[发明专利]用于验证TDLAS系统操作的方法和设备

说明书

本发明公开了用于验证TDLAS系统操作的方法和设备。处理室内的气体种类特征的感测包括将第一选定激射频率的光束选择性地投射穿过其中。所述光束光学耦合到检测器，以检测具有气体种类特征所引起的选定激射频率下的吸收凹陷的处理透射光谱。所述光束选择性地投射穿过形成于光纤纤芯中的光纤布拉格光栅，以部分地反射所述第一选定激射频率的所述光束的至少一部分，同时透过所述光束的其余部分。所述光束的所述其余部分具有FBG透射光谱，其模拟关注的气体种类特征所引起的所述选定激射频率下或附近的所述吸收凹陷。所述光束的所述其余部分光学耦合到所述检测器。监测所述检测器的输出以将所述FBG透射光谱与所述处理室中产生的任何处理透射光谱进行比较。

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技术领域

本公开涉及可调谐二极管激光光谱(TDLAS)系统，并且更具体地涉及用于验证TDLAS系统操作的设备和方法。

背景技术

可调谐二极管激光光谱(TDLAS)广泛用于必须测量气体种类特征(诸如温度或浓度)的实验室和工业应用中。TDLAS系统由一个或多个二极管激光器组成，每个二极管激光器产生仔细控制的波长下的光，这些波长投射到处理室中以测量特定气相分子。每个激光器的波长通常在包括整个高斯光谱包络的窄波长间隔内调谐，该包络具有选定波长下的波峰(本文统称为“选定波长”)，并且测量整个选定波长中的透射光的量。在扫描波长时吸收一些光的气相种类会引起透射光的量下降(“吸收凹陷”)，并且吸收凹陷的定量允许在了解光程长以及描述在选定波长和温度下吸收的光量的系数的情况下计算这些种类的浓度。某分子的吸收凹陷光谱或图案可被视为指纹。吸收率相对波长的图案是每个分子的特有特征，因此TDLAS可颇具选择性-在充斥其他分子的环境中检出关注的种类。

TDLAS系统的一个重要应用是燃烧监测和诊断。燃烧用于驱动从发电到钢和玻璃生产的许多工业过程。精炼厂和石油化工厂使用燃烧驱使反应完成。TDLAS系统在一些情况下已变得十分复杂，并且它们被装配用于过程效率、可靠性和安全性最为重要的工业应用。关注的燃烧种类包括O₂、CO、CO₂和H₂O，所有这些燃烧种类均可使用TDLAS测量。另外，可使用本领域已知的谱线比技术测量温度。可在控制回路中使用TDLAS数据来改变燃料/空气混合比率以优化燃烧过程效率，与此同时确保保持安全操作条件。TDLAS系统在用于燃烧优化时发生故障或得出错误结果可造成灾难性后果。在某种程度上，可通过智能过程控制设计来减轻该问题；但是仍存在风险。因此，需要系统校准和系统操作验证的方法以确保TDLAS系统正常运行并且所生成的数据准确且可靠。

一种已知的TDLAS系统验证方式是为该系统提供气相样品以便在环境中测量，该环境模拟在其中进行测量的环境。在最简单的情况下，可使用小型密封光谱池来验证系统是否正常测量，该小型密封光谱池具有供激光束穿过的窗口以及池中处于所需温度、压力和浓度下的选定气体种类。然而，对于升高的燃烧温度，密封光谱池不能有效工作，因为压力将随温度升高而升高并且吸收光谱的细节对压力敏感。作为密封池的替代，流通池可用作校准和验证标准。可将流通池加热到燃烧温度附近，并且可引入接近燃烧环境的气体混合物。在实践中，这种类型的系统在实验室测试环境中能有效工作并且可用于系统验证。然而，这种系统代表着很大的投资，至少需要数万美元。此外，其不是便携式的，特别是不具有用户友好性。最重要地，修改这种系统以便在受控实验室环境以外使用将是极其昂贵的。