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技術文章 |
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氣體分析儀器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 |
發(fā)布日期：[2016-10-24] 共閱[1805]次 |
一、不同的氣體分析技術比較
1、氣體分析技術介紹
(1) 人工采樣法
傳統(tǒng)的分析方法如化學分析法、氣相色譜法較多采用人工采樣法。人工采樣法的特點是采用人工取樣的方式，抽取某一時點的樣氣進行分析。它的缺點是顯而易見的：必須對氣體進行人工取樣，在實驗室進行分析，其中操作者的操作技能對分析的精度有很大影響；只能單一成份地逐個進行檢測分析，不具備多重輸入和信號處理功能；分析費時費力，響應速度慢，效率低，難以實時地反映工況信息。
(2) 連續(xù)采樣法
連續(xù)采樣法主要有紅外線式、紫外線式和熱導式三種測量方法。連續(xù)采樣法的特點是采用不同測量方法的氣體分析系統(tǒng)都由采樣預處理系統(tǒng)和分析儀表兩部分組成，采樣探頭將被測氣體從煙道或管道中引出并進行預處理后，連續(xù)送入儀器的氣體室中，分析儀器通過不同的方法完成氣體濃度的測量。上述三種測量方法的系統(tǒng)集成方式、適應性和性價比有很大的區(qū)別。
應用zui廣泛的紅外線式氣體分析儀基于非色散紅外吸收光譜（NDIR）的原理，其測量方法是基于氣體對紅外線進行選擇性吸收的原理，當被測氣體通過測量管道時吸收紅外光源發(fā)出的特定頻率光（與被測氣體成分有關）使光強衰減，測出光強的衰減程度即確定了被測氣體的濃度。
紫外線式氣體分析儀是基于被測氣體對紫外光選擇性的輻射吸收原理，可以測量SO2、NOx、HCl、NH3等氣體，但在同等性能、功能情況下儀器價格較高。
熱導式氣體分析儀的工作原理是利用各種氣體不同的熱導系數(shù)，即具有不同的熱傳導速率來進行測量的。當被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時，熱導池內的鉑熱電阻絲的阻值會因被測氣體的濃度變化而變化，運用惠斯頓電橋將阻值信號轉換成電信號，通過電路處理將信號放大、溫度補償、線性化，使其成為測量值。熱導式氣體分析器的應用范圍很廣，如H2、Cl2、NH3、CO2、Ar、He、SO2、H2中的O2、O2中的H2和N2中的H2等等；它的測量范圍也很寬，在0%~100%圍內均可測量。熱導式分析儀器是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、價廉、技術上較為成熟的儀器。但是熱導式分析儀器對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質中水汽、顆粒等雜質對測量影響較大，所以必須安裝復雜的采樣預處理系統(tǒng)。
(3) 現(xiàn)場在線測量法
現(xiàn)場在線測量法中以半導體激光吸收光譜技術（DLAS）*和有代表性。DLAS技術的特點是無需采樣預處理系統(tǒng)，分析儀器直接安裝在測量現(xiàn)場，通過一束穿過被測氣體的激光光束來實現(xiàn)現(xiàn)場在線氣體分析。DLAS技術可實現(xiàn)多種氣體如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自動檢測，適用于鋼鐵、冶金、石化、環(huán)保、生化、航天等各種領域。
雖然DLAS技術與其他吸收光譜氣體分析技術都利用吸收光譜技術來實現(xiàn)氣體分析，但由于DLAS技術采用了*的“單線光譜”技術和調制光譜技術，可不受背景氣體交叉干擾和粉塵、視窗污染的干擾，并可自動修正氣體溫度、壓力等氣體參數(shù)變化的影響，因此可以將分析儀器直接安裝在測量現(xiàn)場，實現(xiàn)其他光譜吸收技術無法或很難實現(xiàn)的現(xiàn)場在線連續(xù)氣體測量。
DLAS技術的優(yōu)勢在于能適應高溫、高水分、高粉塵、強腐蝕性和高流速的被測氣體環(huán)境，無需采樣預處理系統(tǒng)，測量精度高，響應速度快。隨著半導體激光氣體分析技術的逐步成熟，相關光電元器件成本的顯著下降，其性價比優(yōu)勢更為突出。在發(fā)達國家，半導體激光氣體測量技術已逐步取代傳統(tǒng)氣體檢測技術，在氣體在線監(jiān)測領域得到了日益廣泛的應用。
二、DLAS技術簡介
聚光科技研發(fā)生產(chǎn)的LGA-2000系列激光現(xiàn)場在線氣體分析儀是基于DLAS技術開發(fā)的現(xiàn)場在線氣體分析儀器。
DLAS（Diode Laser Absorption Spectroscopy）是半導體激光吸收光譜技術的簡稱。該技術是利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度的一種技術。具體來說，半導體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束穿過被測氣體時，被測氣體對激光束進行吸收導致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度的衰減與被測氣體含量成正比，因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。
九十年代后，半導體激光器和光纖元件發(fā)展迅速，性能大大提高，價格大幅下降，室溫工作、長壽命（>100，000小時）、較寬波長范圍的半導體激光器被大量地生產(chǎn)出來并投入市場，一些高靈敏度的光譜技術如frequency modulation spectroscopy、cavity ringdown spectroscopy等也逐漸成熟，DLAS技術開始被較多地應用于科學和工程研究，發(fā)達國家的一些儀器公司也開始將DLAS技術應用于氣體監(jiān)測。由于DLAS技術較傳統(tǒng)光譜檢測技術具有顯著的技術優(yōu)勢而得到了迅速推廣。
Focused Photonics,Inc.(FPI)是DLAS技術的主要開發(fā)廠商之一，F(xiàn)PI自主開發(fā)了擁有*知識產(chǎn)權的全系列的激光氣體分析產(chǎn)品，并廣泛應用于鋼鐵、冶金、石化、環(huán)保、生化、航天等領域。
FPI通過聚光科技（杭州）有限公司將該技術引入中國，結合中國各行業(yè)的實際需求，開發(fā)了LGA-2000系列激光現(xiàn)場在線氣體分析儀、LGA-3000系列激光采樣在線氣體分析儀，并且在鋼鐵、焦化、石化、電力、環(huán)保、航天等行業(yè)取得了良好的應用。
三、DLAS技術的特點
DLAS技術的特點主要表現(xiàn)為：
1.惡劣環(huán)境適應能力強，無需采樣預處理系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場在線連續(xù)測量
激光在線氣體分析儀采用DLAS技術*的“單線光譜”原理，使用非接觸式激光測量方法，測量儀器與被測量氣體環(huán)境隔離,其分析測量不受測量環(huán)境中背景氣體、粉塵以及環(huán)境溫度和壓力的影響，具有高溫、高粉塵、高水份、高腐蝕性、高流速等惡劣測量環(huán)境的良好適應性，避免了傳統(tǒng)氣體分析系統(tǒng)必需的復雜的采樣預處理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了現(xiàn)場在線連續(xù)測量。
2.克服了背景氣體、水分和粉塵的吸收干擾，測量精度大大提高
DLAS*的“單線光譜”技術、頻率掃描技術、譜線展寬自動修正技術克服了背景氣體、水分和粉塵的吸收干擾，修正了溫度和壓力等氣體參數(shù)變化對氣體濃度測量的影響，而且系統(tǒng)直接對現(xiàn)場氣體進行測量，氣體信息不失真。相對于傳統(tǒng)的氣體測量技術，這些*的測量技術和現(xiàn)場測量方法大大提高了測量的精度。
3.響應速度快，實現(xiàn)工業(yè)過程實時在線管理
DLAS技術進行氣體分析不需采樣預處理系統(tǒng)，節(jié)省了樣氣預處理的時間和樣氣在管道內的傳輸時間。系統(tǒng)可以達到毫秒級的響應速度，幾乎是實時地反映過程氣體濃度及其他參數(shù)變化狀況，*可以滿足工業(yè)過程實時在線管理的需要。
4.可同時檢測多種氣體參數(shù)，能測量分析多種氣體，應用面廣，儀器發(fā)展?jié)摿Υ?nbsp;
采用DLAS技術可同時在線測量氣體的濃度、溫度和流速等，并可實現(xiàn)多種氣體如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自動檢測，可廣泛應用于鋼鐵、冶金、石化、環(huán)保、生化、航天等領域。較以往采用多種檢測技術并進行系統(tǒng)集成而言，采用DLAS技術可大大簡化儀器的結構，進而實現(xiàn)氣體分析儀器的微型化、網(wǎng)絡化（遠距離數(shù)據(jù)無線傳輸）、智能化和自動化。
5.光纖傳輸特性使系統(tǒng)的應用更加靈活，性價比更高
DLAS技術采用的激光光源與常規(guī)光纖有良好的兼容性，所以可以將半導體激光器放置在中央處理單元內，把光纖輸出的激光通過樹形光纖分路耦合器同時耦合到多根光纖，不同的光纖把激光傳遞到幾個不同的測量位置，對這幾個不同位置的氣體同時進行測量，從而實現(xiàn)分布式的在線氣體監(jiān)測分析。采用光纖后測量系統(tǒng)的抗電磁干擾能力、適應惡劣環(huán)境和防爆環(huán)境的能力非常強；整套測量系統(tǒng)的成本大大降低；與傳統(tǒng)的氣體分析系統(tǒng)相比，配置更加靈活，性價比也更高。
四、DLAS技術與連續(xù)采樣法氣體分析技術比較
指標 DLAS技術 連續(xù)采樣法氣體分析技術
預處理系統(tǒng) 不需要 必需
測量方法 現(xiàn)場、連續(xù)、實時測量 采樣預處理后間斷測量
氣體環(huán)境 高溫、高粉塵、高水分、高流速、強腐蝕等惡劣環(huán)境適應能力強 只能測量恒溫、恒壓、恒流、干燥及無粉塵的氣體
響應速度 快：取決于信號分析速度（光電傳播時間可忽略），小于1秒 慢：取決于采樣預處理時間、樣品氣傳輸時間、儀表響應時間，超過20秒
準確性 實地測量，氣體信息不失真；測量值為氣體線平均濃度；不受背景氣體、粉塵及氣體參數(shù)影響 溶解吸附泄漏導致氣體信息失真；測量值為探頭位置局部濃度；背景氣體、粉塵及氣體參數(shù)影響測量的準確性
連續(xù)性 連續(xù)測量 間斷測量：反吹時無法測量
可靠性 無運動器件，可靠性高 較多運動部件，可靠性低
測量參數(shù) 可同時測量氣體濃度、溫度、流速等參數(shù) 只能測量氣體濃度
介質干擾 不受背景氣體交叉干擾；自動修正粉塵及光學視窗污染干擾 受背景氣體的交叉干擾，無法定量修正粉塵及光學視窗污染干擾
標定維護 標定：3~4次/年；維護：3~4次/年，自動提示 標定：一個月2~3次；維護：經(jīng)常
運行費用 無需備品備件；運行費用接近于零（僅為電費） 需要較多備品備件； 年費用一般為系統(tǒng)成本的20%左右 |
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