多成分用激光式氣體分析計的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及對空間內的各種測定對象氣體的有無、濃度進行分析的多成分用激光式氣體分析計。
【背景技術】
[0002]激光式氣體分析計例如在石油化工廠的加熱處理、火力發(fā)電等中用于對高溫燃燒氣體的燃燒狀態(tài)的監(jiān)控。燃燒狀態(tài)的參數(shù)通常是排氣成分中的02(氧氣)氣體濃度和CO( —氧化碳)氣體濃度。參照附圖對這點進行說明。圖5是表示燃燒器內的空氣過剩率與氣體濃度之間的關系的特性圖。此外，作為后述的專利文獻I的圖2而公開了該圖5。通過該特性圖可知以下的情況。
[0003](a)隨著空氣過剩率的增大、S卩氧氣的增多，燃燒所未使用的氧氣增加，02氣體濃度也會提高。進而剩余的氧氣對氮氣進行氧化，從而NOx氣體濃度也會提高。這樣，能通過監(jiān)視02氣體濃度來判定空氣過剩。
(b)相反地，隨著空氣過剩率減小、即氧氣減少，成為不完全燃燒，CO氣體濃度提高。進而，燃燒所未使用的燃料(烴類)增加，燃料的氣體濃度也會提高。這樣，能通過監(jiān)視CO濃度來判定空氣不足。
[0004]因此，通過對排氣中的02氣體濃度和CO氣體濃度進行監(jiān)視，來實現(xiàn)一邊維持完全燃燒狀態(tài)一邊使過剩空氣變得最小的最合適的燃燒控制。另外，實現(xiàn)能量損耗較小的高效的燃燒。除此以外，還會減輕作為環(huán)境污染物質的Nox氣體的排出。
[0005]接著，對排氣中的多成分氣體分析的現(xiàn)有技術進行說明。例如，已知專利文獻1、2所記載的發(fā)明、非專利文獻I所公開的技術。對各文獻的內容進行概括，并參照附圖來對這些現(xiàn)有技術進行說明。
[0006]作為現(xiàn)有技術I，已知有專利文獻I所記載的發(fā)明。圖6是包含使用了現(xiàn)有技術的激光的燃燒氣體分析裝置的燃燒系統(tǒng)的整體結構圖。燃燒系統(tǒng)100在圍欄/壁101內具有燃燒器102、103。將空氣及燃料提供給這些燃燒器102、103。來自燃燒器120、103的火焰104、105對管道106內的碳化氫進行加熱。
[0007]燃燒氣體分析裝置具有包含可調諧二極管激光器(以下表述為TDL)107、109及檢測器108、110的兩組TDL分析系統(tǒng)。這兩組TDL分析系統(tǒng)對一氧化碳(CO)、氣相的水(H2O)以及氣相的碳化氫(例如包含甲烷(CH4))進行測定。另外，燃燒氣體分析裝置包含氧化鋯傳感器111、112。氧化鋯傳感器111、112對氧氣(O2)進行測定。
[0008]利用光學性測定即TDL分光來進行該氣體分析。在TDL分光中，在與⑶、H2O及碳化氫(CH4等)有關的各個吸收峰值的波長下對激光進行吸收。所吸收的光的量用通過其它方式進行檢測、測定的氣體濃度、壓力、溫度及光學性路徑長度的函數(shù)來表示。按照以下(I)?
(4)的順序來進行該氣體分析。
[0009](I)單體的可調諧二極管激光器照射出波長被調節(jié)至2.0?2.5μπι的范圍內的光。該光通過燃燒氣體而射入至光檢測器。光檢測器生成燃燒氣體的吸收分布。 (2)將燃燒氣體的吸收分布進行數(shù)字化。
(3)數(shù)字計算機對數(shù)字化后的吸收分布進行保存。
(4)數(shù)字計算機對數(shù)字化后的吸收分布進行處理，從而對燃燒氣體中的OKH2O及碳化氫(CH4等)的濃度進行測定。
[0010]這里，由于能同時對OKH2O及碳化氫(CH4等)進行測定，因此，從以下多個候選項中選擇波長。
當燃燒氣體的溫度約為1100°c時，能從2302.I ； 2303.9 ； 2319.1 ； 2323.6 ； 2325.2 ；2326.8; 2331.9; 2333.7 ； 2335.5 ； 2342.8 ； 2346.8 ； 2348.2 ； 2356.I ； 2363.I ；及2373.I這些特定的波長(納米)中進行選擇。
[0011]另外，當燃燒氣體的溫度約為300°C時，能從2307.8 ； 2320.6 ； 2323.6 ； 2331.9 ；2339.3 ； 2353.9 ； 2360.8 ； 2368.0 ； 2373.I ； 2389.3 ；及2401.0這些特定的波長(納米)中進行選擇。
[0012]最佳的波長選擇依賴于用途，通過適度的實驗來決定。在該測定時，采用多變量模型，該多變量模型利用在多個波長下的測定結果。該燃燒氣體分析裝置利用多個波長來進行激光氣體分析，利用多變量模型來計算出燃燒氣體中的一氧化碳、氣相的水及氣相的碳化氫的氣體濃度。此外，氧化鋯傳感器對氧氣的氣體濃度進行測定。即，對燃燒氣體中的CO氣體濃度和O2氣體濃度進行測定。專利文獻I所記載的發(fā)明如上所述。
[0013]另外，作為現(xiàn)有技術2，已知有專利文獻2所記載的發(fā)明。引用以下文獻的內容并進行概括，以對本發(fā)明進行說明。圖7是使用了現(xiàn)有技術的激光的氣體濃度測量裝置的整體結構圖。該氣體濃度測量裝置使用兩個激光二極管來對兩種氣體濃度進行測量。
[0014]激光的光源由第一激光二極管(LD1WOl和第二激光二極管(LD2)202構成。第一激光二極管201與LDi電流驅動電路203、204相連接，并對溫度和電流進行控制。第二激光二極管202與LD2電流驅動電路205、206相連接，并對溫度和電流進行控制。
[0015]LD1電流驅動電路203上經由加法器207而分別施加有第一直流電流208、諧波209、調諧信號210、211、分時單元212的脈沖信號212a以及波長鎖定信號213。另外，LD2電流驅動電路205上經由加法器214而分別施加有第二直流電流215、諧波209、調諧信號210、211、分時單元212的脈沖信號212a以及波長鎖定信號213。
[0016]第一激光二極管201與第二激光二極管202交替起振。第一激光二極管201利用所施加的電流(第一直流電流208、脈沖信號212a相加后的電流)，在第一氣體成分的吸收波長A1下起振。另外，第二激光二極管202利用所施加的電流(第二直流電流215與脈沖信號212a相加后的電流)，在第二氣體成分的吸收波長入2下起振。
[0017]如此，利用合波器216對來自第一激光二極管201的起振激光和來自第二激光二極管202的起振激光交替地進行合流，并使其通過光纖的激光光路而射入至分波器217。從分波器217照射出的激光光束經由一個透鏡(準直器)218而通過氣體流通區(qū)域，并輸出至另一個透鏡(聚焦透鏡)219。
[0018]通過氣體流通區(qū)域后的激光被配置于另一個透鏡219附近的受光單元220的光電二極管(PD)所接受。基于被受光單元220所接受的氣體吸收信號，利用后級的解調處理單元221、標準信號處理單元222、AD轉換器223及計算機224，來計算出兩種氣體濃度。
[0019]圖8中示出了來自第一激光二極管201的波長&的起振及來自第二激光二極管202的波長λ2的起振的概要。成為波長A1起振的期間與波長λ2起振的期間交替出現(xiàn)的激光。能根據波長λ I起振的時間內的氣體的吸收信號來測量出第一氣體的氣體濃度，并根據波長λ2起振的時間內的氣體的吸收信號來測量出第二氣體的氣體濃度。
[0020]此外，時間分割(△t)的定時與所取出的氣體信號之間的對應，在計算機224中自動進行計算。由此，能簡單且可靠地計算出多種氣體濃度。
如此，即使第一、第二激光光束通過相同的光軸，也能以分時方式交替地向受光單元220照射各個激光，因此，容易取出與各個氣體相對應的信號。
[0021]這樣的現(xiàn)有技術的氣體濃度測量裝置以鍋爐、垃圾焚燒爐、燃燒機關的燃燒室等密閉容器內所產生的氣體、或從該密閉容器向外部排出的氣體作為檢測對象。在現(xiàn)有技術中，第一、第二氣體成分氣體以NH3氣體和H2O氣體為對象，但能通過波長的變更來對O2濃度和CO濃度來進行檢測。這樣的氣體濃度測量裝置利用激光來對這些氣體進行測定，從而能高效地對多種氣體濃度進行測量。專利文獻2所記載的發(fā)明如上所述。
[0022]另外，作為現(xiàn)有技術3有非專利文獻I所記載的發(fā)現(xiàn)。該發(fā)現(xiàn)是關于在對CO進行氣體分析時水分的影響的發(fā)現(xiàn)。引用非專利文獻I的記載一邊進行概括一邊對該發(fā)現(xiàn)進行說明。
[0023]在該非專利文獻I中對利用假設燃燒氣體中的CO氣體濃度的波長可變半導體激光分光法(以下記為TDLAS)而做出的分析進行了記載。另外，對提高檢測靈敏度的波長調諧分光法(以下記為WMS)進行了記載。
[0024]在圖9的表示高溫、高濃度的水分氣體和CO氣體的吸收頻譜的特性圖中使用了被稱為R( 10)、R( 11)的CO氣體的吸收譜線。R( 10)、R( 11)是位于波長2.3微米頻帶的吸收譜線。R( 10)在波數(shù)4297.7cm—1 (波長2326.8nm)處具有吸收強度的峰值，R( 11)在波數(shù)4300.7cm"1(波長2325.2nm)處具有吸收強度的峰值。
[0025]在該圖9中，還示出了包含R(10)、R(11)的波長區(qū)域中的CO氣體、水分的吸收頻譜。在R(1)、R(11)的波長周邊具有水分的吸收強度，因此，在高溫、高濃度的水分環(huán)境下的CO濃度測定伴隨著水分干擾。即使如此，在R(10)、R(11)的波長下水分的吸收也較小。一邊利用這些R( 10)或R(11)的吸收譜線來抑制水分的影響，一邊檢測CO氣體的吸收。主要由水分干擾來決定CO氣體濃度的測定精度。
非專利文獻I所記載的發(fā)明如上所述。
現(xiàn)有技術文獻專利文獻
[0026]專利文獻1:日本專利特表2010-519544號公報(發(fā)明名稱“燃燒氣體分析”)
專利文獻2:日本專利特開2