CN112578075A - 具有一氧化碳和甲烷双重测量的燃烧分析仪 - Google Patents

Abstract

提供了一种燃烧分析仪，其被配置为同时检测燃烧过程中氧气、一氧化碳和甲烷的浓度。该燃烧分析仪包括：氧气传感器，被配置为检测燃烧过程中的氧气并产生指示燃烧过程中氧气浓度的第一传感器信号。该燃烧分析仪还包括：一氧化碳‑甲烷双重传感器，被配置为在大约600℃下工作并提供指示甲烷浓度的第二传感器信号，并且在大约300℃下工作以选择性地提供指示一氧化碳浓度的第三传感器信号。该燃烧分析仪最后包括：控制器，被配置为接收传感器信号，确定氧气浓度，并基于一氧化碳‑甲烷双重传感器信号和氧气浓度产生一氧化碳浓度输出和甲烷浓度输出。

Description

具有一氧化碳和甲烷双重测量的燃烧分析仪

技术领域

本发明涉及具有一氧化碳和甲烷双重测量的燃烧分析仪。

背景技术

过程工业通常依赖于包括一个或多个燃烧过程的能源。这样的燃烧过程包括操作熔炉或锅炉以产生蒸汽或加热原料液体。尽管燃烧提供了相对低成本的能量，但是寻求使燃烧效率最大化。另外，烟囱排出的来自工业过程的烟气通常受到管制，且危险气体的量通常必须降至最低。因此，燃烧过程管理行业的一个目标是使现有熔炉和锅炉的燃烧效率最大化，这固有地也减少了温室气体和其他受管制气体的产生。通过保持来自这种燃烧过程的废气或烟气中的氧气的理想水平，可以优化燃烧效率。

原位或过程分析仪通常用于燃烧过程的监测、优化和控制。通常，这些分析仪采用的传感器被加热到较高的温度，并直接在熔炉或锅炉燃烧区上方或附近工作。已知的过程燃烧分析仪通常采用氧化锆传感器，该传感器布置在直接插入到烟气流中的探头的一端。随着废气或烟气流入传感器，其扩散到传感器附近。传感器提供与气体中存在的氧气量有关的电信号。

发明内容

提供了一种燃烧分析仪，其被配置为同时检测燃烧过程中氧气、一氧化碳和甲烷的浓度。该燃烧分析仪包括：氧气传感器，被配置为检测燃烧过程中的氧气并产生指示燃烧过程中氧气浓度的第一传感器信号。该燃烧分析仪还包括：一氧化碳-甲烷双重传感器，被配置为在大约600℃下工作并提供指示甲烷浓度的第二传感器信号，并且在大约300℃下工作以选择性地提供指示一氧化碳浓度的第三传感器信号。该燃烧分析仪最后包括：控制器，被配置为接收传感器信号，确定氧气浓度，并基于一氧化碳-甲烷双重传感器信号和氧气浓度产生一氧化碳浓度输出和甲烷浓度输出。

附图说明

图1是本发明的示例特别适用于的原位燃烧分析仪的示意图。

图2是本发明的示例特别适用于的燃烧分析仪的示意性透视图。

图3是示出燃烧分析仪的一个示例的简化方框图。

图4是温度对一氧化碳和甲烷双重量热传感器的灵敏度的影响的图形表示。

图5至图7是使用燃烧分析仪进行的气体浓度测量的图形表示。

图8至图10是使用根据本发明的示例的燃烧分析仪进行的气体浓度测量的图形表示。

图11是示出根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量的图形表示。

图12是示出根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量的图形表示。

图13是示出用于监测和控制燃烧过程的方法的一个示例的流程图。

图14是示出燃烧分析仪的一个示例的简化方框图。

具体实施方式

基于氧化锆的电化学氧气传感器广泛用于工业应用中进行氧气测量。电化学氧气传感器在升高的温度(例如，大约600-800℃)下工作，并测量燃烧后剩余的氧气过量。传感器对参考电极上具有固定分压的差异氧气浓度(例如，使用空气)的响应，可以使用能斯特方程计算：

等式1：

其中，C是与参考/过程侧温度变化和氧气探头中的热结(thermal junction)相关的常数，R是通用气体常数，T是以K为单位的过程温度，F是法拉第常数。

电化学氧化锆氧气传感器坚固耐用，且可以在燃烧环境中工作数年。在理想的燃烧中，氧气和燃料以理想的比例混合，主要产生二氧化碳和水以及来自燃料杂质和氮氧化的痕量其他气体，例如二氧化硫和氮氧化物。由于不完美的燃料/空气均匀性、燃料能量密度和燃料/空气流量变化，在实际燃烧中将很难实现具有最高效率的该化学计量点。对于燃气燃烧器，典型的烟气氧气过量浓度约为2％-3％，对于锅炉和燃油燃烧器，约为2％-6％。在燃烧过程中仅使用氧气检测和控制，很难实现和维持通常发生在0.75％至2.0％的氧气浓度之间的最有效的燃烧。锅炉或燃烧室壁任何其他部分的任何泄漏都会使氧气渗透增加，从而损害氧气浓度的测量并破坏燃烧控制。

虽然仅通过氧气测量就可以实现一定程度的燃烧控制，但是可以通过同时测量一氧化碳来提高燃烧效率和稳定性，这是在燃烧分析仪中额外采用的。当碳氢化合物燃料的燃烧未与足够的氧气混合时，或者当燃烧器失灵或故障时，会在燃烧过程中形成一氧化碳。因此，一氧化碳的浓度可以用作不完全燃烧或富燃料燃烧的指标。多于痕量一氧化碳浓度的存在可以用作诊断，表明燃烧器发生故障。然而，在大约100-200ppm(百万分之几)的痕量一氧化碳水平和少量的过量空气下工作，将表明燃烧条件以最高效率接近化学计量点。

在燃烧启动时，或者在燃烧器发生故障或爆裂的情况下，相比于燃烧过程中安装的普通火焰传感器的响应时间，燃烧室可以被更快地充满爆炸性混合物。这可能会导致爆炸的结果，从而可能导致人身伤害或生命损失以及资本和营业收入的损失。气体混合不充分和烟气分层会在启动时造成危险状况。燃烧过程中甲烷的存在和浓度可以用作诊断，表明可能存在危险状况。特别地，当甲烷的浓度保持较高时，表明没有发生点火。为了检测并帮助避免这种状况，需要甲烷传感器。

除氧气和一氧化碳外还提供甲烷测量的燃烧分析仪将为燃烧过程的控制和诊断提供额外的安全功能。基于电化学氧化锆技术，可用的具有氧气传感器的燃烧分析仪根据能斯特方程(如上所示)，利用传感器的输出在对数关系上依赖于氧气浓度，来测量燃烧过程中剩余的氧气过量。燃烧过程中在化学计量点附近形成的一氧化碳将通过燃烧分析仪中所采用的催化式量热一氧化碳传感器进行定性测量，并将指示一氧化碳在燃烧过程中发生猛涨。已知的燃烧分析仪要么对甲烷不敏感(例如，量热传感器)，要么对一氧化碳和甲烷同等敏感，并且在苛刻和严酷的燃烧环境中(例如，混合电势传感器)可靠性不高。

需要一种能够同时测量氧气、一氧化碳和甲烷的燃烧分析仪。本文提供了这种燃烧分析仪。在一个示例中，在燃烧分析仪中采用了优化的量热催化式传感器，其同时提供一氧化碳和甲烷测量，并由提供氧气测量的氧气传感器分开。

在烟气中氧气浓度为1.0％-6.0％的燃烧过程调节中，在不完全燃烧中一氧化碳首先猛涨。甲烷或碳氢化合物仅在点燃之前存在于氧气浓度约为20.0％的燃料-空气混合物中。换句话说，甲烷的存在表明燃料/空气组合未被点燃，因此表明在燃烧过程中爆炸性气体的危险堆积。

在一个示例中，该优化的量热催化式传感器(如上所述)将对ppm一氧化碳浓度和百分比甲烷浓度敏感，并将使用大约1000ppm一氧化碳(大于或等于Oppm-小于1000ppm的一氧化碳范围)和大约5.0％甲烷(大于或等于0％-小于或等于5.0％的甲烷范围)进行校准。在另一个示例中，可以使用以软件实现的校准算法来在燃烧控制模式下计算并显示氧气浓度小于10.0％(大于或等于0％-小于10.0％的氧气浓度范围)时的一氧化碳浓度以及氧气浓度约为20.0％(大于或等于10.0％-小于或等于20.0％的氧气范围)时的甲烷浓度。

图1是本发明的示例特别适用于的原位过程燃烧分析仪的示意图。燃烧分析仪10可以用市售的燃烧分析仪来实现，例如，可从明尼苏达州的Shakopee的Rosemount公司(Emerson公司)购得的OCX 8800型燃烧分析仪。分析仪10可以包括被配置为与装置6的部件通信的通信模块8(例如，发射机)。在一个示例中，发射机8例如经由蓝牙协议进行无线通信。在另一个示例中，通信模块8通过有线回路(未示出)进行通信。在另一个示例中，通信模块8与远程设备(图1中未示出)通信，例如但不限于现场通信器、个人计算机、控制中心、手持式设备或各种用户接口。在另一个示例中，通信模块根据4-20mA HART通信协议或FOUNDATION Fieldbus(现场总线)数字通信协议进行通信。在一个示例中，分析仪10具有高达1427℃的过程温度范围。

在一个示例中，分析仪10包括采样管12，其基本上设置在烟囱或烟道14内，并测量与燃烧器16处发生的燃烧过程有关的氧气、一氧化碳和/或甲烷浓度。在一个示例中，分析仪10安装在管道上，可操作地耦接到烟道或烟囱。在一个示例中，燃烧器16可操作地耦接到空气源或氧气源18和燃烧燃料源20。源18和20中的每一个可以可控地耦接到燃烧器16，以便控制燃烧过程。分析仪10测量燃烧过程中氧气、一氧化碳和/或甲烷的量，并向燃烧控制器22提供氧气、一氧化碳和/或甲烷浓度的指示。控制器22可以包括一个或多个微处理器，控制阀24和26中的一者或两者以提供闭环燃烧控制。在一个示例中，控制器22自动工作，使得对燃烧过程中氧气、一氧化碳和/或甲烷过多或过少的指示导致提供给燃烧室的氧气或燃料量的变化。在另一个示例中，控制器22向各种用户接口提供对所测量的浓度的指示。在另一个示例中，控制器22触发警报器或报警器，以提供对燃烧过程(或装置6)的状态的指示或提供应采取行动的指示。

装置6还可以包括可操作地连接到分析仪10的气体组件28。在一个示例中，气体组件28在校准操作期间向分析仪10提供校准气体(例如，具有已知浓度的气体)。在一个示例中，气体组件28可以向分析仪10提供三种校准(或测试)气体。在一个示例中，这三种气体是低氧测试气体、高氧测试气体和一氧化碳测试气体。在另一示例中，气体组件28可以向分析仪10提供甲烷测试气体。在另一示例中，气体组件28可以包括被配置为向分析仪10提供空气的空气源，例如参考空气(例如，出于校准和测量的目的)或仪表空气(例如，喷射器空气和/或稀释空气)。气体组件28可以包括多个螺线管和流量计，这些螺线管和流量计被配置为向分析仪10提供并控制测试气体流和空气流。

图2是示出本发明的示例特别适用于的燃烧分析仪的一个示例的示意性透视图。分析仪100包括电子壳体102-1和传感器壳体102-2(在本文中统称为壳体102)、采样管104和具有保护盖116的电子器件106。采样管104具有远端108，在远端108处布置有孔110。采样管可以包括各种材料，例如但不限于金属合金(例如，镍铬合金和/或因钢600)、钢(例如，316不锈钢)、陶瓷以及适合于高温过程环境的各种其他材料。孔110允许烟气通过采样管104到达传感器112，在传感器112中进行氧气、一氧化碳和/或甲烷的浓度测量。

壳体102具有尺寸适于容纳电子器件106的腔室114。壳体102具有尺寸适于容纳传感器112的腔室115。此外，壳体102可以包括内螺纹130，内螺纹130适于接收盖116的外螺纹131并与之配合以形成气密密封。在其他示例中，盖116可以通过其他紧固件(例如，螺栓)或通过各种其他耦接技术(例如，焊接)耦接至壳体102。另外，壳体102可以包括穿过其中的孔132(例如，钻孔)，从而允许电子器件106与设置在腔室115内的测量单元或传感器112之间的电互连。

在一个示例中，传感器112包括被配置为感测并提供对氧气、一氧化碳和/或甲烷的测量的氧气传感器和一氧化碳-甲烷双重传感器。在一个示例中，传感器112被配置为同时感测和/或测量氧气、一氧化碳和/或甲烷。在另一个示例中，传感器112包括基于氧化锆固体电解质的电化学氧气传感器和被配置为测量一氧化碳和/或甲烷的一氧化碳-甲烷双重量热催化式传感器。在一些示例中，用于量热催化式传感器上的催化剂可以包括贵金属(例如，铂)或金属氧化物(例如，Hopcalite)或用于检测和测量燃烧过程中的气体的任何其他合适的催化剂。在另一示例中，传感器112可以包括一个或多个电阻温度检测器。在另一示例中，传感器112可以包括一个或多个温度检测器，该温度检测器被配置为监测一氧化碳-甲烷双重传感器和/或氧气传感器的工作温度。

在该实施例中，采样管104被配置为在烟道(诸如，烟道14)内延伸。探头104包括与凸缘120相邻的近端118。凸缘120用于将发射机100安装或以其他方式固定至烟道的侧壁。当如此安装时，分析仪100可以通过凸缘120到烟道壁的耦接而得到完全支撑。

电子器件106提供加热器控制和信号调节，产生代表烟气氧气浓度的mA信号。优选地，电子器件106还包括能够执行程序步骤的控制器/微处理器。电子器件106还可以包括各种其他部件，包括但不限于测量电路(例如，测量单元)、通信电路(例如，发射机)、电源、电阻温度检测器(RTD)、温度传感器和任何其他合适的电气部件。电子器件106还可以包括本地操作员接口134，其被配置为显示信息(例如，气体浓度测量值)并允许操作员交互。接口134可以包括多个交互功能，例如锁定功能、触摸屏、状态指示器、选择键(例如，用于与菜单交互)以及任何其他合适的功能。

在一个示例中，燃烧分析仪100可以用市售的燃烧分析仪来实现，例如，可从明尼苏达州的Shakopee的Rosemount公司(Emerson公司)购得的OCX 8800型燃烧分析仪。OCX8800燃烧分析仪是一种抽气分析仪，并且类似于原位氧探头，安装在燃烧器管道壁上。该分析仪由带有压缩空气的喷射器驱动，通过文丘里效应产生过程流体(例如，烟气)的抽吸。烟气通过带有内部和外部过滤器的采样管被抽出，并输送到氧气传感器和一氧化碳-甲烷双重传感器，从而可以测量感兴趣气体的浓度。

图3是示出燃烧分析仪的一个示例的简化方框图。燃烧分析仪150包括传感器壳体151。在传感器壳体151内有传感器152，被示出为氧气传感器和一氧化碳-甲烷双重传感器。传感器152类似于本文所描述的传感器(例如，112)。喷射器182也在传感器壳体151内。分析仪150还包括电子壳体156。在电子壳体156内有控制器158(其可以包括微处理器)、电路160(其可以包括测量电路(例如，测量单元)和/或通信电路(例如，发射机))和电源162。此外，在电子壳体156内还有测试气体螺线管164和空气供应螺线管166。

分析仪150还包括气体组件168。气体组件168包括低氧测试气体源170、高氧测试气体源172、一氧化碳测试气体源174和空气供应源176。出于测量、校准和其他功能的目的，这些源被配置为向分析仪150提供气流。在其他示例中，出于校准和其他功能的目的，分析仪150可以包括附加的测试气体源和/或上面列出的气体源的组合可以被配置为提供其他测试气体流，包括被配置为向分析仪150的部件(例如，传感器152)提供甲烷流的甲烷测试气体源。分析仪150还包括空气供应流量计178和测试气体流量计180。这些流量计被配置为监测并控制空气和测试气体向分析仪150的部件的流动。分析仪150还包括采样管154，采样管154被配置为(例如，通过设置在远端的孔)允许烟气流到传感器152，使得分析仪150可以进行气体浓度测量。

分析仪150安装于管道或烟道/烟囱壁，使得采样管154暴露于过程流。喷射器182通过压缩机被空气驱动并通过空气供应器176被供应空气，喷射器182不断地将过程烟气的样本通过探头吸到位于传感器壳体前面的使样本通过传感器152的腔室。然后，样本通过喷射器182被抽取，在喷射器中样本与喷射器空气混合并通过排气离开返回到过程中。控制器158和电路160接收、分析从传感器152产生的传感器信号并将传感器信号转换成指示样本内气体浓度的数字输出信号。控制器158可以基于例如由传感器152检测到的气体浓度来启动校准操作、关断操作、调节进入燃烧过程的空气和气体的流量、产生警报/警告、指示所测量浓度的表面显示、以及各种其他操作。可以基于来自控制器158的控制信号，通过螺线管164打开和关闭测试气体170、172和174。通过测试气体流量计180来调节流向传感器152的测试气体流量。在一个示例中，流量计180设置在壳体151和156之间。可以基于来自控制器158的控制信号，通过空气供应螺线管166打开和关闭空气供应176。在一个示例中，直到传感器152处于期望的工作温度(例如，通过加热器加热到所需温度)，才打开空气供应176。这样可以最大程度地减少被采样的过程烟气被吸入冷传感器中而引起冷凝的量。空气供应176被分成喷射器空气、参考空气和稀释空气。稀释空气被提供给传感器152以确保有足够的氧气来完全氧化任何可燃气体，而与过程中氧气的浓度无关。

燃烧分析仪10、100和150同时测量氧气、一氧化碳和/或甲烷。可以通过在较高温度下操作传感器来提高量热催化式一氧化碳传感器(例如，传感器112)中甲烷的低燃烧速度。燃烧分析仪中采用的标准量热催化式一氧化碳传感器通常在300℃下工作。该温度针对一氧化碳灵敏度进行了优化，对甲烷没有交叉灵敏度，并且产生了可靠且可重复的一氧化碳测量，但无法提供甲烷的测量。在一个示例中，燃烧分析仪(例如，10、100和/或150)通过控制器(如下所述)提高一氧化碳-甲烷双重传感器(例如，传感器112)的温度。在一个示例中，温度升高至400℃。在另一个示例中，温度升高至600℃。在又一个示例中，温度升高至落入400-600℃范围内的温度。在另一个示例中，氧气传感器在700°F的温度下工作。在另一个示例中，氧气传感器在高于700°F的温度下工作。

提高传感器温度允许甲烷在催化剂表面上部分氧化，从而允许同时测量一氧化碳和甲烷二者。通常，反应(例如，催化剂表面上的甲烷/一氧化碳氧化)中所释放的热量是由燃烧分析仪的电子器件中采用的电阻温度检测器(RTD)测量的。

虽然提高双重传感器的温度允许测量甲烷浓度，但会稍微降低燃烧分析仪对一氧化碳的灵敏度。发生这种情况的原因是，在催化表面之外(例如，在不锈钢传感器模块上)在较高温度下持续进行的一氧化碳燃烧以及通过辐射导致的热量损失。

燃烧分析仪10、100和150还可以全部包括一个或多个加热器和/或其他供热部件，其被配置为提供和/或以其他方式帮助对其各种传感器工作温度进行调节和控制(例如，通过加热或减少传感器模块的热量)。在一个示例中，加热器和/或其他供热部件可以基于例如控制信号来调节传感器的工作温度。在一个示例中，燃烧分析仪10、100和150可以包括加热器支柱组件，该加热器支柱组件包括但不限于布线、热敏开关、加热棒、绝缘体、加热器夹具、热电偶和任何其他合适的部件和/或器件。在另一个示例中，分析仪10、100和150可以包括带式加热器。在另一个示例中，分析仪10、100和150可以包括陶瓷纤维加热器。在另一个示例中，分析仪10、100和150可以包括任何其他合适的器件和/或部件，其适于维持和调节分析仪10、100和150的各种传感器和/或其他器件和/或部件的工作温度。

图4是温度对一氧化碳和甲烷双重量热传感器的灵敏度的影响的图形表示。一般而言，图4示出了随着双重传感器温度的升高，对一氧化碳的灵敏度降低，而对甲烷的灵敏度提高。可以看出，在300℃下，双重传感器针对一氧化碳检测进行了优化，因为灵敏度(如以欧姆为单位测量的)读数大约代表一氧化碳的实际浓度。当温度升至400℃时，双重传感器变得对甲烷可测量敏感，但对一氧化碳不太敏感。如图4所示，随着双重传感器的温度继续向600℃升高，对甲烷的灵敏度提高，从而实现更具选择性的甲烷百分比检测(例如，如图4所示为1.0％、0.5％、0.25％、0.1％)。对一氧化碳的灵敏度持续下降，但是，在对甲烷的灵敏度进行了优化的600℃下，仍可获得可读的一氧化碳测量值。

然而，燃烧分析仪仍然能够可靠且可再现地测量一氧化碳，并且任何误差都可以通过校准方法得以解决，如下面将描述的。

图5至图7是使用燃烧分析仪进行的气体浓度测量的图形表示。图5示出了根据现有技术的燃烧分析仪的一氧化碳测量。具体地，图5示出了在300℃下工作的催化式一氧化碳传感器的响应，具体示出了催化式一氧化碳传感器对于0-1000ppm的一氧化碳范围的阶跃响应。如前所述，在300℃下工作的标准量热催化式一氧化碳传感器产生了对一氧化碳的可靠测量。如从图5可以看出，传感器大约是100％响应的(加减10ppm)。换句话说，当过程环境包含一定ppm(例如，1000ppm)的一氧化碳浓度时，传感器产生的读数对应于实际浓度(加减10ppm)。但是，在此工作温度下，传感器无法检测甲烷的存在或无法测量甲烷的浓度。

图6示出了燃烧分析仪的一氧化碳测量。具体地，图6示出了当传感器被加热到400℃但被校准为300℃时催化式一氧化碳传感器的灵敏度发生了什么。如上所述，提高传感器的温度允许检测和测量甲烷。但是，温度升高也降低了对一氧化碳的灵敏度。可以看出，传感器的读数约为实际一氧化碳值的73％。例如，在一氧化碳浓度为1000ppm时，传感器读数约为730ppm。虽然降低的灵敏度是不希望的，但是可以通过校准操作对其进行校正，如图7中将示出的，下面将对其进行更详细的讨论。

图7示出了根据本发明的示例的燃烧分析仪的一氧化碳测量。具体地，图7示出了已被加热到且被校准为400℃的催化式一氧化碳传感器的传感器读数。如从图7中可以看出，该传感器的读数对应于一氧化碳的实际浓度，加减10ppm，并且这些读数是可靠且可再现的。例如，在校准为400℃之后，当一氧化碳的浓度处于1000ppm时，传感器读数返回到大约1000ppm，并可重复地始终如此。

图8至图10是使用根据本发明的示例的燃烧分析仪进行的气体浓度测量的图形表示。具体地，图8至图10示出了一氧化碳-甲烷双重量热传感器的读数。如前所述，通过将该传感器加热到并校准为400℃，该传感器能够检测甲烷的存在并测量其浓度。如从图8至图10中可以看出，该传感器的响应是可靠且可再现的。

图8示出了根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量。具体地，图8示出了被加热到且被校准为400℃的一氧化碳-甲烷双重量热传感器的甲烷浓度测量。如从图8可以看出，该传感器的响应从0跨越至高达5.0％的甲烷浓度(以ppm一氧化碳表示)。该传感器响应也显示出良好的线性度(在图8右上角的图)，因此仅需要两点校准，并且跨度约为5.0％，从而导致可靠的大约加减0.2％-0.3％的甲烷检测选项。在已知传感器输出为合理线性的情况下(例如，x轴值的变化与y轴值的变化成比例和/或输出与输入成正比)，可以进行两点校准。线性使得无需进行任何复杂的曲线拟合(例如，回归分析)，并且仅需要两个参考点即可绘制线。两点校准实质上可重新缩放输出，并且能够校正斜率和偏移误差二者。两点校准方程的一个示例如下：

等式2：

校正值＝(((原始值-原始低值)x参考范围)÷原始范围)+参考低值

图9示出了根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量。具体地，图9示出了一氧化碳-甲烷双重量热传感器的响应。如从图9中可以看出，该传感器在400℃的温度下可检测催化剂表面上的甲烷氧化，响应时间在30秒的范围内，响应率为90％，从而允许可靠且高效的甲烷检测，以用于安全燃烧控制。

图10示出了根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量。具体地，图10示出了被加热至400℃的一氧化碳-甲烷双重量热传感器的响应的可再现性。如从图10中可以看出，传感器读数对应于甲烷的实际浓度，例如5.0％加减0.1％，并且在一段时间内暴露于0-5.0％的甲烷范围能够可靠且可再现地做到如此。

图11是示出根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量的图形表示。如从图11中可以看出，当双重传感器被加热到600℃时，来自一氧化碳-甲烷双重传感器的关于甲烷的测量是线性的。随着甲烷浓度的增加，读数(以欧姆为单位)成比例地增加。该线性允许对传感器进行两点校准。

图12是示出根据本发明的示例的燃烧分析仪的甲烷测量的图形表示。如在图12中可以看出，在不同的甲烷浓度下使用在一系列测试中加热到600℃的一氧化碳-甲烷双重传感器，该双重传感器的测量具有良好的可重复性并且是可再现的。

在燃烧期间，存在两种主要的操作方案。第一种是在启动时点燃燃料。操作员将氧气水平降低至化学计量点，且为安全起见，对一氧化碳进行测量和控制，以帮助提高效率(即，空气和燃料的有效混合)。当在启动时没有发生点火并且氧气水平保持为高时，发生第二种操作方案。对甲烷进行测量，并且如果水平保持为高，则表明未发生点火。为了检测甲烷的存在，在燃烧分析仪的电子器件(例如，处理器/控制器)中采用校准算法(如图5至图12所示以及如下所述)，从而将传感器加热到400℃，然后校准传感器以校正读数，或者，如果传感器已经处于400℃，则校正读数以测量甲烷浓度。在一个示例中，燃烧分析仪的甲烷传感器检测到甲烷的存在，并且控制器(如下所述)可以触发警报或警告以通知操作员，从而警告操作员甲烷的存在以及未发生点火的可能性。

用例如1000ppm的一氧化碳和例如5.0％的甲烷对燃烧分析仪进行校准(如图5至图10所示)。该校准可以使用校准气体组件(例如，28)来进行，该校准气体组件允许校准气体(具有已知浓度)暴露于燃烧分析仪。燃烧分析仪检测校准气体的存在，并产生指示这些气体的浓度的信号。可以使用例如两点校准方法(其中，也可以使用参考测量，例如，利用具有已知准确响应的参考传感器)校正由分析仪检测到的浓度的任何误差；特别是当误差是可再现且可靠的，并且传感器响应显示出良好的线性度时(如图5至图12所示)。该校准操作允许可靠的ppm一氧化碳范围和甲烷百分比检测。

在一个示例中，传感器然后在升高的400℃的温度下工作。在另一个示例中，传感器在升高的600℃的温度下工作。在又一个示例中，传感器在400℃至600℃范围内的温度下工作。当燃烧分析仪检测到的氧气测量值小于10.0％时，采用一氧化碳校准算法以检测一氧化碳的百分比。当燃烧分析仪检测到的氧气测量值大于20.0％时，采用甲烷校准算法以检测甲烷的百分比。在一些示例中，燃烧分析仪将在检测到大于1.0％的甲烷浓度时发出警报或警告。然后，操作员将停止燃料流，并避免危险的点火和爆炸情况。在一些示例中，在检测到大于1.0％的甲烷浓度时，燃烧分析仪将自动停止燃料流，例如，通过发送控制信号来关断燃料或空气流(例如，如图1所示)。在其他示例中，浓度阈值可以不同于上述阈值。在另一个示例中，浓度阈值是用户可选择的。

图13是示出用于监测和控制燃烧过程的方法的一个示例的流程图。方法200开始于方框205，在方框205中，将能够同时测量氧气、一氧化碳和甲烷浓度的燃烧分析仪(例如，本文所讨论的燃烧分析仪(例如，10和100))放置在燃烧过程流中，并将一氧化碳-甲烷双重量热传感器可选地设置到升高的温度。在一个示例中，升高的温度为400℃。在另一个示例中，升高的温度是600℃。在另一个示例中，升高的温度落在400℃-600℃的范围内。不必在此过程的开始升高双重温度传感器的温度。在一个示例中，可以仅在检测到在某一阈值或高于某一阈值的氧气浓度时才升高温度，这将在下面进一步讨论。在一个示例中，在过程的开始温度保持在300℃，并因此，针对一氧化碳检测对分析仪进行了优化。

方法200在方框210处继续，在方框210中，燃烧过程开始，并且启动点火序列。

方法200在方框215处继续，在方框215中，燃烧分析仪确定燃烧过程中的氧气浓度。方框210处的氧气浓度的检测可以例如通过在燃烧分析仪的部件内并与之电耦接的氧气传感器来完成，该氧气传感器感测燃烧流中氧气的存在并产生传感器信号(例如，毫伏信号)。然后，将传感器信号馈送到与传感器电耦接的测量电路，在此测量电路中测量传感器信号的一个或多个特性(例如，传感器信号的变化的电特性)，然后将指示氧气浓度的数据提供给控制器(例如，微处理器)。

方法200在方框220处继续，在方框220中，燃烧分析仪确定氧气的浓度是否等于或高于某个阈值。在一个示例中，阈值为20.0％的氧气。在另一个示例中，阈值是20.9％的氧气。如果在方框220处氧气浓度高于阈值，则方法200在方框225处继续，在方框225处，燃烧分析仪确定燃烧尚未开始(即，未发生点火)。如上所述，点火失败会导致危险情况，导致爆炸/易燃混合物(例如，空气和燃料)的堆积。

为了防止这种危险情况，方法200在方框230处继续，在方框230中，燃烧分析仪检测燃烧过程流中的甲烷浓度。在一个示例中，通过应用图8至图12中描述的甲烷校准算法来进行甲烷的检测。可选地，在方框230处，将一氧化碳-甲烷双重传感器加热至升高的温度(如果之前在方框205处未进行该操作)。升高的温度可以是例如400℃、600℃或在400℃至600℃的范围内。方法200在方框235处继续，在方框235处，燃烧分析仪确定甲烷浓度是否高于阈值。在一个示例中，阈值为1.0％的甲烷浓度。在另一个示例中，阈值是5.0％的甲烷浓度。在另一个示例中，阈值落入1.0％-5.0％的甲烷浓度范围内。

如果在方框235处，甲烷浓度被确定为高于阈值，则方法200在方框240处继续，在方框240处，燃烧分析仪发送信号。在一个示例中，该信号是控制信号241，其被配置为通过停止燃料和空气流(例如，通过关断阀24和26)和/或关停装置而自动停止燃烧过程并防止点火。在另一个示例中，燃烧分析仪发送警报和/或警告信号242，该警报和/或警告信号在视觉上或听觉上指示应当关停燃烧过程并且存在危险情况。在一个示例中，该警报/警告可以是视觉警报/警告，例如但不限于电耦接或通信耦接至燃烧分析仪的灯。在另一个示例中，该警报/警告可以是可听见的警报/警告，例如但不限于以电或通信方式耦接到燃烧分析仪的发出噪声的设备(例如，喇叭或警报器)。该信号可以是被配置为在用户接口上显示指示的显示信号243。用户接口可以是耦接到分析仪或装置的本地接口、手持式设备或远程设备(如控制室中的计算机)。该信号可以是被配置为指示燃烧装置的状态的任何其他种类的信号244，例如但不限于文本消息警报、电子邮件、电话或任何其他合适的技术。方法200在方框275处结束，在方框275处，燃烧过程被关停，并且直到检测到燃烧过程流中的气体/燃料的安全浓度，才会发生重新点火。

如果在方框235处确定甲烷浓度不高于阈值，则方法200在方框245处继续，在方框245处，燃烧分析仪继续检测甲烷浓度。

返回方框220，如果确定氧气浓度不高于阈值，则方法200在方框250继续，在方框250中确定氧气浓度是否低于阈值。在一个示例中，该阈值为10.0％的氧气浓度。如果在方框250处确定氧气浓度低于阈值，则方法200在方框255处继续，在方框255处，燃烧分析仪确定燃烧已经开始(例如，已经发生点火)。方法200在方框260处继续，在方框260处，燃烧分析仪检测燃烧过程流中的一氧化碳浓度。在一个示例中，通过应用图5至图7中描述的一氧化碳校准算法来进行检测。可选地，在方框260处，如果例如在方框205处已升高了温度，则降低一氧化碳-甲烷双重传感器的温度。在一个示例中，将双重传感器的温度设置为300℃。在另一个示例中，双重传感器的温度落在400℃-600℃的范围内。

该方法在方框265处继续，在方框265处，燃烧分析仪控制燃烧过程以维持一氧化碳的浓度。在一个示例中，该浓度为100ppm。在另一个示例中，该浓度为200ppm。在另一个示例中，该浓度落在100-200ppm之间。燃烧分析仪继续控制燃烧过程以维持一氧化碳的浓度，直到燃烧过程结束(例如，关停)。

返回到方框220，如果燃烧分析仪确定氧气浓度不高于阈值并且在方框250处确定氧气浓度不低于阈值，则该方法在方框270处继续，在方框270处，燃烧分析仪继续检测氧气的浓度。

应当注意，尽管出于示例性目的和出于解释清楚的目的按照一定顺序描述了方法200，但是本领域技术人员将理解，方法200的步骤可以按不同的顺序完成，并且该图示未意指特定的顺序。

图14是示出燃烧分析仪的一个示例的简化方框图。燃烧分析仪300包括电源302、控制器304、测量电路306、传感器308、通信电路310和其他部件312。电源302被配置为向燃烧分析仪及其部件提供电力(如箭头“至所有”所示)。电源302可以是本地电源，例如但不限于可更换的电池或可再充电的电池。电源302可以是外部电源，例如电路，其中电源302包括通过例如插口插入(或以其他方式连接)到该电路的电源线(或其他布线)。传感器308可以包括各种传感器，包括被配置为检测燃烧过程中气体的存在并产生指示那些气体的浓度的信号的传感器和/或被配置为监测传感器的温度(例如，一氧化碳-甲烷双重传感器的工作温度)的温度传感器(例如，电阻温度检测器)。传感器308可以包括氧气传感器和一氧化碳-甲烷双重传感器(如上所述，例如，传感器112)。传感器308还可以包括基于氧化锆固体电解质的电化学氧气传感器和被配置为同时测量一氧化碳和/或甲烷的一氧化碳-甲烷双重量热催化式传感器。

来自传感器308的传感器信号被发送到测量电路306，在测量电路306中基于所述信号测量由传感器208感测到的燃烧过程中存在的气体的浓度。然后，控制器304可以基于所测量的浓度来产生各种控制信号。在一个示例中，控制信号可以被配置为触发警报或警告。在另一个示例中，控制信号可以配置为例如通过对阀进行调节(例如，打开或关闭)来调节燃烧过程中的空气和燃料流，如上面在图1中提到的那样。在另一个示例中，控制信号可以被配置为关停燃烧过程。在另一个示例中，控制信号可以被配置为调节(例如，升高或降低)传感器308的工作温度。在一个示例中，该温度可以落在300℃-600℃的范围内。

在另一示例中，控制信号可以被配置为经由通信电路310发送输出以显示检测到的气体和确定的浓度。该输出可以被显示在多个用户接口上，包括灯、显示屏、手持式设备或远程接口(例如控制室中的计算机)。通信电路310可以被配置为例如经由到无线网络的连接或蓝牙协议进行无线通信。通信电路310可以被配置为经由连接到相应用户接口或其他视觉/听觉设备(例如，闪光灯、喇叭或警报器)的有线回路进行通信。通信电路310可以包括发射机。通信电路310可以被配置为允许燃烧分析仪的部件的通信以彼此通信。通信电路310可以被配置为允许外部通信被传递到燃烧分析仪的部件(例如，来自操作员或控制系统的通信，例如控制室中的计算机)。通信电路可以被配置为允许燃烧分析仪的部件与燃烧装置的其他部件(例如，图1中提到的阀)或与外部设备(例如，用户接口)通信。

其他部件312可以包括在燃烧分析仪中有用的任何其他合适的器件或部件，该器件或部件被配置为感测、检测和/或测量燃烧过程中的气体浓度。例如，其他部件312可以包括一个或多个加热器和/或其他供热部件，其被配置为提供和/或以其他方式辅助对传感器308的调节和控制(例如，通过加热或减少传感器模块的热量)。在一个示例中，加热器和/或其他供热部件可以例如基于来自控制器304的控制信号来调节传感器308的工作温度。在一个示例中，其他部件312可以包括加热器支柱组件，包括但不限于布线、热敏开关、加热棒、绝缘体、加热器夹具、热电偶和任何其他合适的部件和/或器件。在另一个示例中，其他部件312可以包括带式加热器。在另一个示例中，其他部件312可以包括陶瓷纤维加热器。在另一个示例中，其他部件312可以包括适合于维持并调节分析仪300的其他元件和/或传感器308的工作温度的任何其他合适的器件和/或部件。

尽管已经参考优选示例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不背离本发明的精神和范围。例如，系统和装置的组件可以被集成或分离。此外，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他部件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。另外，可以以任何合适的顺序执行步骤。

Claims (20)

1.一种燃烧分析仪，包括：

氧气传感器，被配置为检测燃烧过程中的氧气并且产生指示氧气的浓度的第一传感器信号；

一氧化碳-甲烷双重传感器，被配置为在大约600℃的温度下工作并提供指示甲烷浓度的第二传感器信号，并且在大约300℃下工作以选择性地提供指示一氧化碳浓度的第三传感器信号；以及

控制器，被配置为接收所述传感器信号，确定氧气的浓度，并且基于所述一氧化碳-甲烷双重传感器信号和所述氧气的浓度产生一氧化碳浓度输出和甲烷浓度输出。

2.根据权利要求1所述的燃烧分析仪，其中，所述一氧化碳-甲烷双重传感器包括量热催化式一氧化碳传感器。

3.根据权利要求1所述的燃烧分析仪，其中，所述一氧化碳-甲烷双重传感器在启动时在大约600℃下工作。

4.根据权利要求1所述的燃烧分析仪，其中，所述控制器基于所述传感器信号产生控制信号。

5.根据权利要求4所述的燃烧分析仪，其中，所述控制信号被配置为调节所述燃烧过程的燃料或空气流。

6.根据权利要求4所述的燃烧分析仪，其中，所述控制信号被配置为产生警报。

7.根据权利要求4所述的燃烧分析仪，其中，所述控制信号被配置为：当所述氧气的浓度高于特定阈值时，应用甲烷校准算法，其中，所述甲烷校准算法包括改变所述一氧化碳-甲烷双重传感器的温度。

8.根据权利要求4所述的燃烧分析仪，其中，所述控制信号被配置为：使所述一氧化碳-甲烷双重传感器达到大约300℃，并且当所述氧气的浓度低于特定阈值时，应用一氧化碳校准算法，其中，所述一氧化碳校准算法包括改变所述一氧化碳-甲烷双重传感器的温度。

9.根据权利要求8所述的燃烧分析仪，其中，所述阈值包括10.0％至20.0％的氧气浓度范围。

10.一种改进对燃烧过程的控制的方法，包括：

将一氧化碳-甲烷双重传感器加热到大约600℃；

使用氧气传感器确定所述燃烧过程中的氧气的浓度；

将所述氧气的浓度与特定阈值进行比较；

当所述氧气的浓度低于所述阈值时，应用一氧化碳校准算法，所述一氧化碳校准算法被配置为允许所述一氧化碳-甲烷双重传感器检测所述燃烧过程中的一氧化碳并且产生指示一氧化碳浓度的传感器信号；

当所述浓度高于所述阈值时，应用甲烷校准算法，所述甲烷校准算法被配置为允许所述一氧化碳-甲烷双重传感器检测所述燃烧过程中的甲烷并且产生指示甲烷浓度的传感器信号；以及

基于所述传感器信号产生控制信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述阈值是大约10.0％的氧气浓度。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述阈值是大约20.0％的氧气浓度。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一氧化碳校准算法基于校准操作，其中，将所述一氧化碳-甲烷双重传感器加热至大约300℃并且暴露于已知的一氧化碳浓度水平。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述已知的一氧化碳浓度水平为1000ppm。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述甲烷校准算法基于校准操作，其中，将所述一氧化碳-甲烷双重传感器加热至大约600℃并且暴露于已知的甲烷浓度水平。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述已知的甲烷浓度水平落在0-5.0％的范围内。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制信号被配置为触发警报。

18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制信号被配置为调节所述燃烧过程的空气流。

19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制信号被配置为调节所述燃烧过程的燃料流。

20.一种燃烧分析仪，包括：

氧气传感器，被配置为感测燃烧过程中氧气的存在，并且产生指示所述燃烧过程中氧气浓度的第一传感器信号；

一氧化碳-甲烷双重传感器，被配置为感测所述燃烧过程中一氧化碳或甲烷的存在，并且产生指示所述燃烧过程中一氧化碳浓度或甲烷浓度的第二传感器信号；以及

控制器，被配置为基于所述第一信号确定氧气浓度并且将所述氧气浓度与阈值进行比较，其中，所述控制器基于所述比较选择性地产生控制信号，以将所述一氧化碳-甲烷双重传感器加热至大约600℃。

Images