專利名稱：一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在眾多領(lǐng)域中都需要對(duì)氣體尤其是混合氣體的發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)量，其中發(fā)熱量定義為單位質(zhì)量的可燃物質(zhì)與氧氣完全燃燒所釋放出的熱量，它是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)汽機(jī)和爐膛等熱系統(tǒng)的效率與安全性具有重要影響，其微小的擾動(dòng)都可能給整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)問(wèn)題，甚至出現(xiàn)安全事故。另外，天然氣、石油等能源產(chǎn)品進(jìn)行貿(mào)易時(shí)也需要對(duì)其發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于發(fā)熱量的測(cè)量，要求其能夠簡(jiǎn)單、快速、精確和安全的實(shí)現(xiàn)。為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了如下的一些方法，但它們都存在一定缺點(diǎn)。熱量計(jì)法。這是一種典型的直接測(cè)量發(fā)熱量的方法。其將一定量的試樣置于密封反應(yīng)室中，在充足的氧氣條件下，將試樣完全燃燒，燃燒所釋放的熱量被反應(yīng)室吸收，其溫升與試樣燃燒放出的熱量成正比，這樣發(fā)熱量就可以由燃燒前后的溫差計(jì)算出來(lái)。但是該方法有以下缺點(diǎn)，不適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量1)反應(yīng)速度慢；2)校正與維修復(fù)雜；幻熱量損失、 流量變化和其它參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)有較大影響；4)燃燒存在安全隱患。色譜法。氣相色譜(GC)是基于時(shí)間差別的分離技術(shù)，將氣化的混合物或氣體通過(guò)含有某種物質(zhì)的管，基于管中物質(zhì)對(duì)不同化合物的保留性能不同而得到分離，這樣，就可以基于時(shí)間的差別對(duì)化合物進(jìn)行分離。樣品經(jīng)過(guò)檢測(cè)器以后，被記錄的就是色譜圖，每一個(gè)峰代表最初混合樣品中不同的組分，峰出現(xiàn)的時(shí)間稱為保留時(shí)間，可以用來(lái)對(duì)每個(gè)組分進(jìn)行定性，而峰的大小、峰高或峰面積，則是組分含量大小的度量。得到各組分含量大小后，再乘以各自發(fā)熱量，就得到混合物總的發(fā)熱量。但是該方法容易受到像水蒸汽、硫化物等組分的影響，使測(cè)量結(jié)果誤差增大。另外，其反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、測(cè)量速度較慢，在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量的延遲可能導(dǎo)致計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。除此之外，GC的運(yùn)行與維修代價(jià)也很高昂。光譜吸收法。一種方法為利用半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，測(cè)得混合氣體中不可燃組分的濃度(主要為CO2)，在已知氮?dú)鉂舛扰c聲速的情況下，利用經(jīng)驗(yàn)公式求得混合氣體的發(fā)熱量。但是此方法需要知道氮?dú)獾臐舛纫约邦~外的設(shè)備來(lái)測(cè)量聲速，增大了測(cè)量的復(fù)雜性，同時(shí)由于經(jīng)驗(yàn)公式可能隨地區(qū)及時(shí)間而變化，該方法的應(yīng)用范圍也受到較大限制。另一種方法利用激光吸收光譜技術(shù)測(cè)量混合氣體完全燃燒的耗氧量，再根據(jù)燃燒耗氧系數(shù)得到發(fā)熱量。該方法需要?dú)怏w完全燃燒才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，氧氣工藝處理及消耗也導(dǎo)致運(yùn)行成本增加，同時(shí)帶來(lái)了安全隱患。因此，需要提供一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法和裝置以解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決該問(wèn)題，本發(fā)明首先公開(kāi)了一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法，所述方法包括以下步驟
a.測(cè)量混合氣體中輕組分的濃度，并計(jì)算輕組分的發(fā)熱量；b.根據(jù)光譜吸收量與發(fā)熱量之間的關(guān)聯(lián)公式計(jì)算混合氣體中重組分的發(fā)熱量；c.將上述第一步和第二步所得的發(fā)熱量相加，得到混合氣體的總的發(fā)熱量。較佳地，所述步驟b進(jìn)一步包括以下步驟b. 1根據(jù)混合氣體組分選擇合適的激光波長(zhǎng)，使得發(fā)熱量與重組分的吸收量成線性關(guān)系；b. 2向分析裝置的樣品室中充入?yún)⒖細(xì)怏w，測(cè)取激光強(qiáng)度Ir，作為參考示數(shù)；b. 3、向樣品室中充入待測(cè)混合氣體，測(cè)取光強(qiáng)Ix ；b. 4、根據(jù)下述公式計(jì)算重組分的發(fā)熱量發(fā)熱量=Coeff. χ(Ir-Ix)+Offset.較佳地，所述激光波長(zhǎng)選自下列范圍17四-1731，1761-1763，1774-1789， 2301-2303,2334-2344,2346-2348,2402-2404,2438-2447,2533-2541, 3187-3195, 3197-3209,3359-3367,3391-3400,3404-3407,3426-3427,3429-3430,3459-3461, 3469-3474,3483-3492,3551-3557,3574-3575,3640-3641,3644-3650, 3702-3708, 3763-3767，3901-3920。較佳地，所述關(guān)聯(lián)公式為Y = 2. 34x1 O^9X-L 68xl0_6。本發(fā)明進(jìn)一步公開(kāi)了一種用于上述方法的測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的裝置，所述裝置包括光學(xué)頭、準(zhǔn)直透鏡、光探測(cè)器、支架、半導(dǎo)體激光器、轉(zhuǎn)換板、樣品室和反射鏡，所述支架設(shè)置在所述光學(xué)頭中，所述準(zhǔn)直透鏡和所述光探測(cè)器設(shè)置在所述支架的下側(cè)，所述半導(dǎo)體激光器設(shè)置在所述支架的上側(cè)，所述反射鏡設(shè)置在所述裝置的下端，所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過(guò)所述準(zhǔn)直透鏡后照射在所述反射鏡上，并反射至所述光探測(cè)器，所述光學(xué)頭下端設(shè)置有轉(zhuǎn)換板，所述轉(zhuǎn)換板上連接有所述樣品室。較佳地，所述樣品室可以為單樣品室或者雙樣品室。較佳地，所述半導(dǎo)體激光器包括多個(gè)激光器，每個(gè)所述激光器分別產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的激光。較佳地，所述半導(dǎo)體激光器也采用波長(zhǎng)可調(diào)的激光器。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法和裝置，可以直接且準(zhǔn)確地測(cè)量混合氣體的發(fā)熱量，且該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)迅速、不消耗其它氣體、無(wú)燃燒、運(yùn)行可靠、維修低廉。在發(fā)明內(nèi)容部分中引入了一系列簡(jiǎn)化形式的概念，這將在具體實(shí)施方式
部分中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征。


圖1是波長(zhǎng)為23. 1. Mnm時(shí)，混合氣體中C3-C6氣體的吸收量與發(fā)熱量的關(guān)系圖；圖2是波長(zhǎng)為2301. 0至2302. 5nm時(shí)，混合氣體中C3-C6氣體的光譜吸收量；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明可以無(wú)需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。為了徹底了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。以下參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做出詳細(xì)描述。經(jīng)過(guò)我們的研究，可以將混合氣體中的氣體組分分為輕組分和重組分。輕組分主要是指分子式中碳原子數(shù)量小于等于2的氣體，比如甲烷、乙烷等。重組分主要是指分子式中碳原子數(shù)量大于2的氣體，比如丁烷、異丁烷等。由于在實(shí)際應(yīng)用中，碳原子數(shù)量大于等于7的組分的含量非常少，因此，忽略了這些重組分的發(fā)熱量。對(duì)于輕組分的氣體的發(fā)熱量的測(cè)量，可以首先通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(Tunable Diode Laser，TDL)光譜分析技術(shù)測(cè)量其濃度，然后，將各個(gè)輕組分的濃度乘以其已知熱值，就可以得到該輕組分的發(fā)熱量。各個(gè)輕組分的發(fā)熱量相加就是全部輕組分的發(fā)熱量。例如，當(dāng)混合氣體中的輕組分包括甲烷和乙烷時(shí)，輕組分的發(fā)熱量=甲烷的熱值 X甲烷的濃度+乙烷的熱值X乙烷的濃度?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析技術(shù)具有反應(yīng)迅速，設(shè)計(jì)緊湊，測(cè)量精準(zhǔn)和維修低廉等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于測(cè)量甲烷及其它小分子氣體的濃度，在此不再對(duì)其詳細(xì)描述。對(duì)于混合氣體中的重組分來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)我們研究，在激光中存在特定的波長(zhǎng)，使得所有重組分對(duì)激光的吸收量與發(fā)熱量成線性比例關(guān)系。也就是說(shuō)，在這些波長(zhǎng)范圍內(nèi)，重組分的發(fā)熱量?jī)H與激光的吸收程度有關(guān)，而與氣體混合方式無(wú)關(guān)，從而使得通過(guò)直接光學(xué)吸收測(cè)量重組分的發(fā)熱量變?yōu)榭赡?。?jīng)過(guò)我們研究，在下列波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)上述的吸收量與發(fā)熱量成線性比例關(guān)系的現(xiàn)象(單位為 nm) :1729-1731,1761-1763,1774-1789, 2301-2303, 2334-2344, 2346-2348,2402-2404,2438-2447,2533-2541,3187-3195,3197-3209,3359-3367, 3391-3400,3404-3407,3426-3427,3429-3430,3459-3461,3469-3474,3483-3492, 3551-3557，3574-3575，3640-3641，3644-3650，3702-3708,3763-3767，3901-3920。參考圖1，是波長(zhǎng)為23. l.Mnm時(shí)，混合氣體中C3-C6氣體的吸收量與發(fā)熱量的關(guān)系圖。X軸為發(fā)熱量，單位為BTU. ft_3，Y軸為發(fā)熱量。其中直線為擬合所得，斜率為 2. 34χ10"9ΒΤΓ1. ft3，直線公式為 Y = 2. 34x1 O^9X-L 68x10、即混合氣體中的 C3-C6 (C3 分子式中碳原子數(shù)為3，其他依次類推)組分的發(fā)熱量每變化1BTU. ft"3,則吸收量就變化 2.34X10—3。由于通常吸收量的測(cè)量精度約為10_3，所以當(dāng)樣品室長(zhǎng)Im時(shí)，利用該關(guān)聯(lián)式計(jì)算發(fā)熱量的精度可達(dá)到0.5BTU.ft_3。如果想要得到更高精度的測(cè)量，則需要增加光程。另外，如圖2所示，該關(guān)聯(lián)式在一個(gè)相當(dāng)大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都能具有良好的符合性。其中X軸為波長(zhǎng)，單位為納米(nm)，Y軸為吸收量。跟據(jù)上面的描述，可以構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法，其包括以下步驟1、測(cè)量混合氣體中輕組分的濃度，并計(jì)算輕組分的發(fā)熱量。輕組分的濃度的測(cè)量可以利用上述的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(Tunable Diode Laser, TDL)光譜分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行。
2、根據(jù)光譜吸收量與發(fā)熱量之間的關(guān)聯(lián)公式計(jì)算混合氣體中重組分的發(fā)熱量；3、將上述第一步和第二步所得的發(fā)熱量相加，得到混合氣體的總的發(fā)熱量。上述步驟2進(jìn)一步包括以下步驟2. 1、根據(jù)混合氣體組分選擇合適的激光波長(zhǎng)，使得發(fā)熱量與重組分的吸收量成線性關(guān)系。2. 2、向分析裝置的樣品室中充入?yún)⒖細(xì)怏w(比如空氣)，測(cè)取激光強(qiáng)度Ir，作為參考示數(shù)。2. 3、向樣品室中充入待測(cè)混合氣體，測(cè)取光強(qiáng)Ix。2. 4、根據(jù)下述公式計(jì)算重組分的發(fā)熱量發(fā)熱量=Coeff. χ(Ir-Ix)+Offset，其中Coeff.與Offset通過(guò)已知?dú)怏w進(jìn)行校正。對(duì)于上述的Coeff.與Offset兩個(gè)參數(shù)，已知兩種氣體即可確定。例如，設(shè)有η種氣體，已知發(fā)熱量分別為hl，h2···!!!!，在分析儀器中測(cè)得光強(qiáng)分別為1x1，1x2,…，Ixn，用最小二乘法確定以下直線的斜率和截距即可發(fā)熱量=Coeff. χ(Ir-Ix)+Offset.圖3示出了上述測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法中采用的分析裝置的示意圖。該分析裝置包括光學(xué)頭204 ；準(zhǔn)直透鏡206 ；光探測(cè)器210 ；支架212 ；半導(dǎo)體激光器214 ；轉(zhuǎn)換板 220 ；樣品室222和反射鏡224。其中示出了光線216。上述支架212設(shè)置在光學(xué)頭204中， 準(zhǔn)直透鏡206和光探測(cè)器210設(shè)置在支架212的下側(cè)，半導(dǎo)體激光器214設(shè)置在支架212的上側(cè)，反射鏡2M設(shè)置在分析裝置的下端，半導(dǎo)體激光器214發(fā)出的激光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡206 后照射在反射鏡2M上，并反射至光探測(cè)器210。在光學(xué)頭204下端設(shè)置有轉(zhuǎn)換板220，其上連接有樣品室222。在使用時(shí)，混合氣體從圖3下方所示的箭頭處進(jìn)入樣品室222，并從樣品室222的上端流出。上述的樣品室222，可以為單樣品室，供給樣品室的待測(cè)氣體與參考?xì)怏w可以自動(dòng)進(jìn)行切換。也可以為雙樣品室，待測(cè)氣體與參考?xì)怏w分別進(jìn)入不同的測(cè)量室。流量可以隨意控制，無(wú)滯后時(shí)間，但造價(jià)較前者昂貴。半導(dǎo)體激光器214可以包括多個(gè)激光器，每個(gè)激光器分別產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的激光。 或者可以采用波長(zhǎng)可調(diào)的激光器，比如量子級(jí)聯(lián)激光器。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法和裝置，可以直接且準(zhǔn)確地測(cè)量混合氣體的發(fā)熱量，且該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)迅速、不消耗其它氣體、無(wú)燃燒、運(yùn)行可靠、維修低廉。本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)上述實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說(shuō)明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書(shū)及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟a.測(cè)量混合氣體中輕組分的濃度，并計(jì)算輕組分的發(fā)熱量；b.根據(jù)光譜吸收量與發(fā)熱量之間的關(guān)聯(lián)公式計(jì)算混合氣體中重組分的發(fā)熱量；c.將上述第一步和第二步所得的發(fā)熱量相加，得到混合氣體的總的發(fā)熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b進(jìn)一步包括以下步驟b. 1根據(jù)混合氣體組分選擇合適的激光波長(zhǎng)，使得發(fā)熱量與重組分的吸收量成線性關(guān)系；b. 2向分析裝置的樣品室中充入?yún)⒖細(xì)怏w，測(cè)取激光強(qiáng)度Ir，作為參考示數(shù)； b. 3向樣品室中充入待測(cè)混合氣體，測(cè)取光強(qiáng)Ix ；b. 4根據(jù)下述公式計(jì)算重組分的發(fā)熱量發(fā)熱量=Coeff. χ(Ir-Ix)+Offset.
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光波長(zhǎng)選自下列范圍17四-1731， 1761-1763,1774-1789,2301-2303,2334-2344,2346-2348,2402-2404,2438-2447, 2533-2541,3187-3195,3197-3209,3359-3367,3391-3400,3404-3407,3426-3427, 3429-3430,3459-3461,3469-3474,3483-3492,3551-3557,3574-3575, 3640-3641, 3644-3650,3702-3708,3763-3767，3901-3920。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述關(guān)聯(lián)公式為Y= 2. 34χ1(Γ9Χ-1. 68Χ1(Γ6。
5.一種用于權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)方法的測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的裝置，其特征在于， 所述裝置包括光學(xué)頭、準(zhǔn)直透鏡、光探測(cè)器、支架、半導(dǎo)體激光器、轉(zhuǎn)換板、樣品室和反射鏡， 所述支架設(shè)置在所述光學(xué)頭中，所述準(zhǔn)直透鏡和所述光探測(cè)器設(shè)置在所述支架的下側(cè)，所述半導(dǎo)體激光器設(shè)置在所述支架的上側(cè)，所述反射鏡設(shè)置在所述裝置的下端，所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過(guò)所述準(zhǔn)直透鏡后照射在所述反射鏡上，并反射至所述光探測(cè)器，所述光學(xué)頭下端設(shè)置有轉(zhuǎn)換板，所述轉(zhuǎn)換板上連接有所述樣品室。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述樣品室為單樣品室。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述樣品室為雙樣品室。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器包括多個(gè)激光器，每個(gè)所述激光器分別產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的激光。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器采用波長(zhǎng)可調(diào)的激光ο
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法，該方法包括以下步驟測(cè)量混合氣體中輕組分的濃度，并計(jì)算輕組分的發(fā)熱量；根據(jù)光譜吸收量與發(fā)熱量之間的關(guān)聯(lián)公式計(jì)算混合氣體中重組分的發(fā)熱量；將上述第一步和第二步所得的發(fā)熱量相加，得到混合氣體的總的發(fā)熱量。本發(fā)明還公開(kāi)了應(yīng)用于上述方法中的分析裝置。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量混合氣體發(fā)熱量的方法和裝置，可以直接且準(zhǔn)確地測(cè)量混合氣體的發(fā)熱量，且該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)迅速、不消耗其它氣體、無(wú)燃燒、運(yùn)行可靠、維修低廉。
文檔編號(hào)G01N21/39GK102269695SQ20111016712
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者劉翔, 胡雪蛟 申請(qǐng)人:武漢米字科技有限公司