[发明专利]借助激光的气体分析

说明书

技术领域

本发明涉及在热气氛中的气体浓度分析的领域，该热气氛为例如熔炉的尤其玻璃熔炉的热气氛。

背景技术

由玻璃熔炉的每个燃烧器所产生的燃烧气体（CO, NO, NO₂……）的浓度的测量通常通过萃取技术实现。根据此技术，空气按时地由冷却高温计通过穿过壁或在蓄热器室后部中的管道吸出。此空气随后被过滤、干燥并由电化感应器分析。该气体浓度的测量可随后用于调节燃烧。由于在高温计中的水蒸气冷却和凝结问题，该萃取测量仅能够在受限的时间期间执行。这阻碍了燃烧气体的连续测量且因此阻碍了在熔炉中对燃烧的有效和连续的控制。

作为用于热气体测量的此萃取技术的备选解决方案，当前有在感兴趣的分子物类的吸收线附近使用一个或更多发射激光的想法。特别是对于在玻璃熔炉的那些典型温度下（通常高于1200℃）测量NO, NO₂, CO或其他气态物类，提议用一种特定类型的半导体激光器，被称为量子级联激光器，其在中红外区光谱范围中（3μm至24μm）发射。为实现测量，光束被传送通过包含待分析的热气氛的壳体的壁（尤其熔炉或烟导管的壁）以便穿过此气氛。术语“壳体”应在广义上理解，指待分析气氛的任何容器。例如，此壳体可以是将燃烧的烟传送至熔炉外部的导管，换言之例如在熔炉与蓄热器之间进行连接且交替充当至燃烧器的空气引导导管和烟的收集导管的导管。一旦已知吸收长度、温度和压力，即从对于每个波长的透射测量获得（兰玻－比尔定律）感兴趣的分子物类的浓度。对于“壁”，应在广义上被理解为任何壁，即壳体的任何物理边界（包括熔炉的顶部），假设激光光线可以经过壳体的热气氛而此光束不遇到过于强烈地吸收它的阻碍。优选地，激光光线通过根据本发明的窗口进入且又使其通过根据本发明的窗口离开，激光在这两个窗口之间仅遭遇壳体的热气氛，如果激光穿过玻璃熔炉，则激光穿过玻璃上方的气态气氛。此气氛可包含细小的微粒。

根据本发明的激光解决方案允许在其上安装了它的设备的正常运行期间连续地测量。特别地，根据本发明的装置可装备玻璃熔炉且在熔炉正常运行期间连续地测量热气氛中的气态物类的浓度。特别地，此熔炉可连续运行。激光辐射不一定在要监控系统（例如像熔炉）的运行期间连续地存在。实际上，气体浓度的变化是足够缓慢的，为此间隔一秒或几秒的测量对于评估气体浓度的变化来说是充分足够的。这样的测量由脉冲激光执行。

特别地，根据本发明的装置可应用于分析任何类型的玻璃熔炉的气氛，例如带有架空燃烧器或浸没燃烧器的熔融熔炉；具有回路的熔炉；具有横向燃烧器的熔炉，该熔炉可能配备蓄热器或换热器；和玻璃成型熔炉，例如用于形成平板玻璃的浮法玻璃熔炉。

一般而言，这致使具有置于包含待分析气体的壳体的壁中的两个窗口，用于一个或更多激光光线的射入和输出。在中红外区中工作对窗口的设计强加了制约。特别地，这致使窗口在这些波长上是足够透明的且其承受气态气氛的高温。具有非常低热膨胀的材料例如熔融石英不构成理想的材料，因为它在这些波长上不是非常透明。

US 3 154 821教导了一种用于检测熔炉内部的装置，其包括窗口，该窗口包含两片平行的玻璃板，水流过它们的中间间隙。作为现有技术的其他文档，可引用JP 3274385 (A),、JP 8014522 (A)、US 2004156420和US 7 283 243。US 5 984 998教导了一种壳体中的燃烧气体的分析装置，其涉及激光光线，该装置距壳体一定距离且由热防护板保护。

发明内容