SE453017B - Sett och anordning for bestemning av parametrar for gasformiga emnen som er nervarande vid forbrenningsprocesser och andra processer som sker vid hog temperatur - Google Patents

Description

20 25 30 455 017 2 à andra sidan blir för låg bildas dioxin, som är ett fruktat miljögift. Med en lämplig styrning av temperatu- ren sà att denna hålls vid ett mellanliggande värde kan utsläppen av dessa båda farliga föreningar mini- meras. Dessa exempel visar alltsá att mycket stora eko- nomiska och miljömässiga värden kan sparas med effektiv styrning och reglering.

Tyvärr har tekniken pá omrâdet inte utvecklats i samma takt som råvarukostnaderna och de miljömässiga problemen. En av anledningarna till detta är givetvis de höga temperaturerna som omöjliggör användning av normala givare och mätinstrument. En annan anledning är att mätmiljön i exempelvis ett kolkraftverk ställer mycket höga krav på mätutrustningen, som måste tåla smuts, vibrationer osv. Fram till för ett par är sedan fanns det därför endast otillförlitliga metoder. Tempe- raturen mättes med termoelement, vilka störde processerna och därför inte gav säkra resultat. Vidare registrerades de vid förbränningen närvarande ämnenas koncentration genom att gas sögs ut fràn förbränningszonen och in i en masspektrometer. Även dessa koncentrationsmätningar blev osäkra, eftersom processerna stördes vid utsugningen av provet, det utsugna gasprovet avkyldes i masspektra- metern och risken fanns att ämnena kunde reagera med varandra i masspektrometern och att mätningen därmed inte skedde på samma ämnen som fanns närvarande vid processen.

Nyligen har det emellertid utvecklats en teknik som möjliggör beröringsfri mätning av koncentration och temperatur vid förbränningsprocesser och som därmed vilken kallas CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering), presenteras i Elteknik med aktuell elektronik l985:4 sid 76-80. Vid mätning med CARS används två lasrar, den ena avstämbar och den inte stör dessa. Tekniken, andra med fixerad frekvens. Strålarna från dessa båda lasrar fokuseras och inställs så att de korsar varandra under en speciell vinkel. Det område till vilket de båda 10 15 20 25 30 453 017 3 laserstrálarna skall fokuseras har en yta av ca 3 umz.

Om fokuseringen misslyckas fungerar inte metoden. Frek- vensskillnaden mellan strålarna måste vidare exakt mot- svara skillnaden mellan två interna energinivàer i den molekyl, som man önskar undersöka. Sásom omedelbart framgår av denna korta beskrivning rör det sig om en teknisk mycket komplicerad anordning, vilken endast specialutbildade tekniker kan installera och utföra mätningar med. Kostnaden för en sådan anordning är natur- ligtvis mycket stor, i artikeln nämns summan 2 miljoner kronor per system, och eftersom det rör sig om högeffekts- lasrar förväntas denna summa inte sjunka.

Olyckligtvis har lasertekniken även andra nackdelar.

För det första kan problem uppstå med att få fram en tillräckligt stark mätsignal vid mätningar i processer med hög partikelhalt. För det andra är lasern en brusig ljuskälla, vilket leder till att mätnoggrannheten i många fall inte blir speciellt bra. För det tredje måste olika mätuppställningar (lasrar) användas för mätningar i olika frekvensomráden. För det fjärde uppstår säker- hetsproblem, eftersom ljus som reflekteras från ytor som reflekterar så lite som ett par procent kan medföra obotliga skador om det träffar ögat.

För att tillgodose samhällets intresse för rávaru- besparingar och begränsningar av miljöfarliga utsläpp finns det sålunda ett stort behov av en enklare, till- förlitligare och billigare teknik, som kan utnyttjas av vem som helst utan stora fackkunskaper, men vilken ändå klarar de stora påfrestningar som en miljö med höga temperaturer och mycket föroreningar innebär. Ändamålet med föreliggande uppfinning är således att åstadkomma ett billigt och enkelt sätt att mäta parametrar hos gasformiga ämnen, som är närvarande vid förbränningsprocesser och andra processer, som sker vid hög temperatur. Ett speciellt intressant område är mätning inuti flammor. Ett annat ändamål med före- liggande uppfinning är att åstadkomma en anordning 455 017 10 15 20 25 .30 35 4 för genomförande av sättet. Ändamålet uppnås medelst ett sätt, vilket känne- tecknas av att det transmitterade ljuset är spektralt bredbandigt ljus fràn en yttre ljuskälla; att registre- ringen görs ett stort antal gånger och under så kort tid att den sammanlagda ljusintensiteten för hela våg- längdsintervallet är konstant under varje registrering; de registrerade spektralfördelningarna medelvärdesbil- das och de sökta parametrarna beräknas på grundval av medelvärdesspektralfördelningen, varvid dennas utseen- de och för kända betingelser beräknade eller regist- rerade spektra utnyttjas för denna beräkning.

För genomförande av sättet enligt uppfinningen utnyttjas en anordning, vilken kännetecknas av en spekt- ralt bredbandig ljuskälla, fràn vilken ljus transmit- teras mot gaserna, av att registreringen utförs ett stort antal gånger och på så kort tid att den samman- lagda ljusintensiteten för hela vâglängdsintervallet är konstant under varje registrering, och av en medel- värdesbildare samt datororgan för beräkning av de sökta parametrarna.

Med föreliggande uppfinning kan mätningar utföras pá alla gasformiga ämnen genom vilka ljus kan transmit- teras.

Vidare kan parametrarna för flera ämnen bestämmas vid en och samma mätning.

Genom att ett stort antal spektra upptas och genom att varje spektrum upptas under så kort tid att mät- betingelserna är konstanta kan mycket små absorptioner detekteras.

I det följande skall föreliggande uppfinning beskriv- as genom ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar. Fig l visar schematiskt en anordning enligt uppfinningen. Pig 2 visar schematiskt en variant av anordningen i fig 1. Fig 3A och 3B visar vid olika 10 15 20 25 30 35 455 017 5 temperaturer upptagna absorptionsspektra för ett och samma ämne. Fig 4 är en absorptionsprofil och visar dennas av temperaturen respektive trycket beroende bredd- ning.

I fig 1 visas en anordning, vilken är avsedd att användas för mätning av parametrar för gaser, som finns närvarande vid förbränningsprocesser och andra processer, som sker vid hög temperatur. En lampa l, vilken måste ha åtminstone samma frekvensomfáng som det vàglängds- intervall som man önskar undersöka och vilken exempel- vis kan vara en 450 Watts Xenonlampa, är placerad i en parabolisk spegels 4 fokus och i närheten av det mätobjekt 2 pà vilket mätningarna skall utföras. Mitt för lampan l och på andra sidan av mätobjekten 2, som i det visade fallet utgöres av en flamma, är en mottagar- anordning bestående av en parabolisk spegel 5 och en snedställd spegel 3 anordnad. En spektrometer 6 är sà placerad att den mottar ljus från mottagaranord- ningen. Alternativt kan ljuset frán mätobjektet ledas direkt in i spektrometern 6, varvid mottagaranordning- en är överflödig. För mätningar i det synliga omrâdet och i UV-området kan spektrometern lämpligen vara en allmänt känd gitterspektrometer. I IR-området erford- ras en Michelsoninterferometer, som ger mycket hög upplösning. Spektrometern 6 innefattar en anordning för snabb omvandling av det av det spektraluppdela- de ljuset bestående spektrat till elektriska signaler.

Denna anordning kan exempelvis bestå av en inuti spekt- rometern 6 placerad roterande spegel 7, som sveper spektromet över en fix utgångsspalt, och en fotomul- tiplikator 8 för omvandling av intensiteten hos det genom spalten transmitterade ljuset till elektriska signaler. Alternativt kan anordningen utgöras av en diodarray. De idag på marknaden tillgängliga diod- arrayerna är emellertid inte tillräckligt känsliga utan signalen störs av brus. Andra anordningar är också tänk- bara under förutsättning att spektrumet registreras så 10 15 20 25 30 35 453 017 6 snabbt att den sammanlagda ljusintensiteten för hela våglängdsintervallet är konstant under varje registre- ring. Däremot kan den sammanlagda ljusintensiteten vara olika vid olika registreringar, eftersom signalnivàn fluktuerar i beroende av turbulens i mätobjektet, varia- tioner i lampans utsignal, vibrationer, etc. Anordningens utgång är kopplad till en snabb A/D-omvandlare, vilken omvandlar den analoga signalen från fotomultiplikatorn eller diodarrayen till digitalt format, varefter signalen lagras i en dator 9. I datorn 9 finns lagrat program för medelvärdesbildning av de registrerade spektrana, för beräkning av de sökta parametrarna och för styrning av den roterande spegeln samt vid kända betingelser upptagna referensspektra. Datorn har också minnesutrymme för lagring av de registrerade spektrana. Till datorn kan en skrivare 10 eller någon annan lämplig presentations- enhet vara kopplad. Vidare kan datorn 9 vara kopplad till ej visade styr- och reglerorgan, vilka mottar styrsignaler i beroende av resultatet av mätningarna.

Mätanordningen fungerar på följande sätt. Ljus från lampan l reflekteras i den paraboliska spegeln 4 och lämnar denna som ett parallellt ljusknippe, vilket trans- mitteras genom mätobjektet 2. Det transmitterade ljuset mottas av den paraboliska spegeln 5, reflekteras till den snedställda spegeln 3 och vidare till spektrometerns 6 ingång. I spektrometern 6 spektraluppdelas ljuset.

Den roterande spegeln 7 sveper spektrumet över den fixa spalten pà spektrometerns utgång, varvid fotomultiplika- torn 8 sekventiellt mottar det genom spalten transmitte- rade ljuset från spektrumets olika váglängdsintervall och avger en mot intensiteten för detta ljus svarande analog signal. Den analoga signalen A/D-omvandlas och lagras i datorn 9. Genom upprepning av dessa operationer registreras på kort tid ett stort antal spektra (l0000- 100000 st), vilka därefter medelvärdesbildas i datorn.

För att kompensera för vàglängdsberoende variationer i lampans utsignal och reflektionen i speglar, etc och Uf 10 15 20 25 30 35 453 017 7 för att få fram de intressanta absorptionsprofilerna divideras medelvärdesspektrumet med en härför lämplig funktion. På grundval av det sålunda erhållna spektrumet beräknar datorn i realtid, såsom kommer att beskrivas närmare nedan, de sökta parametrarna.

I fig 2 visas en variant av uppställningen i fig 1.

Enligt denna variant leds ljuset från ljuskällan l till mätobjektet 2 och/eller från mätobjektet 2 till spektro- metern 6 medelst optiska fibrer ll. För att föra in lju- set i de optiska fibrerna utnyttjas en speciell anord- ning l2, vilken består av en plan, snedställd spegel och en fokuserande spegel. (Anordningen är patentsökt, SE 8406025-0.) Denna mätuppställning är främst avsedd att användas vid mätning i svårt tillgängliga miljöer och vid mätning över korta och väldefinierade sträckor, exempelvis inuti en flamma.

De i datorn utförda beräkningarna grundar sig pà att elektroner bara kan kretsa i vissa bestämda skal eller banor i atomer. Varje sådan elektronbana motsvarar ett bestämt energitillstånd. I molekyler är situationen mer komplicerad. Förutom de elektrontillstánd som finns i atomerna finns det också vibrations- och rotations- tillstånd, som beror på att molekylerna kan vibrera längs resp rotera kring en axel. Principen är dock den- samma: varje molekyl har ett begränsat antal tillåtna energitillstånd. Om en atom eller en molekyl träffas av fotoner, dvs av ljus, vars frekvens exakt motsvarar energiskillnaden mellan två tillstànd i atomen eller molekylen, absorberas en foton med viss sannolikhet, varvid atomen eller molekylen i så fall övergår från ett energitillstånd till ett annat. Genom att sända ljus med visst frekvensinneháll och viss intensitet genom exempelvis en gas och genom att studera hur mycket ljus som absorberats vid en viss frekvens vid trans- missionen genom gasen kan man få många informationer om de i gasen ingående ämnena.

I det följande skall.översikt1igt beskrivas hur 453 017 10 15 20 25 30 35 8 beräkning av koncentration, temperatur, tryck, partikel- storleksfördelning och partikelantal gär till med utgångs- punkt från de upptagna spektrana.

TEMPERATUR Elektronerna i en atom besätter olika tillstànd beroende av temperaturen. På samma sätt är olika elektron-, vibra- tions- och rotationstillstánd i en molekyl besatta i beroende av temperaturen. Detta leder till att atomer och molekyler absorberar fotoner med olika frekvens i beroende av temperaturen, vilket i sin tur medför att ett ämnes absorptionsspektrum ser olika ut vid olika temperaturer. I fig 3A och 3B visas tvâ olika spektra, vilka upptagits vid olika temperaturer, för ett och samma ämne. Skillnaderna framgår tydligt. Genom att jämföra ett spektrum som upptagits med anordningen enligt föreliggande uppfinning med spektra som upptagits under (eller beräk- nats för) kända betingelser kan temperaturen bestämmas.

KONCENTRATION Koncentrationen bestäms genom utnyttjande av Lambert-Beers lag I=I0e_°lC, där I är lika med det transmitterade ljusets intensitet, I0 är lika med ljuskällans intensitet, 0 är lika med absorptionstvärsnittet för ämnet i fråga, l är lika med absorptionsträckan och c är lika med koncen- trationen. Denna koncentrationsbestämning förutsätter emellertid att temperaturen är känd, eftersom absorptions- tvärsnittet är temperaturberoende. Med sättet enligt före- liggande uppfinning kan dock temperaturen enkelt bestäm- mas. Den sålunda bestämda koncentrationen är medelkoncen- trationen för ämnet i fråga längs absorptionssträckan.

Om temperaturen är olika på olika ställen längs absorp- tionssträckan kan ytterligare information erhållas. _ IBXSK I fig 4 visas en absorptionsprofil och speciellt dennas breddning till följd av tryck och temperatur. Kurvan A visar det rena temperaturbidraget, sk Dopplerbreddning.

Halvvärdesbredden för denna kurva är proportionell mot roten ur temperaturen. Kurva B visar hur absorptions- ll l0 15 20 25 30 35 453 017 9 profilen ser ut vid tryckbreddning. Halvvärdesbredden för denna kurva är direkt proportionell mot trycket och proportionell mot roten ur temperaturen. Kurvorna visar alltså breddningsfenomenen var för sig. En verklig absorptionsprofil kommer att vara en sammansättning av de båda. Med kännedom om temperaturen kan således trycket bestämmas som en funktion av absorptionsprofilens breddning och vice versa.

ANTAL PARTIKLAR OCH DESSAS STORLEKSFÖRDELNING När antalet partiklar i en gas och dessas storleksför- fördelning skall bestämmas upptages ett spektrum för hela det optiska omrâdet från UV till IR. Sá kallad Mie-spridning medför att ljus av olika våglängd sprids olika mycket mot partiklar i gasen och därmed att olika mycket ljus i olika vàglängdsområden kommer att nå mot- tagaranordningen. Genom att jämföra det transmitterade ljusets intensitet i olika våglängdsomráden i spektrumet kan man bestämma partiklarnas storleksfördelning och genom att titta pà nivån för intensiteten för hela väg- längdsområdet kan antalet partiklar bestämmas.

Förutsättningarna för att de ovan beskrivna beräk- ningarna skall kunna genomföras är att ett spektrum med tillräckligt hög noggrannhet kan registreras. Detta blir möjligt genom tekniken med den snabba svepningen och registreringen av spektrumet på spektrometerns utgång.

Ju större antal registreringar som görs desto bättre blir naturligtvis noggrannheten. Bruset minskar närmare bestämt med roten ur antalet registreringar som görs.

Fördelarna med denna teknik är många. Den är väsent- ligen billigare än den tidigare beskriva laserbaserade metoden. Noggrannheten är mycket hög. I många fall är den bättre än vad som kan åstadkommas vid mätningar med någon annan metod. Det är en generell teknik. Samma anordning kan användas för mätningar på olika ämnen och för olika tillämpningar. Mättekniken är också enkel och tillförlitlig och det erfordras inte några special- utbildade tekniker för att hantera anordningen. Tekniken 10 15 20 25 30 453 017 10 0 lämpar sig vidare för làngtidsmätningar eftersom den inte kräver ständig övervakning. Den lämpar sig också för mätningar på svårtillgängliga ställen, eftersom ljuset kan föras till och från mätstället medelst optiska fibrer, vilket inte är möjligt med laserljuset i den tidigare kända tekniken. Det är dessutom möjligt att MN med en och samma mätanordning övervaka flera processer eller flera mätpunkter i en process genom att ljus från en eller flera lampor förs till de olika mätpunkterna och från de olika mätpunkterna till själva mätanordningen medelst optiska fibrer, varvid anordningen styrs till att cykliskt beräkna parametrarna för de olika mätningar- na. Om flera absorptionssträckor registreras samtidigt i olika riktningar genom mätobjektet kan tredimensionella kartbilder över de sökta mätvärdena genereras med tomo- grafiteknik. _ Föreliggande uppfinning är avsedd för realtidsövervak- ning av och mätning vid förbränningsprocesser, speciellt flammor, och alla processor, där hög temperatur omöjlig- gör användning av konventionell teknik. Föreliggande upp- finning är även avsedd att fungera som givare för styrning och reglering av processer av den ovannämnda typen.

Exempel pà tillämpningsomrâden är värme- och kraftindu- stri (förbränning av olika bränslen, flamövervakning) kemiska processindustri (temperaturövervakning i salt- syraugnar) pappers- och massaindustri (bestämning av partikelhalt, detektion av gaser vid höga temperaturer) järn- och stâlindustri (temperaturmätning i ugnar och konvertrar, analys av tunga element i gasflöden), bil- industri (avgasanalys, speciellt vid katalytisk avgas- rening) etc.

Föreliggande uppfinning är naturligtvis inte begränsad f) till de visade utföringsformerna utan många modifieringar kan göras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (2)

1. l0 l5 20 25 30 453 m7 ll PATENTKRAV l. Sätt att bestämma parametrar, speciellt tryck, temperatur, koncentration, partikelantal och partikel- storleksfördelning, för gasformiga ämnen, som är när- varande vid förbränningsprocesser och andra processer, som sker vid hög temperatur, vid vilket sätt genom gaserna transmitterat ljus spektraluppdelas; ljusets spektrala fördelning i det studerade våglängdsintervallet registre- ras, varvid varje registrering sker sekventiellt genom att det spektraluppdelade ljuset svepes relativt en en-kanalsdetektor, k ä n n e t e c k n a t av att det transmitterade ljuset är spektralt bredbandigt ljus från en yttre ljuskälla; att registreringen görs ett stort antal gånger och under så kort tid att den samman- lagda ljusintensiteten för hela váglängdsintervallet är konstant under varje registrering; de registrerade spektralfördelningarna medelvärdesbildas och de sökta parametrarna beräknas pà grundval av medelvärdesspektral- fördelningen, varvid dennas utseende'och för kända beting- elser beräknade eller registrerade spektra utnyttjas för denna beräkning.

2. Anordning för bestämning av parametrar, speciellt tryck, temperatur, koncentration, partikelstorleksfördel- ning och partikelantal, för gaser, som är närvarande vid förbränningsprocesser eller andra processer med hög temperatur, innefattande ett organ (6) för spektral- uppdelning av ljus som transmitterats genom gaserna; organ (7, 8) för sekventiell registrering av ljusets spektrala fördelning i det studerade vàglängdsinter- vallet vilka innefattar en en-kanalsdetektor (8), vars utsignal är proportionell mot det mottagna ljusets in- tensitet, och organ för svepning av det spektraluppde- lade ljuset relativt en-kanalsdetektorn, k ä n n e - t e c k n a d av en spektralt bredbandig ljuskälla (1), från vilken ljus transmitteras mot gaserna, av att 453 017 12 registreringen utförs ett stort antal gånger och på så kort tid att den sammanlagda ljusintensiteten för hela våglängdsintervallet är konstant under varje registrering, och av en medelvärdesbildare samt dator- organ (9) för beräkning av de sökta parametrerna. (J N;