[发明专利]用于以减小的压力相关性检测气体浓度的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种减小示踪气体浓度测量与气体的压力变化和大气压改变的相关性（dependency）的方法，其可以适用于背景气体中的目标示踪气体以及与目标气体交叉干扰的其他气体种类。本发明也涉及一种应用所述方法的设备。

背景技术

工业和商业通常需要对示踪气体的精确测量，以确保这些示踪气体的浓度处于可接受的界限内。对这些界限的符合进而可以用于验证如下因素：所递送的气体是否满足特定纯度界限和/或这些气体的排放是否符合环境规定。诸如过程控制、排放和环境监控、安全性以及空气调节之类的典型应用需要精确的浓度测量。波长调制光谱（WMS）是一种增强气体测量的灵敏度的方式，在测量较小浓度时尤其重要。例如，基于选择性催化还原（SCR）的脱NO_x过程中的NH₃泄漏的监控。在发电时，可以利用SCR来还原NO_x至多99%，其中，NH₃被注入废气中。该过程已经设法进行对货车和汽车柴油引擎的排放控制。在该应用中，会发生氨泄漏。这需要1 ppm NH₃或更好的传感器灵敏度，其是在废气中测量的。然而，气体中的压力变化影响谐波测量信号，从而导致浓度测量不准确。

在波长调制光谱（WMS）中，在特定波长范围内对激光源的波长进行调制，这允许覆盖（一种或多种）目标气体的吸收特征。在使用二极管激光器的情况下，通过改变激光电流来实现调制，从而进行对所发射的光的波长和强度调制。在气体体积之后，光入射在检测器上，并且锁定（lock-in）放大器在基本调制频率或更高谐波频率处对电信号进行解调。以下描述集中于基本调制频率f的二次谐波频率2f，但类似地适用于其他谐波nf，其中n为整数倍数。

从经解调的信号获取浓度当量（concentration equivalent）值，作为例如经解调的信号的峰高或峰谷高相对于波长的变化。为了与激光功率波动无关，可以利用检测器的dc值来划分经解调的信号。对于该dc值，可以在锁定检测器之前对检测器信号求平均，或者可以使用锁定的dc分量。

为了提高信噪比，现有技术方案针对最大信号优化了波长调制幅度。该最大信号是针对特定调制指数（modulation index）而达到的，该特定调制指数被定义为吸收线的半峰全宽（FWHM）的倍数。波长调制光谱（WMS）对调制指数的改变非常敏感。由于气体的FWHM与压力成反比，因此压力的改变将导致调制指数的改变（通过工作于固定波长调制幅度处），从而导致所测量的气体浓度不准确。

现有技术示出了用于或多或少精确地测量目标气体的气体浓度的多个设备和方法。关于改变的压力条件下的精确测量，例如，专利文献Xiang等人的WO 2008/112955A1公开了这种设备和方法。所述发明提出了一种用于在样本气体中检测示踪目标气体的浓度的设备，其包括：光源（例如，可调谐二极管激光器），用于以与目标气体的吸收线相对应的波长发射光；以操作方式连接至所述光源的用于对所发射的光的波长进行调制的装置；以及光检测器，被定位以在光源的调制频率的倍数处检测从光源发射的已经经过样本气体的光的强度。此外，该设备包括用于检测样本气体的压力的压力传感器以及与检测器、压力传感器和光源耦合的控制单元，所述控制单元被配置为基于所检测的压力来调整光源的调制幅度。对光检测器信号的分析在例如调制频率的二次谐波处进行。如所提出的那样测量压力和适配调制幅度可以补偿测量信号的压力相关性。然而，这需要使用压力传感器和压力校准例程。

发明内容

参照上述现有技术，本发明的目的是提供一种改进的方法和增强的设备，用于在不对气体的压力变化或大气压改变进行补偿的情况下准确地测量目标气体的浓度。

根据本发明，该目的由根据权利要求1所述的方法和根据权利要求10所述的应用该方法的设备来解决。附加的有利实施方式在从属权利要求中给出。

所建议的方法基于将激光的波长调制幅度优化至最小压力相关性。该设备适于根据所建议的方法来检测目标气体的浓度。

具体地，本发明的用于检测目标气体的浓度的方法包括以下步骤：