本發(fā)明涉及一種過程氣體分析器。

本發(fā)明還涉及一種對過程氣體進(jìn)行分析的方法。

背景技術(shù)：

這種類型的過程氣體分析器以及這種類型的方法例如從US2012/0236323A1中已知。

在依據(jù)透射光方法工作的氣體分析器中，光源的光通過待分析的氣體引導(dǎo)并隨后進(jìn)行檢測。光能夠選擇波長地產(chǎn)生并且寬頻帶地進(jìn)行檢測(例如激光光譜儀)，或者其能夠?qū)掝l帶地產(chǎn)生并且選擇波長地進(jìn)行檢測(例如非分散紅外線(NDIR)氣體分析器)。在現(xiàn)場的過程氣體分析器中，如其從US2012/0236323A1中、從DE102013213730A1或從EP1693665Al中已知的那樣，光源和檢測器通常安置在不同的測量頭中，其在過程法蘭(Prozessflansche)處安裝在包含或引導(dǎo)待測過程氣體的設(shè)備部件(例如廢氣管道、容器、壁爐)的彼此在直徑上相對布置的側(cè)上。為了使光源和檢測器不與常常有侵蝕性的、熱的并且含有灰塵的過程氣體接觸，其布置在窗體后方。窗體閉合沖洗管道的一端，其與其另外的開放的端部進(jìn)入引導(dǎo)氣體的設(shè)備部件中并且由沖洗氣體進(jìn)行洗滌。沖洗氣體如下地選擇，即其對于相應(yīng)的待測量的氣體成分沒有交叉氣體的影響(Quergaseinfluss)，也就是說，其光譜的吸收線位于用于測量的、過程氣體的吸收線之外。沖洗氣體從彼此相對設(shè)置的沖洗管道的開放的端部排出，從而通過兩個沖洗管道的開放的端部的間距來確定用于過程氣體的吸收測量的測量距離。

沖洗氣體的流量越高，越有效地實現(xiàn)的是，使窗體免于來自過程氣體污染。在此，沖洗速度根據(jù)應(yīng)用情況在每分鐘幾升到每分鐘幾百升的范圍內(nèi)變化。然而在使用瓶裝氣體時，高的沖洗氣體消耗與相應(yīng)的高成本相聯(lián)系。因此，例如對于氧氣的測量而言，常常將氮氣作為沖洗氣體使用。在環(huán)境氣體合適作為沖洗氣體的情況下，改變的濕度含量可以導(dǎo)致帶有待測量的氣體成分的交叉影響。

因為氣體分析基于的是待測量的氣體成分的特定的光吸收，并且該吸收取決于氣體成分的濃度與吸收距離的乘積或者在小的濃度時近似與其成比例，因此該測量由流入在彼此相對放置的沖洗管道之間的測量路段的、并在該處部分地排擠過程氣體并與其混合的沖洗氣體進(jìn)行干擾。此外，流入的沖洗氣體能夠改變比如是過程氣體的壓力、流動和溫度的參數(shù)，其影響光吸收。這在結(jié)果中導(dǎo)致的是，在待測量的過程氣體中的有效的吸收距離(測量距離)與兩個沖洗管道的開放端部的間距并不一致，而是能夠在未知的范圍內(nèi)與其偏差并且改變。

迄今為止，通過沖洗引起的測量誤差如下地進(jìn)行減小，即對于恒定的過程狀況確定用于可能的濃度影響的偏移量和/或用于有效的測量距離的改變的、沖洗氣體的修正系數(shù)。這僅僅在過程和沖洗條件(沖洗氣體濃度、壓力、溫度、體積流量)是恒定的時才有效。

在由開頭所述的US2012/0236323A1已知的過程氣體分析器中，沖洗管道借助于可開關(guān)的閥門短時間地與沖洗氣體供給線路隔開，并且接下來通過如下方式由過程氣體完全填滿，即借助于泵或鼓風(fēng)機替代沖洗氣體地將過程氣體導(dǎo)入到?jīng)_洗管道中或在沖洗管道中抽出存在的沖洗氣體并且由旁流的過程氣體代替。如下地確定與用于測定待測量氣體成分的濃度相關(guān)的、有效的吸收距離(測量距離)，即在光源和檢測器之間的已知的距離與在一次利用沖洗氣體、另一次利用過程氣體填充沖洗管道時相應(yīng)檢測到的吸收的比例相乘。該吸收通過沖洗氣體對測量的影響在此不被考慮。過程氣體與保護(hù)光源和窗體的檢測器接觸。利用過程氣體填充沖洗管道的過程和接下來利用沖洗氣體再次填充的過程能夠根據(jù)需要再次進(jìn)行，然而每次都會中斷進(jìn)行中的測量。

從EP 1 693 665 Al中已知的是，吸收通過沖洗氣體對過程氣體的分析的影響如下地進(jìn)行補償，即沖洗氣體在流過沖洗管道之后從該沖洗管道中導(dǎo)出，并且在分離的測量管道中進(jìn)行分析。沖洗氣體分析的結(jié)果由過程氣體分析的結(jié)果減去。對于分離的測量管道來說，用于分析過程氣體而產(chǎn)生的光的一部分被分路，并且在由聚集的沖洗氣體流過的器皿透射之后分開地進(jìn)行檢測。因此結(jié)構(gòu)上的費用相應(yīng)地很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在此，本發(fā)明的目的在于，也在不同的和改變的過程條件中實現(xiàn)對通過沖洗引起的測量誤差的廣泛的補償，并且在沖洗氣體的選擇中允許更大的自由度，其在運行氣體分析器時導(dǎo)致成本節(jié)省。

根據(jù)本發(fā)明，該目的通過在本發(fā)明中限定的過程氣體分析器和在本發(fā)明中提供的方法實現(xiàn)。

本發(fā)明提出一種用于對引導(dǎo)進(jìn)入設(shè)備部件的過程氣體進(jìn)行分析的過程氣體分析器，該過程氣體分析器具有光源，該光源的光在透射了過程氣體之后由檢測器進(jìn)行檢測，并且在布置在后方的評估裝置中對于在過程氣體中的吸收進(jìn)行評估以得出分析結(jié)果，并且具有沖洗裝置，該沖洗裝置在光源和設(shè)備部件之間、以及在檢測器和設(shè)備部件之間分別具有朝向設(shè)備部件的內(nèi)部開放的、并且由沖洗氣體洗滌的腔體，其中，沖洗裝置具有用于對沖洗氣體的體積流量進(jìn)行周期性地調(diào)制的器件，并且評估裝置設(shè)計用于，根據(jù)通過調(diào)制引起的、檢測到的吸收的變化來確定沖洗氣體對分析結(jié)果的影響，并且將該影響從分析結(jié)果中移除。

本發(fā)明還提出一種用于對引導(dǎo)進(jìn)入設(shè)備部件的過程氣體進(jìn)行分析的方法，其中，光源的光在透射了過程氣體之后借助于檢測器進(jìn)行檢測，并且在布置在后方的評估裝置中對于在過程氣體中的吸收進(jìn)行評估以得出分析結(jié)果，并且其中，由沖洗氣體洗滌在光源和設(shè)備部件之間以及在檢測器和設(shè)備部件之間存在的、并且朝向設(shè)備部件的內(nèi)部開放的腔體，其中，沖洗氣體的體積流量被周期性地調(diào)制，并且根據(jù)通過調(diào)制引起的、檢測到的吸收的變化來確定沖洗氣體對分析結(jié)果的影響，并且將該影響從分析結(jié)果中移除。

本發(fā)明因此提出，沖洗氣體的體積流量在運行的測量期間或分析期間周期性地進(jìn)行調(diào)制，在此無需將沖洗管道與沖洗氣體供給線路分離或者甚至利用過程氣體填充，如其從US 2012/0236323 A1中已知的那樣。也就是說，不中斷地保持對窗體或其他光學(xué)部件防止來自過程氣體的污染的保護(hù)。體積流量能夠一步步地、例如長方形或鋸齒狀、或持續(xù)地、例如正弦或三角形地進(jìn)行改變。依據(jù)通過調(diào)制引起的、即利用與其關(guān)聯(lián)的、檢測到的吸收的變化來確定沖洗氣體對分析結(jié)果的影響并從中移除該影響。在體積流量的逐步的變化中，在每步中對檢測到的吸收的變化進(jìn)行測定和評估。在體積流量連續(xù)的變化中，從中產(chǎn)生的、檢測到的吸收的變化優(yōu)選可選擇頻率地在調(diào)制頻率和/或調(diào)制的諧波中進(jìn)行測定和評估，例如在使用鎖定算法時。

沖洗氣體的體積流量的調(diào)制能夠以簡單的方法、為了輸送沖洗氣體而借助于能改變轉(zhuǎn)速的鼓風(fēng)機或借助于在沖洗氣體供給線路中的能控制的調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)。替選地，能夠在沖洗氣體供給線路運行時設(shè)置能通過控制而改變的緩沖體積，例如活塞汽缸單元。

附圖說明

為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明，接下來參考附圖中的圖。其示出

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的過程氣體分析器的實施例，

圖2示出來自圖1的、用于調(diào)制沖洗氣體的體積流量的、具有能改變的緩沖體積的局部圖，并且

圖3示出用于校準(zhǔn)根據(jù)本發(fā)明的過程氣體分析器的實例。

具體實施方式

圖1在示意圖中示出了設(shè)備部件1，例如排氣管道，待分析的過程氣體2通過該排氣管道流動。設(shè)備部件1在兩個直徑上相對放置的位置處具有過程法蘭3，4，在該處安裝有過程氣體分析器的兩個基本上同樣構(gòu)造的測量頭5，6。兩個測量頭5，6分別包括光電的元件7，8，其在一種情況下是光源7，例如是激光二極管，并且在另一種情況下是檢測器8，例如是光電檢測器。由光源7產(chǎn)生的光9通過具有導(dǎo)入的過程氣體2的設(shè)備部件1進(jìn)行引導(dǎo)，并且接下來接觸到檢測器8。光電元件7，8通過在此沒有示出的窗體與設(shè)備部件1的內(nèi)部并且由此與過程氣體2分開，其中，在窗體和設(shè)備部件1的內(nèi)部之間設(shè)有兩個沖洗管道10，11，其在一個端部處利用相應(yīng)的窗體關(guān)閉，并且利用其另一個開放的端部進(jìn)入設(shè)備部件1的內(nèi)部。沖洗管道10，11由沖洗氣體12進(jìn)行洗滌，光9通過該沖洗管道延伸，沖洗氣體由鼓風(fēng)機13輸送并且經(jīng)由沖洗氣體供給線路14，15在窗體附近分別導(dǎo)入到?jīng)_洗管道10，11中，并且在其開放的端部處離開。在共同的沖洗氣體供給線路中布置有能控制的調(diào)節(jié)閥16和流量計17。替選地，在兩個沖洗氣體供給線路14，15的每一個中相應(yīng)地存在能控制的調(diào)節(jié)閥和流量計。對于兩個沖洗氣體供給線路14，15的每一個而言，也能夠分別設(shè)有各自的鼓風(fēng)機。

圖2示出了另外的實例，其中在沖洗氣體供給線路的運行中，在鼓風(fēng)機13后方存在能通過控制而改變的緩沖體積19，其在此是活塞汽缸單元。通過緩沖體積的周期性的變化，沖洗氣體12的體積流量被朝向沖洗管道10，11地調(diào)制。

返回到圖1，評估裝置18布置在檢測器8的后方，其對在過程氣體2中的光9的波長特定的吸收進(jìn)行評估以得出分析結(jié)果20。典型地，氣體分析器是激光光譜儀，在其中，例如像從DE 10 2012 223 874 B3中已知的那樣，產(chǎn)生的光9的波長與待檢測的過程氣體2的氣體成分的特定的吸收線相協(xié)調(diào)，并且在此吸收線周期性地取決于波長地進(jìn)行掃描。在吸收線的相對慢的掃描期間，能夠附加地正弦形地調(diào)制具有高頻率和小振幅的光的波長。由檢測器8產(chǎn)生的測量信號21直接地或者在解調(diào)后在調(diào)制頻率的n次諧波中進(jìn)行評估。該評估例如通過理想的吸收線的或者其對(必要時解調(diào)的)測量信號的運行的n次導(dǎo)數(shù)的洛倫茨外形(Lorentz-Profil)的適配來實現(xiàn)。最后，從在此獲得的測量結(jié)果中確定待測量的氣體成分的濃度作為分析結(jié)果20。

如接下來在實例中詳細(xì)闡述的那樣，為了最小化沖洗氣體12對分析結(jié)果20的影響，沖洗氣體12的體積流量借助于調(diào)節(jié)閥16或替代地借助于鼓風(fēng)機13進(jìn)行調(diào)制。該調(diào)制通過評估裝置18控制，其依據(jù)測量到的流量將調(diào)制度調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)的百分比的值。

從光源7到檢測器8的路徑上的光9的取決于波長的強度減小通過朗伯-比爾定律(Lambert-Beersche Gesetz)描述為：

I＝I₀·exp(-σ_MG·l_MG·c_MG-σ_SG·l_SG·c_SG)。

在此，在待測量的氣體成分(測量氣體)的感興趣的吸收線的位置(波長)處：

I是檢測到的光強度，

I₀是從光源7射出的光的輸出強度，

σ_MG是測量氣體的吸收系數(shù)，

l_MG是在過程氣體中的測量距離，

c_MG是測量氣體的濃度，

σ_SG是沖洗氣體的吸收系數(shù)，

l_SG是由沖洗氣體洗滌的吸收距離，并且

c_SG是沖洗氣體的濃度。

借助于共同的吸收距離l₀＝l_MG+l_SG得到：

I＝I₀·exp(-σ_MG·(l₀-l_SG)·c_MG-σ_SG·l_SG·c_SG)。

在沖洗氣體流量的正弦形的調(diào)制中，改變由沖洗氣體洗滌的吸收距離l_SG根據(jù)：

l_SG＝l_SG0·(1+M·sin 2πft)，

其中M(0<M<1)是標(biāo)準(zhǔn)的振幅并且f是調(diào)制的頻率。

相應(yīng)地，對于檢測到的光強度得出：

I＝I₀·exp(-σ_MG·l₀·c_MG+(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0

+(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0·M·sin 2πft)。

為了簡化計算，接下來在自然對數(shù)的基礎(chǔ)上使用消光或吸光度：

檢測的消光E除了直流部分外還具有帶有振幅AF的交流部分：

AF＝(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0·M。

因此，該用于檢測的消光E的等式如下地改寫：

$E={\mathrm{\&sigma;}}_{MG}\&CenterDot;l_0\&CenterDot;c_{MG}-\frac{AF}{M}-AF\&CenterDot;\sin 2\mathrm{\&pi;}ft.$

檢測的消光E因此由不受沖洗氣體影響的第一直流部分σ_MG·l₀·c_MG、受沖洗氣體影響的第二直流部分AF/M和具有振幅AF的交流部分組成。

如果沖洗氣體12的體積流量以預(yù)設(shè)的小的百分比、例如以10％改變，則利用足夠的近似，由沖洗氣體洗滌的吸收距離l_SG也以相同的百分比改變，也就是說，標(biāo)準(zhǔn)的振幅M具有值0.1。因為交流部分的振幅AF能夠通過消光E的評估在調(diào)制頻率f中直接測定，上述第二直流部分AF/M也是已知的，在此AF/M＝AF/0.1＝10·AF。最終，測量氣體的共同吸收距離l₀和吸收系數(shù)σ_MG也是已知的參量，從而使得測量氣體的濃度c_MG能夠不受沖洗氣體12影響地從檢測的消光E或檢測的光強度I中確定。

在沖洗氣體12的體積流量的更大的變化中，由沖洗氣體洗滌的吸收距離l_SG不是線性的，即，不是以相同的百分比改變。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)的振幅M在唯一的校準(zhǔn)的范疇中取決于沖洗氣體12的體積流量的不同程度的改變地進(jìn)行測定，由沖洗氣體洗滌的吸收距離l_SG利用該振幅M進(jìn)行改變。如圖3所示，能夠為了該種目的在恒定的過程條件下對于沖洗氣體流量的不同標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制振幅MVS_SG、在此例如MVS_SG＝10％，20％，...50％，測定檢測的消光E的交流部分AF的對應(yīng)的振幅值A(chǔ)F_10％，AF_20％，...AF_50％。現(xiàn)在M能夠簡單地利用

$M=\frac{AF\&CenterDot;x}{{\mathrm{AF}}_x}$

來測定，其中x表示盡可能小的相對的調(diào)制振幅，從而適用于：MVS_SG＝M＝x。利用x＝10％，例如在具有MVS_SG＝50％的沖洗氣體流量的調(diào)制中，得出由沖洗氣體洗滌的吸收距離l_SG的產(chǎn)生的調(diào)制M利用：

$M=\frac{{\mathrm{AF}}_{50\%}\&CenterDot;0.1}{{\mathrm{AF}}_{10\%}}.$

在描述的校準(zhǔn)之后，根據(jù)本發(fā)明的方法能夠利用沖洗氣體12的體積流量的任意的調(diào)制來實施，即使M和MVS_SG之間的關(guān)聯(lián)不是線性的。因為沖洗管道10，11沒有與沖洗氣體供給線路分離，因此在100％的調(diào)制中本身確保的是，在沖洗管道10，11中一直存在用于保護(hù)窗體或其他光學(xué)部件的沖洗氣體12。

自身改變的過程條件如在設(shè)備部件1中的過程氣體2的壓力、溫度或體積流量雖然影響由沖洗氣體12洗滌的吸收距離l_SG，然而通過根據(jù)本發(fā)明的方法廣泛地進(jìn)行補償。當(dāng)例如在設(shè)備部件1中的壓力提高，由沖洗氣體洗滌的吸收距離l_SG減小，其中在第一近似中，l_SG的取決于調(diào)制的改變以相同的程度一起改變，并且因此M保持恒定。

如已經(jīng)闡述的，沖洗氣體12的體積流量能夠以幾乎任意方式調(diào)制，以便接下來依據(jù)通過調(diào)制引起的、檢測到的吸收的變化來確定沖洗氣體12對分析結(jié)果20的影響并且從中計算得出。例如沖洗氣體12的體積流量的矩形的調(diào)制引起的是，由沖洗氣體12洗滌的吸收距離l_SG周期性地在值l_SG1＝l_SG0和l_SG2＝l_SG0·(1+M)之間交替。相應(yīng)地對于檢測的消光E而言，在每個調(diào)制周期內(nèi)得到兩個值E1和E2：

E1＝σ_MG·l₀·c_MG-(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0

和

E2＝σ_MG·l₀·c_MG-(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0

-(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0·M。

從值E1和E2的差值能夠確定AF：

E1-E2＝AF＝(σ_MG·c_MG-σ_SG·c_SG)·l_SG0·M。

因此對于值E1適用于：

$E1={\mathrm{\&sigma;}}_{MG}\&CenterDot;l_0\&CenterDot;c_{MG}-\frac{AF}{M}$

并且最后對于測量氣體的濃度c_MG適用于：

$c_{MG}=\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{MG}\&CenterDot;l_0}\&CenterDot;(E1+\frac{AF}{M})=\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{MG}\&CenterDot;l_0}\&CenterDot;(E1+\frac{E1-E2}{M}).$

如在上面已經(jīng)闡述，在沖洗氣體12的體積流量的小的調(diào)制中例如改變10％，由沖洗氣體12洗滌的吸收距離l_SG以相同的百分比改變，即，M＝0.1。在該情況下對于測量氣體的濃度c_MG得到：

$c_{MG}=\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{MG}\&CenterDot;l_0}\&CenterDot;(11\&CenterDot;E1-10\&CenterDot;E2).$