专利名称：：二谱线气体光谱校准的制作方法
技术领域：
：本发明的主要目的是描述一种用于校准燃烧室内TDLAS测量气体浓度或温度的设备和方法，其中引入相同或光镨类似的气体以吹洗开孔。然而，本发明不局限于这些实施例。校准方法可应用于任何的光谦分析装置，其中光传输通过包含待测气体的区域，并且还通过包含一定数量其他气体的区域，后者可以产生虚假的信号。因此，本发明的校准特征在任何的气体吸收光镨装置中有广泛的应用。[0025图2表示和更具体描述适合于本发明燃烧室装置的设备10。利用来自一系列可调谐二极管激光器32的激光，检测设备10完成可调谐二极管激光吸收光镨(TDLAS)，其中激光器32是在选取频率上发射激光，最好是在近红外或中红外光镨上。每个可调谐二极管激光器32的输出耦合到单独的光纤，并被路由到复用器36，该光纤可以是单模光纤34。如在此处所使用的，"耦合"，"光耦合"，"光通信"的定义是各个部件之间的函数关系，其中光从第一个部件通过或不通过中间部件或自由空间传输到第二个部件。在复用器36内，产生一些频率或所有频率的激光被复用以形成有多个选取频率的复用探测光束。复用探测光束耦合到出射(pitch)侧光纤38并传输到出射光学元件40或与燃烧室相关的准直器，该燃烧室是如图2所示的燃烧室42。[0026I出射光学元件40的取向是为了投射复用探测光束通过燃烧室42。在燃烧室42的另一端与出射光学元件40进行光通信的是入射(catch)光学元件44。最好是，入射光学元件44基本上与出射光学元件40相对，并与燃烧室42的工作相关。入射光学元件44的位置和取向是为了接收投射通过燃烧室42的复用探测光束。入射光学元件44光耦合到入射侧光纤46，入射侧光纤46传输由入射光学元件44接收的部分复用探测光束到去复用器48。在去复用器48内，入射光学元件44接收的部分复用探测光束被去复用，而每个波长的去复用激光耦合到输出光纤50。每条输出光纤50再光耦合到检测器52，并被复用成探测光束，其中检测器52通常是一个对产生的选取频率激光灵敏的光电检测器.基于光传输到检测器52的性质和数量，检测器52产生在检测器频率上的电信号，来自每个检测器52的电信号通常是数字化信号，并在数据处理系统54中进行分析.如在以下详细讨论的，数字化和被分析的数据可用于检测燃烧室内的物理参数，其中包括，但不限于，在燃烧室42内各种气体的浓度和燃烧温度。数据处理系统54还可用于发送信号通过反馈回路56到燃烧控制设备58，从而有效地控制选取的过程参数。在燃烧过程的情况下，被控制的过程参数可以包括燃料(例如，粉煤)馈送率，氧气馈送率和催化剂或化学试剂添加率。利用在检测设备30的出射侧和入射侧的光纤耦合电子和光学元件，可以使精细和温度灵敏的设备放置在有稳定工作环境的控制室内，例如，可调谐二极管激光器32，检测器52和数据处理系统54。因此，仅仅相对坚固的出射光学元件40和入射光学元件44需要放置在燃烧室42的恶劣环境附近。0027j利用任何类型的气体吸收光镨可以实施本发明，其中包括，但不限于，可调谐二极管激光吸收光镨(TDLAS)。利用激光光傳的专业人员熟知的技术可以完成TDLAS。一般地说，激光传输通过目标环境，由于存在目标气体，例如，一氧化碳或氧气，然后检测在特定波长上的激光吸收，可以完成TDLAS。被检测光的光镨分析可以识别气体沿激光路径的种类和数量。在Teichert，Fernholz，和Ebert的文章"SimultaneousinsituMeasurementofCO，H20,andGasTemperatureinaFull-Sized，Coal-FiredPowerPlantbyNear-InfraredDiodeLasers",(AppliedOptics,42(12):2043，20April2003)中详细地讨论直接吸收光语，全文合并在此供参考。激光吸收光镨的非接触性质使它非常适应于恶劣的环境，例如，燃煤发电厂的燃烧区，或不能使用其他探测方法的易燃或有毒环境。利用激光在有严重衰减的环境下(典型的是大于99.9。/。的光损失)可以获得可检测传输所需的高亮度，在某些环境下可以出现这种衰减。为了更好地承受目标应用的恶劣条件，可以使激光通过有金属护套的光纤而进入目标环境。10028有效检测多个燃烧过程成分气体的温度或浓度要求利用多个宽间隔激光频率完成TDLAS,选取的频率必须匹配被监测跃迁的吸收镨线。例如，可能要求监测在波长670nm的NO2以模拟发射的NO浓度。监测燃煤设施锅炉中的氧气，水和一氧化碳以提取温度和浓度数据也是十分有用的。在发电厂装置中，可以基于以下的假设选取合适的吸收镨线和合适的发射激光频率，其中通过燃烧室的激光探测路径长度等于10米，和每个品种的克分子百分比是CO(1%)，02(4%)，C02(10%)，和H20(10%)。在频率选取中，可以假设过程温度为1800K，它略高于通常在燃煤发电厂中观察到的温度，但该容限在计算中是作为安全因子。其他类型的气体光镨实施方案有不同的假设。[0029在燃煤发电厂的例子中，可以选取用于TDLAS的三个水吸收镨线，它们满足以下的准则1.分别是1000enT1，2000em1，和3000cm1的低态能量。2.提供约在0.1-0.4之间的合适吸收率，从而导致在共振时约20%的光束吸收。3.最佳的情况是利用1250nm至1650nm区域的跃迁，该区域可得到非昂贵的高功率DFB二极管电信激光器。4.各个跃迁之间必须很好地分开以便容易地进行复用。5.选取的波长必须被现有的去复用/复用光栅有效地衍射。0030在以下的波长上有合适的水镨线表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>[0031I对于水，不会发生来自任何其他燃烧气体的干扰。在发电厂设置中对最可能干扰的物品C02做了模型，而在1.3-1.4nm区域没有强的干扰镨线。0032}类似地，基于以上参照和包括的Ebert的工作，可以选取合适的一氧化碳镨线。利用在燃煤设施锅炉中的R(24)详线，可以在1559.562nm找到合适的一氧化碳详线。选取这个镨线可以避免来自水和二氧化碳的干扰。已知的光栅在这个波长区是相当有效的，因为它是在光通信的C波段。预期在这个波长上的吸收率为0.7%。0033此外，可以在760.0932nm上测量氧。在这个区域中，优选的去复用/复用光栅效率计算仅为40%,然而，在合理的测量效率下，应当有合适的激光功率。0034如在此处所讨论的，在TDLAS检测设备的出射侧和入射侧使用光纤耦合要求精确地对准出射光学元件和入射光学元件。利用选取的对准波长可以优选地完成有效的对准。一个可能的对准波长是660nm，因为在这个波长上可以有高功率(45mW)二极管，而660苦在泫14纽^她T—乾A^腠拮BM";/f^TiAt!Sli主A.劣承厶括JJr磁全妃他的对准波长。0035总之，表2中给出本发明实施的一个合理选取的波长集合，用于复用TDLAS的探测光束。应当注意，这个波长集合是用于一个实施例的TDLAS检测设备，它适合于检测和控制燃煤发电厂。其他的波长集合可能是也是合适的。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>[0036利用波长复用探测光束的TDLAS的一个具体优点是提高温度测量的精确度。为了利用TDLAS作精确的浓度测量，必须知道被监测气体的温度。分子吸收的强度是温度的函数。因此，为了把吸收特征的幅度转换成浓度，必须知道温度。以前测量燃烧物品浓度的某些方法遭遇到不够精确的温度测量，例如，测量CO，从而导致量化的误差。这对于二极管基氨泄漏监测器是特别正确的，传统上，它不包含在温度测量中。在本发明的检测系统中，通过测量两个或多个水分子谱线的比率，可以确定温度。两条谱线的集成强度比率仅仅是温度的函数(假设恒定的整个系统压力)。因此，原则上，两条镨线可以提供精确的温度。然而，在非均匀温度分布的情况下(如通常在工业燃烧过程内发现的)，两条镨线不足以确定温度的分布。在这种非均匀温度分布的情况下，两条i普线仅仅可以确定"路径平均的"温度。与此对比，测量多于两条i普线(相同物品)的集成幅度可以探测温度的非均匀性。这种技术的一个例子是利用氧作为探测分子，Sanders,Wang,Jeffries和Hanson在"AppliedOptics"(volume40,number24，20August2001)中所描述的，全文合并在此供参考。优选的技术是基于这样的事实，例如，沿视线测量的峰值强度分布在500K的平均温度路径上不是相同的，因为该路径的一半是在300K,而另一半是在700K。[0037除了更精确的温度测量的优点以外，利用复用探测光束可以同时监测多个燃烧气体品种，从而允许更精确地控制燃烧过程。0038如上所述，在燃烧监测和控制中利用TDLAS的一个重要属性是能够测量炉膛或燃烧室12中的02浓度。许多炉膛设计包含吹洗气体源20，它有助于保持开孔14没有尘土。吹洗气体源20在炉膛工作时通常有恒定流动的气体，并在沿激光路径上包含相对于全部02的大量02。取决于在炉膛中的位置，吹洗空气在路径上可以包含全部02的30-60%，虽然这个百分比在给定的位置上是恒定的。由于在炉膛中仅有待测的02，必须精确地量化另外的(吹洗空气)02。[00391图1是以方框图形式说明激光首先传输通过开孔14并通过燃烧室12的路径。02在整个路径上有不同的浓度。在以下的公式中，L表示路径长度，T是温度和Xo2是氣的浓度。下标P和F分别表示吹洗和炉膛。Ai-F(Si,Xojj,Xo^,Et，Tp,T:p，Lf，Lp)(1)AaaF(Si,Xow,Xov,Ea,Tp,Tp,"，W(2)(M)40利用TDLAS设备可以测量吸收率Ai和A2,它们与吸收谦线强度S，炉膛中的02浓度Xo2，F，吹洗气体02的浓度Xo2，p，低态吸收谱线能量E，炉膛温度TV，吹洗气体温度Tp，炉膛路径长度LF22和吹洗路径长度LP24之间有已知的函数关系。吸收镨线强度和低态能量是已知的物理常数。可以利用人工方法测量路径长度22，24。根据其他的测量结果(具体是TDLAS监测两个或多个水的吸收语线)，可以确定燃烧室12中的温度。吹洗气体中的02浓度通常等于环境浓度21%，其中假设迫使外部空气通过开孔14作为吹洗气体。这留下两个未知数Xo2，f和Tp;它们分别是燃烧室12中的02浓度和吹洗空气的温度。[0041因此，通过测量在两个不同吸收镨线上的02，每个语线有不同的谱线强度和不同的低态能量，可以推导出涉及测量的吸收率和两个未知数的两个独立方程。Ai-F"Xov,Tp)(3)A2=F2(Xo2j,TP)(4)[00421通过测量吸收率A！和A2，可以求解有两个未知数X02，F和TP的两个(非线性)函数关系(3)和(4)。然后，利用非线性求解方法，例如，Newton-Raphson方法，可以构造和求解X02，F与Tp之间的关系。Newton-Raphson方法以及求解多个非线性函数关系的其他方法利用迭代过程以接近该函数的可能根。其结果是两条曲线，它们的相交点确定同时求解公式(3)和(4)的数值Xo2，f和Tp。[0043图3是>^式(3)和(4)的解的表示。图3说明在位于760nm02吸收光镨带头附近的两个不同02镨线上测量的吹洗空气温度与炉膛中02浓度的两条曲线。图2中表示的测量结果是在活性燃煤发电厂中完成的。图3中所示的相交点指出吹洗空气温度为400K和炉膛中02浓度为2.1%。[00441图3中的曲线是本发明的校准方法应用于测量装置的结果，其中燃烧装置是在稳定状态。本发明也特别适合于在动态工作条件下确定02的浓度。00451以上详细讨论的例子涉及在发电厂燃烧室装置中02的TDLA测量结果的校准。该校准方法是特别有用的，因为补充的02通常被引入通过吹洗气体源，从而使所需的测量变得复杂化。以上描述的方法可应用于任何的气体吸收光谦实施方案，其中探测激光传输通过包含待测气体的区域和包含补充气体的区域，而后者可以使光i普分析产生偏差。[0046虽然本发明的描述是参照多个实施例，但是专业人员应当理解，在不偏离本发明精神和范围的条件下，可以对此处公开的实施例的形式和细节作各种变化，且此处公开的实施例不是对权利要求书范围的限制。权利要求1.一种用于校准吸收光谱测量的方法，包括投射激光通过包含第一数量的待测气体和第二数量的光谱相同或类似气体的样本；在第一选取的吸收谱线上测量激光的第一光谱吸收；在第二选取的吸收谱线上测量激光的第二光谱吸收；确定第一测量的光谱吸收与两个未知变量之间的第一函数关系；确定第二测量的光谱吸收与两个未知变量之间的第二函数关系；和同时求解第一函数关系和第二函数关系以确定涉及第一数量的待测气体的信息。2.按照权利要求l的方法，还包括计算第一数量的待测气体内的平均温度；测量通过第一数量的待测气体的路径长度；测量通过第二数量的光镨相同或类似气体的路径长度；和确定第一数量的待测气体内相对于测量温度的第一函数关系和第二函数关系、通过第一数量的待测气体的测量路径长度、和通过第二数量光镨相同或类似气体的测量路径长度。3.按照权利要求2的方法，还包括确定相对于已知物理常数的第一函数关系和第二函数关系，该物理常数选自包含以下物理常数的组与第一选取的吸收镨线相关的第一选取的吸收镨线强度；与笫二选取的吸收镨线相关的第二选取的吸收镨线强度；与第一选取的吸收谦线相关的低能态；与第二选取的吸收镨线相关的低能态；和在第二数量光镨相同或类似气体内包含的待测气体的气体浓度。4.一种利用TDLAS确定燃烧室内02浓度的方法，其中至少一个激光器被定位以发射激光通过至少一个进入燃烧室的开孔并且其中包含吹洗气体流的02被加到该开孔上，该方法包括投射激光通过该开孔并通过该燃烧室；在第一选取的02吸收傳线上测量激光的第一光镨吸收；在第二选取的02吸收镨线上测量激光的第二光镨吸收；确定第一测量的光镨吸收与两个未知变量之间的第一函数关系；确定第二测量的光镨吸收与两个未知变量之间的第二函数关系；和同时求解第一函数关系和第二函数关系以确定燃烧室内的02浓度。5.按照权利要求4的确定燃烧室内02浓度的方法，其中两个未知变量是包含吹洗气体的02温度和燃烧室内的02浓度。6.按照权利要求4的方法，还包括计算燃烧室内的平均温度；测量通过燃烧室的路径长度；测量与开孔相关的吹洗路径长度；和确定燃烧室内相对于测量温度的第一函数关系和第二函数关系、通过燃烧室的测量路径长度、和测量的吹洗路径长度。7.按照权利要求6的方法，还包括确定相对于已知物理常数的第一函数关系和第二函数关系，该物理常数选自包含以下物理常数的組与第一选取的02吸收谱线相关的第一选取的02吸收谱线强度；与笫二选取的02吸收镨线相关的第二选取的02吸收镨线强度；与第一选取的02吸收镨线相关的低能态；与笫二选取的02吸收谦线相关的低能态；和包含吹洗气体流的02的02浓度。8.按照权利要求6的方法，还包括根据至少在两个H20吸收详线上测量的吸收光镨，计算燃烧室内的温度.9.按照权利要求4的方法，其中第一选取的02吸收镨线对应于波长为760.258nm的光吸收，而第二选取的吸收谱线对应于波长为.760.445nm的光吸收。10.—种用于确定燃烧室内02浓度的设备，包括至少一个进入燃烧室的开孔；可调谐二极管激光器，被定位以发射激光通过该开孔和该燃烧室；包含吹洗气体的02源，用于形成与开孔的气体流动；第一测量装置，用于测量激光在第一选取的02吸收镨线上的第一光镨吸收；第二测量装置，用于测量激光在第二选取的02吸收语线上的第二光镨吸收；第一确定装置，用于确定第一测量的光镨吸收与两个未知变量之间的第一函数关系，这两个未知变量是包含吹洗气体的02温度和在燃烧室内的02浓度；第二确定装置，用于确定第二测量的光镨吸收与两个未知变量之间的第二函数关系；和求解装置，用于同时求解第一函数关系和第二函数关系以确定燃烧室内的02浓度。全文摘要一种用于校准吸收光谱测量的方法，其中校准方法包括投射激光通过包含第一数量待测气体和第二数量光谱相同或类似气体(10)的样本。在特定的第一吸收谱线和第二吸收谱线上分别测量激光的第一光谱吸收和第二光谱吸收。确定第一测量的吸收谱线和第二测量的吸收谱线与两个未知变量之间的函数关系。然后，同时求解该函数关系以确定一个或两个未知变量，从而得到与第一数量待测气体有关的测量，校准第二不相干数量的气体。文档编号G01K1/08GK101287976SQ200680035794公开日2008年10月15日申请日期2006年10月4日优先权日2005年10月4日发明者詹姆斯·豪厄尔申请人:佐勒技术公司