专利名称：具有在位标定功能的在位式气体分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在位式气体分析系统，特别涉及一种具有在位标定功能的在位式气体分析系统。
背景技术：
在位式气体分析系统与传统采样方式气体分析系统不同，它不需要采样和预处理过程，克服了传统采样方式气体分析系统的很多缺陷，具有系统简单，可靠性高，测量响应速度快，分析精度高，可以测量气体的浓度和速度等优点，在现代工业，科研，环保等领域获得了越来越广泛的应用。在位式气体分析系统可以采用多种吸收光谱技术来实现，如非分光红外光谱(NDIR)技术，差分光学吸收光谱(DOAS)技术，可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。
在位式气体分析系统有以下几种结构型式(1)在位式气体分析系统，图1所示，光发射装置1和光接收装置9通过机械连接结构，包括法兰配接体2阀门3配接在被测过程气体管道4上。机械连接结构上还设置有光路调节结构，弹性橡胶O形圈和紧固螺栓10的组合，用于调节光发射装置1到光接收装置9之间的光路。在机械连接结构上安装有内筒13，14，两内筒间距离是测量光程。在被测过程气体含有粉尘、液滴等颗粒物时，还配置有由通气接头41、阀门45、气体管道和吹扫气源53组成的吹扫系统。如果被测过程气体中含有较多粉尘、液滴等颗粒物时，可以在被测过程气体管道内测量光束上游设一挡体装置，阻挡粉尘、液滴等颗粒物到达测量光束来提高测量光束的透光率。
(2)在位式气体分析系统，包括光发射、接收装置，信号分析装置，光折返装置。在被测气体管道上开两个孔，在孔上焊接机械连接结构如法兰，光发射、接收装置和光折返装置分别通过机械连接结构安装在被测气体管道上。当被测过程气体中含有粉尘、液滴等颗粒物，系统还配有吹扫系统。
(3)在位式气体分析系统，包括光发射和光接收装置，信号分析装置以及测量探头。在被测气体管道上开有一个孔，在孔上焊接机械连接结构如法兰，光发射、接收装置通过机械连接结构安装在被测气体管道上，测量探头伸入被测过程气体管道内，在测量探头端面处安装有光折返装置，测量探头上设有开口使过程气流与测量光束作用。当被测过程气体中含有粉尘、液滴等颗粒物，系统还配有吹扫系统。
光源和电子元器件等的老化会导致分析系统参数的缓慢漂移，影响测量的准确性，因此需要对在位式气体分析系统进行周期性的标定。目前有少数几种具有在位标定功能的在位气体分析系统。
专利号为5517314的美国专利说明书公开了一种具有在位标定功能的在位气体分析系统，包括光发射装置，标定和测量管道，光接收装置，分析装置；工作原理如下光源发出的光经过两个凹面镜反射成两束平行光，分别经过封闭管道和测量管道，进入到光接收装置，经过两个凹面镜反射进光接收器，之后通过光纤送分析装置分析。在标定光路上被测气体管道外有标定气体腔室，腔室也可放置在被测过程气体管道内并让标定光束通过，零气或已知浓度的被测气体通过阀门控制充入腔室，吹扫气体通过通气接头通入测量管道；当需要标定时，计算机控制马达将挡体置放在测量光路上，打开阀门，在腔室充入零气或已知浓度的被测气体，标定光路的光通过接收器送入分析装置。测量时，计算机控制马达将挡体置放在标定光路上，测量光束通过接收器送入分析装置。
该项专利技术能够实现在位标定，但该技术的装置复杂，比如在光发射单元里面，一个光源发出的光经过凹面镜后反射成两束平行光，在光接收单元这两束平行光又通过凹面镜反射进一个接收器，这要求很高的机械加工和装配精度；再有，标定和测量需要在两根管道内独立进行，不能有效地利用测量管道进行标定，造成在安装和调试时增加难度；还有，在标定时，要挡体很好的阻断测量光束，否则会有测量光束进入光接收器，降低标定精度。
还有另外一种具有在位标定功能的在位气体分析系统，它是在现有的在位式气体分析系统基础上，在靠近光发射装置或光接收装置处设有封闭腔室。当遇到检修等情况被测过程气体管道需要停气时，在腔室内分别充入零气和已知浓度的被测气体进行置零和标定。该项技术不能随时应用，因为管道检修等情况毕竟很少遇到，也不能在需要标定时就停气，否则代价太大；再有，即使管道停气，被测气体管道里面也会残留被测过程气体，这样会影响标定的精度。
发明内容本发明提供了一种具有在位标定功能的在位气体分析系统，克服了现有具有在位标定功能的在位气体分析系统装置复杂、加工和安装精度要求高，安装调试难度大等缺点。
本发明采用的技术方案为一种具有在位标定功能的在位式气体分析系统，包括光发射装置、光接收装置、信号分析装置、机械连接结构和测量管，光发射装置和光接收装置通过机械连接结构配接在被测气体管道上，还包括用于在被测气体管道内且在测量光路上和测量管形成与被测气体隔绝的基本密闭管道的附加管，附加管和测量管连接；用于控制附加管与测量管形成与被测气体隔绝的基本密闭管道的控制装置；由已知浓度气体气源、阀门和通气接头组成的气体置换装置，通气接头和形成的基本密闭管道连通，通过气体置换装置往形成的基本密闭管道中通入比被测气体管道内压强大的气体把基本密闭管道中的被测气体置换掉。
作为优选的一种方案，测量管是在被测气体管道内的两侧与机械连接结构连接的第一内筒和第二内筒，两个内筒之间是测量光程；附加管是可滑动地套接安装在第一内筒上的伸缩管，所述的伸缩管伸出端与第二内筒配合；控制装置是用于控制伸缩管伸进第二内筒或回缩进第一内筒，使气体分析系统处于标定或测量状态。
作为优选的另一种方案，测量管是机械连接结构在被测气体管道内两侧的第一延伸管和第二延伸管，两个延伸管之间是测量光程；附加管是可滑动地套接安装在第一延伸管上的伸缩管，所述的伸缩管伸出端与第二管道配合；控制装置是用于控制伸缩管伸进第二延伸管或回缩进第一延伸管，使气体分析系统处于标定或测量状态。
作为优选的再一种方案，测量管是被测气体管道内的测量探头，测量探头上有供被测气体通过的测量孔，端面上安装光折返装置；附加管是安装在测量探头上的伸缩管；控制装置是用于控制伸缩管伸进测量孔或伸缩管的回缩，使气体分析系统处于标定或测量状态。
作为优选，控制装置是气动装置测量管内的两端安装有可拆卸端块，并与伸缩管保持密封，伸缩管的外缘有一凸起，凸起与测量管保持密封；凸起和两端的可拆卸端块之间是两个密封腔，测量管上有两个通气接头，分别与两个密封腔连通，驱动气源通过阀门和通气接头连接。
作为优选的一种方案，测量管是被测过程气体管道内的大C形管，其两端与机械连接机构连接；附加管是在大C形管内侧设一可转动的小C形管，小C形管转动后覆盖大C形管的C形缺口；还有转动小C形管的控制装置，用于使气体分析系统处于标定或测量状态。
进一步，控制装置是在小C形管上安装手柄，手柄位于被测气体管道外的机械连接结构的径向滑动槽内，这样可以在被测气体管道外转动小C形管。
再进一步，在小C形管的两端靠近被测气体管道处安装有镜片，两块镜片之间就是测量光程，转动后的小C形管与大C形管的缺口密封配合，所述的通气接头与两个镜片之间的大C形管连通。这样被测气体才不会进入到机械连接结构的内部孔径中。
作为优选，在测量管上有温度传感器和压力传感器，用于监测被测气体管道内的温度和压力，提高测量和标定时的准确性。
作为优选，在光接收装置与法兰配接体的连接处有一个封闭的腔室，腔室上有通气接头，标定气源通过阀门与通气接头连接，通过阀门控制往腔室通气或置换气体。
与现有的具有在位标定功能的在位式气体分析系统相比较，本发明的有益效果为(1)装置简单，利用测量管道进行在位标定；(2)装置的装配精度要求较现有技术要低，安装调试容易；(3)整个标定过程充分考虑到了温度和压力的影响，标定精度高；(4)标定光程较长，标定结果可靠；(5)能够做到实时在位标定；(6)伸缩管与外管道之间的端块可以拆卸，因此还可以把伸缩管拆下进行维护。
图1是一种现有的在位式气体分析系统的结构示意图；图2是本发明一种实现方式的结构示意图；图3是本发明第二种实现方式的结构示意图；图4是本发明第三种实现方式的结构示意图；图5是本发明第四种实现方式的结构示意图；图6是本发明第五种实现方式的剖面示意7是一种可控装置的剖面示意图；图8是第二种可控装置的剖面示意图；图9是图8中大、小C形管在测量时的A-A图；图10是图8中大、小C形管在标定时的A-A图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详尽描述。
实施例1如图2，图7所示，在位气体分析系统为非分光红外光谱(NDIR)气体分析系统。光发射装置1和光接收装置9通过机械连接结构，包括法兰配接体2阀门3配接在被测过程气体管道4上。通过调节机械连接结构上的螺栓10挤压法兰配接体2中间的O形圈可以对光发射装置1到光接收装置9之间的光路进行调节。
附加管即伸缩管5安装在与机械连接结构连接的第一内筒13内部，伸缩管5用气动方式驱动，伸缩管横截面为圆形，这种结构易于加工和安装。控制装置是可拆卸端块52安装在第一内筒13的内壁上，上面有O形圈51使可拆卸端块与第一内筒13和伸缩管5保持密封；伸缩管的外缘有一凸起54，凸起上有O形圈58与第一内筒13密封；凸起54把伸缩管5和第一内筒13之间形成的腔分成分别与通气接头42、43相连的两个腔。阀门46与通气接头42、43相连，通过阀门46控制向上述一个腔充入零气并排空另一个腔中零气去驱动伸缩管5伸缩(具体伸缩方向取决于一个腔充气，另一个腔排气)。气体置换装置由已知浓度气体气源40(包括零气和标气)、阀门45和通气接头41构成。
工作过程为光发射装置1发出的测量光束11穿过机械连接结构和内筒13，14的内部孔、伸缩管5和被测气体7后进入到光接收装置9，接收信号送信号分析装置。测量时，控制伸缩管5缩进第一内筒13内，测量光束11穿过被测过程气流7；为避免被测过程气流中的粉尘、液滴等颗粒物污染光发射装置1和光接收装置9上的光学视窗，控制阀门45通过通气接头41向机械连接结构和内筒13，14的内部孔径充入比被测过程气体管道内压强大的零气，使过程气流无法流入内筒13，14，这同时也保证了测量光程的准确性。标定时，控制伸缩管5使之进入第二内筒14内；此时，伸出的伸缩管5把测量光程范围内的测量光束完整地围绕起来，并且伸缩管5与内筒13、14形成一围绕测量光束11的基本密闭管道；通过通气接头41向该基本密闭管道内充入比被测过程气体管道内压强大的零气，把该基本密闭管道中浓度不确定气体置换为零气，然后对分析系统进行调零操作；接着控制阀门45通过通气接头41向该基本密闭管道内充入比被测过程气体管道内压强大的标气，把该基本密闭管道中气体置换为标气，然后对分析系统进行标定操作。标定完成后，控制阀门45通过通气接头41向机械连接结构和内筒13，14的内部孔径充入比被测过程气体管道内压强大的零气，同时控制伸缩管使之缩进第一内筒13内使分析系统恢复为测量状态。
实施例2如图2、图7所示，测量管是机械连接结构在被测气体管道内的两侧的第一延伸管13和第二延伸管14；附加管是安装在第一延伸管内的伸缩管5，所述的伸缩管5可滑动地套接在第一延伸管13上，所述的伸缩管5的伸出端与第二延伸14管配合；控制装置是用于控制伸缩管伸进第二延伸管或回缩进第一延伸管的驱动装置。
本实施例的其余结构与工作过程与实施例1相同。
实施例3如图3，图7所示，实施例1所述的具有在位标定功能的在位分析系统，在靠近光接收装置9处设有一气体腔室8，腔室上有通气接头44、48，标定气源57(包括零气和标气)通过阀门47和通气接头44连接。
工作过程为测量时，控制伸缩管5缩进光发射装置侧内筒13内，通过通气接头41向机械连接结构的内部孔径和内筒13、14内充入比被测过程气体管道内压强大的零气以保护光学视窗不受污染，同时保证测量光程的准确性；通过阀门47控制往腔室8内充入零气。标定时，控制伸缩管5伸进第二内筒14内，通过通气接头41充入比被测气体管道内压强大的零气，然后进行调零操作；接着通过阀门47控制往腔室8内充入标气，然后进行标定操作。标定完成后，控制伸缩管5缩进第一内筒13内，并通过阀门47控制往腔室8内充入零气，使分析系统恢复为测量状态。
实施例4如图4，图7所示，光发射、接收装置71和光折返装置72通过机械连接结构，包括法兰配接体2阀门3配接在被测过程气体管道4上。其他和实施例3所述的气体分析系统相同。
实施例5如图5所示，光发射、接收装置73和测量探头76通过法兰安装在被测气体管道4上，光折返装置74安装在测量探头76的端面上，在测量探头76上开有缺口77供被测过程气体通过，伸缩管5安装在测量探头76的内部，通气接头41安装在测量探头76上，在靠近光发射、接收装置73处有气体腔室8，其它和实施例3所述的气体分析系统相同。
实施例6如图6，图8，图9，图10所示，光发射装置1和光接收装置9通过机械连接结构，包括法兰配接体2阀门3配接在被测过程气体管道4上。测量管即大C形管21安装在被测气体管道内，其两端与机械连接结构连接，附加管即小C形管22安装在大C形管21的内侧，小C形管22可转动，转动后能覆盖大C形管21的C形缺口。控制装置是小C形管22的一端装有手柄25，手柄25位于管道4外机械连接结构的径向滑动槽内。气体置换装置是外侧C形管21上有通气接头41，已知浓度气体气源40(零气)通过阀门45和通气接头41连接，通气接头与41两个镜片(26)之间的大C形管(21)连通。小C形管的两端靠近被测气体管道4处安装有镜片26，小C形管上有O形圈59与外管道密封，防止被测过程气体7进入到机械连接结构内部孔径中，两个镜片26之间是一定长度的测量光程。在靠近光接收装置9处设有一封闭腔室8，腔室8上有通气接头44，48，标定气源57(包括零气和标气)通过阀门47和通气接头44连接。光发射装置1发出的光束穿过机械连接结构的内部孔，穿过C形管进入到光接收装置9，接收信号送信号分析装置。通过调节机械连接结构上的螺栓10挤压O形圈可以对光发射装置1到光接收装置9之间的光路进行调节。
工作过程为在标定时，转动手柄25使内侧C形管22覆盖外侧C形管21的C形缺口，形成一围绕测量光束的基本密闭管道；控制阀门45通过通气接头41往基本密闭管道中充入比被测气体管道内压强大的零气，把基本密闭管道中的被测气体置换为零气；控制阀门47往腔室8内充入零气，然后对系统进行调零操作。控制阀门47往腔室8内充入标气，对系统进行标定操作；标定完成后，转动手柄25转回小C形管22，关闭阀门45停止往C形管内通零气，并往腔室8内充入零气使分析系统恢复为测量状态。
权利要求
1.一种具有在位标定功能的在位式气体分析系统，包括光发射装置、光接收装置、信号分析装置、机械连接结构和测量管，光发射装置和光接收装置通过机械连接结构配接在被测气体管道上，其特征在于所述的在位式气体分析系统还包括用于在被测气体管道内且在测量光路上和测量管形成与被测气体隔绝的基本密闭管道的附加管，附加管与测量管连接；用于控制附加管与测量管形成与被测气体隔绝的基本密闭管道的控制装置；由已知浓度气体气源(40)、阀门(45)和通气接头(41)组成的气体置换装置，通气接头(41)和形成的基本密闭管道连通。
2.根据权利要求1所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于测量管是在被测气体管道内的两侧与机械连接结构连接的第一内筒(13)和第二内筒(14)，附加管是可滑动地套接安装在第一内筒(13)上的伸缩管(5)，所述的伸缩管伸出端与第二内筒配合；控制装置是用于控制伸缩管(5)伸进第二内筒(14)或回缩进第一内筒(13)。
3.根据权利要求1所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于测量管是机械连接结构在被测气体管道内的两侧的第一延伸管和第二延伸管；附加管是可滑动地套接安装在第一延伸管内的伸缩管，所述的伸缩管伸出端与第二延伸管配合；控制装置是用于控制伸缩管伸进第二延伸管或回缩进第一延伸管。
4.根据权利要求1所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于测量管是被测气体管道内的测量探头(76)，测量探头(76)上有供被测气体通过的测量孔(77)，端面上是光折返装置(74)；附加管是可滑动地套接安装在测量探头(76)上的伸缩管(5)；控制装置是用于控制伸缩管(5)伸进测量孔(77)或伸缩管的回缩。
5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于控制装置是气动装置测量管内的两端安装有可拆卸端块(52)，并与伸缩管保持密封，伸缩管的外缘有一凸起(54)，凸起与测量管密封；凸起(54)和两端的可拆卸端块(52)之间是两个密封腔，测量管上有通气接头(42，43)分别与两个密封腔连通，驱动气源(49)通过阀门(46)和通气接头(42，43)连接。
6.根据权利要求1所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于测量管是被测过程气体管道内的大C形管(21)，两端与机械连接机构连接；附加管是在大C形管(21)内侧设一可转动的小C形管(22)，小C形管(22)转动后覆盖大C形管(21)的C形缺口；还有转动小C形管(22)的控制装置。
7.根据权利要求6所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于控制装置是在小C形管(22)上安装手柄(25)，手柄位于被测气体管道(4)外的机械连接结构的径向滑动槽内。
8.根据权利要求6所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于小C形管(22)的两端靠近被测气体管道(4)处安装有镜片(26)，转动后的小C形管(22)与大C形管(21)的缺口密封配合，所述的通气接头与两个镜片(26)之间的大C形管(21)连通。
9.根据权利要求1或2或3或4或6或7或8所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于在光接收装置与法兰配接体的连接处有一个封闭的腔室(8)，腔室上有通气接头(44，48)，标定气源(57)通过阀门(47)与通气接头(44)连接。
10.根据权利要求1或2或3或6或7或8所述的具有在位标定功能的在位式气体分析系统，其特征在于在测量管上安装有温度传感器和压力传感器。
全文摘要
本发明公开了一种具有在位标定功能的在位式气体分析系统。其技术方案为在位式气体分析系统包括光发射装置、光接收装置、信号分析装置、机械连接结构和测量管，光发射装置和光接收装置通过机械连接结构配接在被测气体管道上，还包括用于在测量光路上和测量管形成与被测气体隔绝的基本密闭管道的附加管；用于控制附加管与测量管形成与被测气体隔绝的基本密闭管道的控制装置；由已知浓度气体气源、阀门和通气接头组成的气体置换装置，通气接头和形成的基本密闭管道连通。本发明结构简单、加工和安装精度要求低、安装调试方便、能实时在位标定，适用于对气体管道中的过程气体进行在位测量、对气体分析系统进行在位标定。
文档编号G01N21/01GK1740775SQ200510060779
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月15日 优先权日2005年9月15日
发明者王健, 熊志才, 钟安平 申请人:聚光科技(杭州)有限公司