[發(fā)明專利]用于以減小的壓力相關(guān)性檢測氣體濃度的方法和設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210133858.6
• 申請日: 2012-05-03
• 公開（公告）號: CN102768197B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A.威特曼;S.曼策內(nèi)德;R.普羅塔西奧;M.施圖德;T.黑斯勒
• 申請（專利權(quán)）人: 阿克塞特里斯股份公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 謝攀,王忠忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種減小示蹤氣體濃度測量與氣體的壓力變化和大氣壓改變的相關(guān)性（dependency）的方法，其可以適用于背景氣體中的目標示蹤氣體以及與目標氣體交叉干擾的其他氣體種類。本發(fā)明也涉及一種應(yīng)用所述方法的設(shè)備。

背景技術(shù)

工業(yè)和商業(yè)通常需要對示蹤氣體的精確測量，以確保這些示蹤氣體的濃度處于可接受的界限內(nèi)。對這些界限的符合進而可以用于驗證如下因素：所遞送的氣體是否滿足特定純度界限和/或這些氣體的排放是否符合環(huán)境規(guī)定。諸如過程控制、排放和環(huán)境監(jiān)控、安全性以及空氣調(diào)節(jié)之類的典型應(yīng)用需要精確的濃度測量。波長調(diào)制光譜（WMS）是一種增強氣體測量的靈敏度的方式，在測量較小濃度時尤其重要。例如，基于選擇性催化還原（SCR）的脫NO_x過程中的NH₃泄漏的監(jiān)控。在發(fā)電時，可以利用SCR來還原NO_x至多99%，其中，NH₃被注入廢氣中。該過程已經(jīng)設(shè)法進行對貨車和汽車柴油引擎的排放控制。在該應(yīng)用中，會發(fā)生氨泄漏。這需要1 ppm NH₃或更好的傳感器靈敏度，其是在廢氣中測量的。然而，氣體中的壓力變化影響諧波測量信號，從而導(dǎo)致濃度測量不準確。

在波長調(diào)制光譜（WMS）中，在特定波長范圍內(nèi)對激光源的波長進行調(diào)制，這允許覆蓋（一種或多種）目標氣體的吸收特征。在使用二極管激光器的情況下，通過改變激光電流來實現(xiàn)調(diào)制，從而進行對所發(fā)射的光的波長和強度調(diào)制。在氣體體積之后，光入射在檢測器上，并且鎖定（lock-in）放大器在基本調(diào)制頻率或更高諧波頻率處對電信號進行解調(diào)。以下描述集中于基本調(diào)制頻率f的二次諧波頻率2f，但類似地適用于其他諧波nf，其中n為整數(shù)倍數(shù)。

從經(jīng)解調(diào)的信號獲取濃度當量（concentration equivalent）值，作為例如經(jīng)解調(diào)的信號的峰高或峰谷高相對于波長的變化。為了與激光功率波動無關(guān)，可以利用檢測器的dc值來劃分經(jīng)解調(diào)的信號。對于該dc值，可以在鎖定檢測器之前對檢測器信號求平均，或者可以使用鎖定的dc分量。

為了提高信噪比，現(xiàn)有技術(shù)方案針對最大信號優(yōu)化了波長調(diào)制幅度。該最大信號是針對特定調(diào)制指數(shù)（modulation index）而達到的，該特定調(diào)制指數(shù)被定義為吸收線的半峰全寬（FWHM）的倍數(shù)。波長調(diào)制光譜（WMS）對調(diào)制指數(shù)的改變非常敏感。由于氣體的FWHM與壓力成反比，因此壓力的改變將導(dǎo)致調(diào)制指數(shù)的改變（通過工作于固定波長調(diào)制幅度處），從而導(dǎo)致所測量的氣體濃度不準確。

現(xiàn)有技術(shù)示出了用于或多或少精確地測量目標氣體的氣體濃度的多個設(shè)備和方法。關(guān)于改變的壓力條件下的精確測量，例如，專利文獻Xiang等人的WO 2008/112955A1公開了這種設(shè)備和方法。所述發(fā)明提出了一種用于在樣本氣體中檢測示蹤目標氣體的濃度的設(shè)備，其包括：光源（例如，可調(diào)諧二極管激光器），用于以與目標氣體的吸收線相對應(yīng)的波長發(fā)射光；以操作方式連接至所述光源的用于對所發(fā)射的光的波長進行調(diào)制的裝置；以及光檢測器，被定位以在光源的調(diào)制頻率的倍數(shù)處檢測從光源發(fā)射的已經(jīng)經(jīng)過樣本氣體的光的強度。此外，該設(shè)備包括用于檢測樣本氣體的壓力的壓力傳感器以及與檢測器、壓力傳感器和光源耦合的控制單元，所述控制單元被配置為基于所檢測的壓力來調(diào)整光源的調(diào)制幅度。對光檢測器信號的分析在例如調(diào)制頻率的二次諧波處進行。如所提出的那樣測量壓力和適配調(diào)制幅度可以補償測量信號的壓力相關(guān)性。然而，這需要使用壓力傳感器和壓力校準例程。

發(fā)明內(nèi)容

參照上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種改進的方法和增強的設(shè)備，用于在不對氣體的壓力變化或大氣壓改變進行補償?shù)那闆r下準確地測量目標氣體的濃度。

根據(jù)本發(fā)明，該目的由根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和根據(jù)權(quán)利要求10所述的應(yīng)用該方法的設(shè)備來解決。附加的有利實施方式在從屬權(quán)利要求中給出。

所建議的方法基于將激光的波長調(diào)制幅度優(yōu)化至最小壓力相關(guān)性。該設(shè)備適于根據(jù)所建議的方法來檢測目標氣體的濃度。

具體地，本發(fā)明的用于檢測目標氣體的濃度的方法包括以下步驟：