvisning til tegningen, hvor figur 1 skjematisk viser en anordning ifølge oppfinnelsen, figur 2 viser skjematisk en variant av anordningen vist i figur 1, A number of embodiments of the invention will be described below with reference to the drawing, where Figure 1 schematically shows a device according to the invention, Figure 2 schematically shows a variant of the device shown in Figure 1,

figur 3A og 3B viser skjematisk i perspektiv og sett ovenfra, henholdsvis en anordning for sekvensiell avsøking av et spektrum, figures 3A and 3B show schematically in perspective and top view, respectively, a device for sequential scanning of a spectrum,

figur 4 viser skjematisk en anordning for sveiping av et spektrum over en detektor, figure 4 schematically shows a device for sweeping a spectrum over a detector,

figur 5A og 5B viser absorps jonsspektra for et og samme stoff, opptatt ved forskjellige temperaturer, figures 5A and 5B show absorption ion spectra for one and the same substance, taken at different temperatures,

figur 6 er en absorpsjonsprofil og viser profilens utbredelse avhengig av temperatur og trykk. figure 6 is an absorption profile and shows the spread of the profile depending on temperature and pressure.

Figur 1 viser en anordning beregnet for måling av parametre for gasser som er tilstede i forbrenningsprosesser og andre høytemperaturprosesser. En lampe 1 som i det minste må ha det samme frekvensområde som det bølgelengdeområde som en ønsker å undersøke, hvilket må være så kontinuerlig og stabilt som mulig, og hvilket f.eks. kan være en 450 Watt xenon lampe som er plassert i fokus til et parabolsk speil 4 og i nærheten av det måleobjekt 2 som skal måles. Motsatt av lampen 1 og på den andre side av objektet 2, som her er en flamme, er det anordnet en mottageranordning bestående av et parabolsk speil 5 og et skråstilt speil 3. Et spektrometer 6 for spektraloppdeling av lyset er slik plassert at den mottar lyset fra mottageranordningen. Alternativt kan lyset fra måleobjektet ledes direkte inn i spektrometeret 6, hvorved mottageranordningen er overflødig. For målinger innen det synlige området og innen IR- og UV-områdene, kan spektrometeret hensiktsmessig være et konvensjonelt git-terspektrometer. Anordningen omfatter videre organer 7,8 for sekvensiell registrering av lyset som er spektraloppdelt av spektrometeret 6. I denne utførelsesform omfatter nevnte organer et roterende speil 7, som sveiper spektrumet over en fast utgangsspalte fra spektrometeret, så vel som en lysdetektor 8 hvilken er anbragt bak utgangsspalten og som fortrinnsvis er en fotomultiplikator, for omdannelse av intensiteten fra lyset som transmitteres gjennom spalten, til elektriske signaler. I dette tilfelle sveipes altså spektrumet over en fast spalte, men det er åpenbart for fagmannen på området at denne spalte like så gjerne kan sveipes over et stasjonært spektrum. I begge tilfeller utføres avsøkingen slik at plasseringen av spalten i rommet i forhold til spektrumet, forandres ved hjelp av en mekanisk anordning. Figur 3 og 4 beskriver i det etterfølgende eksempler på hensiktsmessige registreringsorganer. Et annet krav som registreringsorganene 7,8 må oppfylle, er at spektrumet kan registreres så hurtig at den totale lysintensitet på hele bølgelengdeområdet vil være konstant under hver registrering. På den annen side, kan den totale lysintensitet være forskjellig ved forskjellige registreringer, fordi signalnivået fluktuerer i avhengighet av turbulensen i måleobjektet, vibrasjoner, etc. Anordningens utgang er koplet til en hurtig A/D omvandler, som omvandler det analoge signal fra fotomultiplikatoren til digitalt format, hvoretter signalet lagres i en computer 9. I computeren 9 er det lagret programmer for generering av middelverdier for de registrerte spektra, for kalkulering av de ønskede parametre, og for styring av det roterende speil 7 så vel som referansespektra som er registrert under kjente betingelser. Computeren har også et minnerom for lagring av de registrerte spektre. En skriver 10 eller en annen hensiktsmessig framvisningsenhet, kan være forbundet med computeren. Videre kan computeren 9 være koplet til styre-og reguleringsorganer (ikke vist) som mottar styresignaler i avhengighet av måleresultatene. Figure 1 shows a device intended for measuring parameters for gases that are present in combustion processes and other high-temperature processes. A lamp 1 which must at least have the same frequency range as the wavelength range that one wishes to examine, which must be as continuous and stable as possible, and which e.g. can be a 450 Watt xenon lamp which is placed in the focus of a parabolic mirror 4 and close to the measuring object 2 to be measured. Opposite the lamp 1 and on the other side of the object 2, which here is a flame, there is a receiving device consisting of a parabolic mirror 5 and an inclined mirror 3. A spectrometer 6 for spectral division of the light is positioned so that it receives the light from the receiving device. Alternatively, the light from the measurement object can be directed directly into the spectrometer 6, whereby the receiver device is redundant. For measurements within the visible range and within the IR and UV ranges, the spectrometer can conveniently be a conventional grating spectrometer. The device further comprises means 7,8 for sequential recording of the light which is spectrally divided by the spectrometer 6. In this embodiment, said means comprise a rotating mirror 7, which sweeps the spectrum over a fixed output slit from the spectrometer, as well as a light detector 8 which is placed behind the output slit and which is preferably a photomultiplier, for converting the intensity from the light transmitted through the slit into electrical signals. In this case, the spectrum is thus swept over a fixed slot, but it is obvious to the expert in the field that this slot can just as well be swept over a stationary spectrum. In both cases, the scanning is carried out so that the position of the slit in space in relation to the spectrum is changed by means of a mechanical device. Figures 3 and 4 below describe examples of appropriate registration bodies. Another requirement that the recording means 7,8 must meet is that the spectrum can be recorded so quickly that the total light intensity over the entire wavelength range will be constant during each recording. On the other hand, the total light intensity can be different for different registrations, because the signal level fluctuates depending on the turbulence in the measuring object, vibrations, etc. The output of the device is connected to a fast A/D converter, which converts the analog signal from the photomultiplier into digital format, after which the signal is stored in a computer 9. In the computer 9, programs are stored for generating mean values for the recorded spectra, for calculating the desired parameters, and for controlling the rotating mirror 7 as well as reference spectra that are recorded under known conditions. The computer also has a memory space for storing the recorded spectra. A printer 10 or another suitable display unit can be connected to the computer. Furthermore, the computer 9 can be connected to control and regulation means (not shown) which receive control signals depending on the measurement results.

Måleanordningen virker på følgende måte. Lys fra lampen 1 reflekteres i det parabolske speil 4 og forlater dette som et parallelt lysknippe, hvilket transmitteres gjennom måleobjektet 2. Det transmitterte lys mottas av parabolspeilet 5, reflekteres til det skråstilte speil 3 og videre til spektrometerets 6 inngang. I spektrometeret 6 blir lyset spektraloppdelt. Det roterende speil 7 sveiper spektrumet over den faste spalte på spektrometerets utgang, og fotomultiplikatoren 8 mottar sekvensielt lyset som kommer fra de forskjellige bølgelengdeområder av spektrumet som transmitteres gjennom spalten, og tilveiebringer et analogt signal som tilsvarer intensiteten til dette lys. Det analoge signal blir Å/D omvandlet og lagret i computeren 9. Ved gjentagelse av disse operasjoner, registreres på kort tid et stort antall spektra (10.000-100.000), hvoretter middelverdien for disse spektra beregnes i computeren. For å kompensere for bølge-lengde-avhengige variasjoner i lampens utgangssignal og refleksjonen i speilene etc, og for å få fram de interes-sante absorpsjonsprofiler, divideres middelverdispektrumet med en hensiktsmessig funksjon. På basis av det således oppnådde spektrum beregner computeren de søkte parametre i sann tid, hvilket vil bli forklart i det følgende. Figur 2 viser en variant av installasjonen i figur 1. Ifølge denne variant ledes lyset fra lyskilden 1 til objektet 2, som skal måles og/eller fra objektet 2 til spektrometeret 6 ved hjelp av optiske fibre 11. Lyset blir innført i de optiske fibre ved hjelp av en spesialanordning 12 omfattende et plant, skråstilt speil og et fokuserende speil (patentsøknad SE 8406025-0). Denne måleoppstilling er først og framst beregnet til å bli brukt ved målinger i vanskelig tilgjengelige miljøer og ved måling over korte og veldefinerte strekninger, f.eks. inne i en flamme. Figur 3Å og 3B viser et eksempel på en anordning for sekvensiell registrering av et spektrum. Anordningen består av en roterbar skive 30 hvilken langs sin periferi er forsynt med en opprettstående list 30A med spalter 31 hvilke er paral-lelle med skivens 30 rotasjonsakse og hvilke er adskilt med like mellomrom. Videre er et fokuserende gitter 32 montert i skivens 30 senter, og en fotomultiplikator 33 er montert bak listen 30A. The measuring device works in the following way. Light from the lamp 1 is reflected in the parabolic mirror 4 and leaves this as a parallel light beam, which is transmitted through the measurement object 2. The transmitted light is received by the parabolic mirror 5, reflected to the inclined mirror 3 and on to the spectrometer 6 input. In the spectrometer 6, the light is spectrally divided. The rotating mirror 7 sweeps the spectrum over the fixed slit at the output of the spectrometer, and the photomultiplier 8 sequentially receives the light coming from the different wavelength ranges of the spectrum transmitted through the slit, and provides an analogue signal corresponding to the intensity of this light. The analogue signal is A/D converted and stored in the computer 9. By repeating these operations, a large number of spectra (10,000-100,000) are recorded in a short time, after which the mean value for these spectra is calculated in the computer. To compensate for wavelength-dependent variations in the lamp's output signal and the reflection in the mirrors etc, and to bring out the interesting absorption profiles, the mean value spectrum is divided by an appropriate function. On the basis of the thus obtained spectrum, the computer calculates the sought parameters in real time, which will be explained in the following. Figure 2 shows a variant of the installation in Figure 1. According to this variant, the light is guided from the light source 1 to the object 2, which is to be measured and/or from the object 2 to the spectrometer 6 by means of optical fibers 11. The light is introduced into the optical fibers by using a special device 12 comprising a flat, inclined mirror and a focusing mirror (patent application SE 8406025-0). This measuring set-up is first and foremost intended to be used for measurements in hard-to-reach environments and for measurements over short and well-defined stretches, e.g. inside a flame. Figures 3A and 3B show an example of a device for sequential recording of a spectrum. The device consists of a rotatable disk 30 which along its periphery is provided with an upright strip 30A with slits 31 which are parallel to the axis of rotation of the disk 30 and which are separated by equal intervals. Furthermore, a focusing grid 32 is mounted in the center of the disc 30, and a photomultiplier 33 is mounted behind the strip 30A.

Ved anvendelse av anordningen bringes skiven 30 til å rotere ved hjelp av en motor (ikke vist), og lyset bringes til å falle inn mot et punkt ovenfor listen 30A gjennom en fast spalte (ikke vist) som er plassert ved lysstrålenes skjær-ingspunkt, og videre til det fokuserende gitter 32 som spektraloppdeler lyset og reflekterer det mot periferien. På denne måte vil en spalte 31 ad gangen bevege seg gjennom spektrumet, og fotomultiplikatoren 33 vil sekvensielt motta og registrere lys for de forskjellige bølgelengdene i spektrumet. Fordelen med denne anordning er at spaltene 31 på listen 30A hele tiden vil ligge i det fokale plan til det fokuserende gitter 32. When using the device, the disk 30 is caused to rotate by means of a motor (not shown), and the light is caused to fall towards a point above the strip 30A through a fixed slit (not shown) which is placed at the point of intersection of the light beams, and on to the focusing grating 32 which spectrally divides the light and reflects it towards the periphery. In this way, one slit 31 at a time will move through the spectrum, and the photomultiplier 33 will sequentially receive and record light for the different wavelengths in the spectrum. The advantage of this device is that the slits 31 on the strip 30A will always lie in the focal plane of the focusing grating 32.

Figur 4 viser en annen anordning for sekvensiell registrering av et spektrum, hvilken anordning omfatter et roterbart speil 36 anbragt inne i spektrometeret 6 og som mottar det spektraloppdelte lys. Normalen til det roterbare speil 36 avviker noe fra speilets rotasjonsakse. Når speilet roteres ved hjelp av en motor (ikke vist) reflekteres det innfallende lys i en elliptisk bane på spektrometerets 6 utgangsspalte 34, bak hvilken spalte det er anordnet en fotomultiplikator 35 for sekvensiell mottagelse av lys fra spektrumets forskjellige bølgelengder. Anordningen omfatter videre en tapp 37 anordnet ved periferien til det roterende speil 36 og som strekker seg radielt fra speilet, så vel som en lysbarriere 38, hvilken omfatter en optisk sender 39 og mottager 40. Lyset fra senderen 39 stoppes når tappen 37 passerer, hvorved det genereres et triggersignal for målingen. Figure 4 shows another device for sequential recording of a spectrum, which device comprises a rotatable mirror 36 placed inside the spectrometer 6 and which receives the spectrally divided light. The normal to the rotatable mirror 36 deviates somewhat from the mirror's axis of rotation. When the mirror is rotated by means of a motor (not shown), the incident light is reflected in an elliptical path onto the output slit 34 of the spectrometer 6, behind which slit a photomultiplier 35 is arranged for sequential reception of light from the different wavelengths of the spectrum. The device further comprises a pin 37 arranged at the periphery of the rotating mirror 36 and extending radially from the mirror, as well as a light barrier 38, which comprises an optical transmitter 39 and receiver 40. The light from the transmitter 39 is stopped when the pin 37 passes, whereby a trigger signal is generated for the measurement.

De i computeren utførte beregninger baserer seg på det faktum at elektroner kun kan bevege seg i bestemte skall eller baner i atomer. Hver elektronbane tilsvarer en bestemt energitilstand. I molekyler er situasjonen mer komplisert. Foruten de elektrontilstander som finnes i atomene, finnes det også vibrasjons- og rotasjonstilstander hvilke skyldes det faktum at molekylene henholdsvis kan vibrere langsmed og rotere om en akse. Prinsippet er imidlertid det samme, hvert molekyl har et begrenset antall tillatte energitilstander. Hvis et atom eller et molekyl treffes av fotoner, dvs. av lys hvis frekvens nøyaktig tilsvarer energiforskjellen mellom to tilstander i atomet eller molekylet, absorberes mest sann-synlig, et foton, i hvilket tilfelle atomet eller molekylet passerer fra en energitilstand til en annen. Ved å sende lys med et spesielt frekvensinnhold og en spesiell intensitet gjennom f.eks. en gass og ved å studere hvor meget lys som absorberes ved en bestemt frekvens under transmisjonen gjennom gassen, kan en få mye informasjon om stoffer som inneholdes i gassen. The calculations carried out in the computer are based on the fact that electrons can only move in certain shells or orbits in atoms. Each electron orbit corresponds to a specific energy state. In molecules, the situation is more complicated. Besides the electronic states found in the atoms, there are also vibrational and rotational states which are due to the fact that the molecules can respectively vibrate along and rotate about an axis. However, the principle is the same, each molecule has a limited number of allowed energy states. If an atom or molecule is hit by photons, i.e. by light whose frequency exactly corresponds to the energy difference between two states in the atom or molecule, a photon is most likely absorbed, in which case the atom or molecule passes from one energy state to another. By sending light with a special frequency content and a special intensity through e.g. a gas and by studying how much light is absorbed at a certain frequency during transmission through the gas, you can get a lot of information about substances contained in the gas.

En oversikt over hvordan konsentrasjon, temperatur, trykk, partikkelstørrelsefordeling og antall partikler beregnes på basis av de registrerte spektra, vil bli gitt i det følgende. An overview of how concentration, temperature, pressure, particle size distribution and number of particles are calculated on the basis of the recorded spectra will be given below.

TEMPERATUR TEMPERATURE

Elektronene i et atom inntar forskjellige tilstander avhengig av temperaturen. På samme måte er forskjellige elektron-, vibrasjons- og rotasjonstilstander i en molekyl inntatt i avhengighet av temperaturen. Dette betyr at atomer og molekyler absorberer fotoner med forskjellige frekvenser i avhengighet av temperaturen, og dette resulterer igjen i forskjellige utseender av absorpsjonsspektrumet til et stoff ved forskjellige temperaturer. Figur 5A og 5B viser to forskjellige spektra for sulfurdioksid, opptatt ved forskjellige temperaturer i et 100 MWatt kraftverk tvers gjennom flammen. Forskjellene er klart synlige. Ved å sammenligne et spektrum opptatt med anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse, med spektra opptatt gjennom (eller beregnet for) kjente betingelser, kan temperaturen bestemmes. The electrons in an atom occupy different states depending on the temperature. Similarly, different electronic, vibrational and rotational states in a molecule are occupied depending on the temperature. This means that atoms and molecules absorb photons at different frequencies depending on the temperature, and this in turn results in different appearances of the absorption spectrum of a substance at different temperatures. Figures 5A and 5B show two different spectra for sulfur dioxide, taken at different temperatures in a 100 MWatt power plant across the flame. The differences are clearly visible. By comparing a spectrum taken with the device according to the present invention, with spectra taken through (or calculated for) known conditions, the temperature can be determined.

KONSENTRASJON CONCENTRATION

Konsentrasjonen blir bestemt ved hjelp av Lambert-Beer loven I=Ioe~CTlc, hvor I representerer intensiteten til det transmitterte lys, Iq representerer intensiteten til lyskilden, a representerer absorpsjonstverrsnittet for det aktuelle stoff, 1 representerer absorpsjonsavstanden, og c representerer konsentrasjonen. For denne konsentrasjonsbestemmelse må imidlertid temperaturen være kjent ettersom absorpsjonstverrsnittet er temperaturavhengig. Temperaturen kan imidlertid lett bestemmes ved framgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse. Den således bestemte konsentrasjon er middel-konsentrasjonen for det aktuelle stoff langsmed absorpsjonsstrekningen. Hvis temperaturen er forskjellig ved forskjellige punkter langs absorpsjonsstrekningen, kan det oppnås ytterligere informasjon. The concentration is determined using the Lambert-Beer law I=Ioe~CTlc, where I represents the intensity of the transmitted light, Iq represents the intensity of the light source, a represents the absorption cross-section for the substance in question, 1 represents the absorption distance, and c represents the concentration. However, for this concentration determination the temperature must be known as the absorption cross section is temperature dependent. However, the temperature can easily be determined by the method according to the present invention. The concentration thus determined is the mean concentration for the substance in question along the absorption line. If the temperature is different at different points along the absorption line, additional information can be obtained.

TRYKK PRINT

Figur 6 viser en absorpsjonsprofil, spesielt profilens utbredning som følge av trykk og temperatur. Kurven A viser det sanne temperaturbidrag, såkalt Doppler-utbredelse. Halvbreddeverdien til denne kurve er proporsjonal med roten av temperaturen. Kurven B viser utseendet av absorpsjons-prof ilen ved trykkutbredelse. Halvbreddeverdien av denne kurve er direkte proporsjonal med trykket og proporsjonal med roten av temperaturen. Disse kurver viser således ut-bredelsesfenomenene hver for seg. Den virkelige absorpsjonsprofil vil være en kombinasjon av de to, hvis temperaturen er kjent, kan man således bestemme trykket som en funksjon av absorpsjonsprofilens utbredelse og vice versa. Figure 6 shows an absorption profile, especially the spread of the profile as a result of pressure and temperature. Curve A shows the true temperature contribution, so-called Doppler propagation. The half-width value of this curve is proportional to the root of the temperature. Curve B shows the appearance of the absorption profile during pressure propagation. The half-width value of this curve is directly proportional to the pressure and proportional to the root of the temperature. These curves thus show the propagation phenomena separately. The real absorption profile will be a combination of the two, if the temperature is known, one can thus determine the pressure as a function of the absorption profile's spread and vice versa.

ANTALL PARTIKLER OG DISSES STØRRELSESFORDELING. NUMBER OF PARTICLES AND THEIR SIZE DISTRIBUTION.

Når antall partikler i en gass og disses størrelsesfordeling skal bestemmes, opptas et spektrum for hele det optiske område fra UV til IR. Den såkalte Mie effekt bevirker at lys av forskjellige bølgelengder spres forskjellig mot partikler i gassen, og bevirker derved at forskjellige lysmengder i forskjellige bølgelengdeområder vil nå mottageranordningen. Ved å sammenligne intensiteten til det transmitterte lys i forskjellige bølgelengdeområder i spektrumet, kan fordelingen av partikkelstørrelser bestemmes, og ved å studere inten-sitetnivået for hele bølgelengdeområdet, kan antall partikler bestemmes. When the number of particles in a gas and their size distribution is to be determined, a spectrum is recorded for the entire optical range from UV to IR. The so-called Mie effect causes light of different wavelengths to be scattered differently towards particles in the gas, thereby causing different amounts of light in different wavelength ranges to reach the receiver device. By comparing the intensity of the transmitted light in different wavelength ranges of the spectrum, the distribution of particle sizes can be determined, and by studying the intensity level for the entire wavelength range, the number of particles can be determined.

For å kunne utføre de ovennevnte beregninger er det en forutsetning at et spektrum av tilstrekkelig nøyaktighet kan registreres. Dette er gjort mulig ved den hurtige sveipingen og registreringen av spekteret på spektrometerets utgang ved hjelp av en en-kanal detektor, og jo større antall registreringer, jo større nøyaktighet. Spesielt minsker støyen med roten av antall utførte registreringer. In order to be able to carry out the above calculations, it is a prerequisite that a spectrum of sufficient accuracy can be registered. This is made possible by the rapid sweeping and recording of the spectrum at the spectrometer's output using a single-channel detector, and the greater the number of registrations, the greater the accuracy. In particular, the noise decreases with the root of the number of registrations performed.

Denne teknikk har mange fordeler. Den er vesentlig billigere enn den tidligere beskrevne laser-baserte metoden. Videre kan en meget høy målenøyaktighet oppnås når måling utføres på turbulente objekter, ved å anvende en kontinuerlig lyskilde og en en-kanal detektor, så vel som med meget hurtig avsøking av spektrumet. I mange tilfeller blir nøyaktigheten bedre enn den som oppnås ved hjelp av andre måleteknikker. Det er en generell teknikk. Den samme anordning kan anvendes for målinger på forskjellige stoffer og for forskjellige an-vendelser. Måleteknikken er også enkel og pålitelig, og det kreves ingen spesialutdannede teknikere for håndtering av utstyret. Dessuten er teknikken hensiktsmessig for langtids-målinger, ettersom den ikke krever stadig overvåkning. Den er også anvendelig for målinger på vanskelig tilgjengelige steder ettersom lyset kan ledes til og fra målepunktet ved hjelp av optiske fibre, hvilket ikke er mulig med laserlyset i den tidligere kjente teknikk. Videre kan en og samme måleanordning anvendes for overvåkning av flere prosesser eller flere målepunkter i samme prosess ved å lede lys fra en eller flere lamper til forskjellige målepunkter, og fra forskjellige målepunkter til måleanordningen ved hjelp av optiske fibre, idet anordningen styres for syklisk å beregne parametrene til de forskjellige målinger. Hvis flere absorpsjonsstrekninger registreres samtidig i forskjellige retninger gjennom måleobjektet, kan tredimensjonale kart-bilder av de søkte måleverdier genereres ved tomografi. This technique has many advantages. It is significantly cheaper than the previously described laser-based method. Furthermore, a very high measurement accuracy can be achieved when measuring on turbulent objects, by using a continuous light source and a single-channel detector, as well as with very fast scanning of the spectrum. In many cases, the accuracy is better than that obtained using other measurement techniques. It is a general technique. The same device can be used for measurements on different substances and for different applications. The measuring technique is also simple and reliable, and no specially trained technicians are required to handle the equipment. Moreover, the technique is suitable for long-term measurements, as it does not require constant monitoring. It is also applicable for measurements in hard-to-reach places as the light can be guided to and from the measuring point by means of optical fibres, which is not possible with the laser light in the previously known technique. Furthermore, one and the same measuring device can be used for monitoring several processes or several measuring points in the same process by directing light from one or more lamps to different measuring points, and from different measuring points to the measuring device by means of optical fibres, as the device is controlled to calculate cyclically the parameters of the different measurements. If several absorption lines are recorded simultaneously in different directions through the measurement object, three-dimensional map images of the sought measurement values can be generated by tomography.

Den foreliggende oppfinnelse er beregnet for sann tidsover-våkning av og måling i forbrenningsprosesser, spesielt flammer, og i alle prosesser hvor høye temperaturer for-hindrer bruk av konvensjonell teknikk. Den foreliggende oppfinnelse er også beregnet å virke som en transduser for styring av prosesser av den ovennevnte type. Anvendelses-eksempler er varme- og kraftindustri (forbrenning av forskjellige brensler, flammeovervåkning), kjemisk prosess-industri (temperaturovervåkning i saltsyreovner), papir- og masseIndustri (bestemmelse av partikkelinnhold, detektering av gasser med høye temperaturer), jern- og stålindustri (temperaturmåling i ovner og konvertere, analyse av tunge elementer i gass-strømmer), automobilindustri (avgassanalyse, spesielt i forbindelse med katalytisk avgassrensing), etc. The present invention is intended for real-time monitoring and measurement in combustion processes, especially flames, and in all processes where high temperatures prevent the use of conventional techniques. The present invention is also intended to act as a transducer for controlling processes of the above type. Application examples are the heat and power industry (combustion of various fuels, flame monitoring), chemical process industry (temperature monitoring in hydrochloric acid furnaces), paper and pulp industry (determination of particle content, detection of gases with high temperatures), iron and steel industry (temperature measurement in furnaces and converters, analysis of heavy elements in gas streams), automotive industry (exhaust gas analysis, especially in connection with catalytic exhaust gas purification), etc.

Den foreliggende oppfinnelse er selvsagt ikke begrenset til de viste utførelsesformer, idet mange modifikasjoner kan utføres innen rammen av de etterfølgende krav. The present invention is of course not limited to the embodiments shown, as many modifications can be made within the scope of the following claims.

Claims

1. Procedure for determining parameters, in particular pressure, temperature, concentration, particle number and particle size distribution, for gaseous substances present in combustion processes and other high-temperature processes, in which light transmitted through the gases is spectrally divided and the spectral distribution of the light in the studied wavelength range is recorded sequentially by the spectrally divided light is swept relative to a one-channel detector, characterized in that the transmitted light is spectrally broadband, continuous light from an external light source, that the registration is carried out a large number of times and in such a short time that the total light intensity for the entire wavelength the range is constant during each registration, that the mean value of the recorded spectral distributions is generated, and that the sought parameters are calculated on the basis of the mean value spectral distribution, the appearance of the mean value spectral distribution, as well as spectra calculated or recorded for known conditions, use s for this calculation.

2. Device for determining parameters, in particular pressure, temperature, concentration, particle number and particle size distribution, for gaseous substances present in combustion processes or other high temperature processes, comprising a device (6) for spectral division of light transmitted through the gases, devices (7, 8) for sequential recording of the light's spectral distribution in the studied wavelength range, which means (7, 8) comprise a one-channel detector (8) whose output signal is proportional to the intensity of the received light, and means for sweeping the spectrally divided light relatively the mentioned one-channel detector, characterized by comprising a spectrally broad-band, continuous light source (1) from which light is emitted towards the gases, that the recording means (7, 8) are equipped to perform the recording a large number of times and during short time that the total light intensity for the entire wave range is constant during each recording, and by including a mean value generator and computer device (9) for calculating the sought parameters.

3. Device according to claim 2, characterized in that the means for sweeping the spectrally divided light relative to the one-channel detector (8) is a rotatable disk (30), which along its periphery is provided with slits (31) that extend parallel to the disk's axis of rotation , and which in its center carries an organ (32) for spectrally dividing the light and focusing it towards the slit (31).