专利名称：用于调节或监测燃烧设备以及监测具有燃气燃烧器的建筑的方法和装置的制作方法
用于调节或监测燃烧设备以及监测具有燃气燃烧器的建筑
的方法和装置本发明涉及一种用激光吸收光谱分析同时测量一氧化碳浓度和甲烷浓度的方法。 此外，介绍了一种用于实施这种方法的装置。本发明的方法和装置用于调节和/或监测燃 烧设备或使用燃气燃烧器的建筑。这个物理事实被充分利用，S卩，在一氧化碳(CO)的吸收光谱带 (Absorptionsband)中，例如在波长为2. 35微米时，除了一氧化碳的吸收谱线以外还出现 了甲烷(CH4)或水(H2O)的吸收谱线。通过对在激光光谱分析中观察到的光谱的评估，可以 确定在测量气体中现有的、在该区域中具有吸收谱线的所有气体的浓度。为了在一个吸收路径中检测一种或多种气体，可以在使用光谱分析，尤其是激光 光谱分析的情况下确定多种气体及其浓度。为了同时测量上述三种气体成分，需要一个唯 一的可调谐的单色光源。尤其可以将所谓的VCSEL用作光源。VCSEL是一种用于光学传播 技术中的小型高效激光器。这种VCSEL(垂直腔表面发射激光器Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的出色特征在于较高的数据传输速率并且同时需要很少的能量输入。此外，在现有技术中已知可同时检测一个测量气体体积中的至少两种气体的金属 氧化物型半导体气体传感器。然而这些传感器要求将一个气体敏感的涂层施加在不同温度 水平上，使得该气体敏感的涂层对于每种气体的检测具有最佳温度。这与热交换过程或与 加热和冷却过程相关联。对于某些燃烧技术方面的调节或监测而言，期望燃气调节系统或安全系统具有非 常短的反应时间。但是用金属氧化物型半导体传感器无法实现传感器用于测量至少两种气 体成分时有这种非常短的反应时间。本发明所要解决的技术问题在于，提供用于同时测量一氧化碳浓度和甲烷浓度的 方法和装置。该技术问题通过相应的独立权利要求的特征组合解决。由从属权利要求可知有利的设计方案。本发明的基础是使用带有可连续调谐波长的单色光源的光谱分析。为此尤其使用
激光器二极管。本发明基于在利用可调谐波长的单色光源的光谱分析中，尤其是激光光谱分析中 同时检测一氧化碳和甲烷的浓度，其中，测量气体被加载在一段吸收路径中，并且借助光传 感器接收位于吸收路径中的测量气体的吸收光谱，其中，至少存在一氧化碳和甲烷的吸收 光谱带。为了调节和/或监测燃烧设备以及监测具有燃气燃烧器的建筑的目的，使用这种 方法将带来显著的优点。借助一个可连续调谐的单色光源，例如VCSEL来同时测量一氧化碳和甲烷的浓度 尤其能够实现这三种应用1.调节燃烧设备2.燃烧设备的安全性监测3.监测具有燃气燃烧器的建筑
为了快速测量一氧化碳和甲烷的浓度有利的是，使用激光器二极管，尤其是 VCSEL0这样选择激光器二极管的频率，使得在单色调谐时既扫过一氧化碳的吸收光谱带 (吸收谱线频带)也扫过甲烷的吸收光谱带。对接收到的吸收光谱的评估不仅用于检测这 些气体是否存在，而且测量这些气体的浓度。可以通过评估各光谱带相应的幅值进行浓度 检测。特别有利的是，将一个标样气体小室或参考气体小室(Referenzgaszelle)直接 设置在燃烧设备的废气流中或设置在旁路中。参考气体小室以有利的方式包含至少一种目 标气体，从而可以对该目标气体进行参考测量或参比测量。对一氧化碳浓度的监测例如可 以用于调节和优化燃烧。相应地，可以通过在出现与额定值的偏差时进行的再调节而监测 并调节形成一个最佳的燃烧状态。这种方法可以有利地用于由燃气燃烧器供暖的建筑中。除了一氧化碳浓度还可监 测甲烷浓度，其中，使用的燃料中包含甲烷的成分。有利的是，在监测排气系统和燃气供暖 的建筑时这样设计调节或监测过程，使得在燃气输送管道泄漏和排气管道泄漏时，一氧化 碳浓度和甲烷浓度的测量值与有效的爆炸极限保持足够的距离。因为不能只通过对一氧化碳的检测和浓度测量揭示燃烧或排气过程，所以重要的 是，至少同时测量一个甲烷浓度值，以便确凿地识别燃烧设备故障。以下借助示意性
实施例。在附图中图1示出在2. 363-2. 368微米范围内测得的导数光谱，其带有一氧化碳/lOppm、甲 烷/85ppm以及水/12000ppm的吸收谱线，其中，测量借助一个VCSEL进行；图2示出一氧化碳/甲烷-传感器在燃气燃烧器的排气系统中的安装位置；图3示出一氧化碳/甲烷-传感器在起居室中的安装位置，起居室与燃气暖气/ 燃气锅炉的工作间连接。用VCSEL作为光源可以开发出各种应用。相对于现有技术可以实现的最显著优点 是，可以明显减少测量至少两种测量气体浓度时的测量时间。此外，所需的技术耗费比按照 现有技术的方法或装置明显更低。因此，可以最佳地调整燃烧设备的运行。在此，一氧化碳的特征浓度起到重要作用。一氧化碳的特征浓度例如是几十个ppm^ 14ppm。由一氧化碳的浓度测量可以监 测和调节最佳的燃烧状态。由此实现尽可能高的效率，并且将不期待的有害物质的排放降 至最低。对一氧化碳和甲烷浓度的同时测量可以实现避免燃气燃烧器出现不期待运行状 态的扩展监测功能。监测功能记录排气系统中一氧化碳和甲烷的浓度并且一直这样进行，直至监测到 在燃烧中缺氧量上升时一氧化碳浓度上升超过爆炸极限。在缺氧量继续升高时，未燃烧的 碳氢化合物例如甲烷也进入排气系统中。此时一氧化碳浓度又会降低。换而言之，只通过 监测一氧化碳浓度无法明确识别出危险的运行状态。同时测量一氧化碳和甲烷才能可靠地 识别出各种运行状态。若例如排气管道中存在可燃的气体混合物，则可以直接检测出这种 危险的运行状态。若例如在私人住所中安装有燃气加热装置(festherme)，则尤其出现这两种潜在的危险源a.输入的燃气，例如天然气泄漏。b. 一氧化碳从燃烧中流出进入室内空气。两种情况总会导致造成重大损失的事故。用于实施相应于本发明方法的装置需要一个可调谐的单色光源，例如VCSEL，以及 吸收路径和光传感器。待检测的气体位于吸收测量路径中。通过光谱上可连续调谐的单色 光源，在测量路径中存在的气体混合物的吸收光谱被光传感器接收。目标气体是一氧化碳 CO和甲烷CH4。光源的推荐波长可以是例如2. 35微米。在此，激光器二极管保持单色，但可以在 细微范围内这样调谐，使得可以接收到测量气体的吸收光谱。原则上可以使用一氧化碳和 甲烷吸收的任何波长范围。对吸收光谱进行评估以测出混合物中单个气体的浓度。这例如 通过比较所述气体混合物的测量光谱与计算光谱进行。为了取得参考值，例如在测量气体路径中安装一个参考气体小室。在该参考气体 小室中用一种气体进行预吸收。该参考气体小室可以直接布置在气体流中或也可以布置在 单独的光路中。在后面的情况中，参考气体小室会包含从主气流中照射出的光的一部分。如果光传感器的外罩和/或光源的外罩由一种参考气体填充，并且光线被相应地 导引通过该参考气体，则可以省去单独的参考气体小室。参考气体或者至少由目标气体之一或者至少由另一种在测量光谱中的吸收气体 组成。在此，例如可以确定一种目标气体，其中，这种气体的一个原子被同位素代替。可以 检测多于两种成分的气体混合物。—氧化碳的浓度测量用于在效率方面尽可能地优化燃烧并且避免不期待地排放 例如一氧化碳和一氧化氮以及未燃烧的碳氢化合物。在调节时，将空气体积流输送给燃烧 设备并且根据测得的一氧化碳浓度进行再调节。危险的运行状态例如与爆炸危险相关联。这些运行状态可以借助超出确定的边界 值，例如超出MAK值(最大工作场地浓度)被识别出。危险的运行状态例如可通过以下识别出超过确定边界值的一氧化碳浓度、超过确定边界值的甲烷浓度或一氧化碳和甲烷 浓度的随时间的特征性变化。除了一氧化碳和甲烷，可以附加地测量水或水蒸气的浓度来评价燃烧设备的状 态。燃烧废气中包含有多个体积百分比的水蒸气。在不完全燃烧时，湿气浓度在火苗熄灭 时降至环境空气的值，约为的体积百分数。图1示出一个可由连续调谐的VCSEL扫过的、在2. 363至2. 368微米范围内的吸 收光谱，其中，一氧化碳/lOppm、甲烷/85ppm以及水/12000ppm的光谱带被扫过。数值同时 说明了测得的浓度。图2示出一氧化碳/甲烷-传感器在可调节一氧化碳含量的燃气燃烧器或燃油燃 烧器的排气系统中的安装位置。出于安全性原因，可以附加地同时测量甲烷含量，以便检测 到其它的紧要运行状态。图3示出一氧化碳/甲烷-传感器在起居室中的安装位置，起居室与燃气暖气/ 燃气锅炉的工作间连接，其中，可以补充地安装或集成一个烟感器。包括水蒸气在内的目标气体比空气轻，因此安装在天花板上是合理的。
权利要求
1.一种用于调节或监测燃烧设备以及用于监测具有燃气燃烧器的建筑的方法，这种方 法使用带有至少一个可连续调谐波长的单色光源的光谱分析，其中，在吸收路径内的测量 气体的吸收光谱随着光源的光谱连续调谐由至少一个光传感器接收，并且在光源的连续调 谐期间同时确定目标气体一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)的浓度。
2.按权利要求1所述的方法，其中，将激光器二极管，尤其是VCSEL，即垂直腔表面发射 激光器用作光源。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，光源或激光器二极管在波长为2.3微米时连续 调谐，其中，同时扫过一氧化碳和甲烷的吸收谱线。
4.按权利要求1至3之一所述的方法，其中，借助测量到的目标气体浓度对吸收光谱进 行评估。
5.按权利要求1至4之一所述的方法，其中，为了用一种气体进行预吸收，直接设置或 在旁路光路中设置一参考气体小室。
6.按权利要求1至5之一所述的方法，其中，在所述参考气体小室中现有的气体至少包 含一种目标气体。
7.按权利要求1至6之一所述的方法，其中，所述吸收路径布置在燃烧设备后面的排气 系统中和/或待监测的空间中，尤其是在燃气加热装置的工作间中。
8.按权利要求1至7之一所述的方法，其中，监测所述目标气体的气体浓度是否达到预 先给定的最大值。
9.按权利要求1至8之一所述的方法，其中，为了使燃烧设备的效率最大化，监测一氧 化碳的特征浓度使其低于lOOppm。
10.按权利要求1至9之一所述的方法，其中，用监测功能借助一氧化碳和甲烷随时间 变化的浓度曲线进行调节和监测。
11.按权利要求10所述的方法，其中，根据对两种目标气体的浓度测量，排除达到爆炸 极限的可能性。
12.按权利要求1至11之一所述的方法，其中，既监测输送给燃烧设备的、含有甲烷成 分的燃气的泄漏，也监测从燃烧设备漏出到室内空气中的一氧化碳的泄漏。
13.按权利要求1至12之一所述的方法，其中，这样关于频率选择所述光源，使得在光 源连续调谐时，水(H2O)的特征光谱带被附加地扫过并且评估，以便评价燃烧设备的状态。
14.按权利要求1至13之一所述的方法，其中，为了避免危险的运行状态，监测超过确 定边界值的一氧化碳浓度以及超过确定边界值的甲烷浓度，和/或监测一氧化碳浓度和甲 烷浓度随时间变化的特征曲线。
15.一种用于实施按权利要求1至14之一所述方法的装置，其由以下部件组成-一个单色的激光器或半导体激光器，尤其是VCSEL，-一个位于排气区域或受到气体泄漏威胁的空间内的吸收路径，-一个用于接收穿过吸收路径射出的光线的光传感器和-一个评估单元，该评估单元用于由在激光器或半导体激光器连续调谐时扫过的吸收 光谱确定存在的目标气体和/或其浓度。
全文摘要
本发明涉及一种用于调节或监测燃烧设备以及监测具有燃气燃烧器的建筑的方法，该方法使用带至少一种可连续调谐波长的单色光源的光谱分析，其中，在吸收路径内的测量气体的吸收光谱随着光源的光谱连续调谐由至少一个光传感器接收，其中，在光源的连续调谐时可同时确定目标气体一氧化碳(CO)和甲烷(CH4)的浓度。本发明还涉及一种用于实施该方法的装置，其由一个单色的激光器二极管，尤其是VCSEL、一个位于排气区域或受到气体泄漏威胁的空间内的吸收路径、一个用于接收穿过吸收路径射出的光线的光传感器和一个评估单元组成，该评估单元用于由在激光器或激光器二极管连续调谐时扫过的吸收光谱确定目标气体的浓度。用途激光光学的气体传感器在燃气燃烧设备中的应用。
文档编号G01J3/42GK102077028SQ200980124297
公开日2011年5月25日 申请日期2009年7月3日 优先权日2008年7月9日
发明者安德烈亚斯·汉高尔, 汉斯·林克, 陈佳, 雷纳·斯特佐达 申请人:西门子公司
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