氣體分析儀器現狀與發(fā)展趨勢

一、不同的氣體分析技術(shù)比較

1、氣體分析技術(shù)介紹

(1) 人工采樣法

傳統的分析方法如化學(xué)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(diǎn)是采用人工取樣的方式，抽取某一時(shí)點(diǎn)的樣氣進(jìn)行分析。它的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：必須對氣體進(jìn)行人工取樣，在實(shí)驗室進(jìn)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(gè)進(jìn)行檢測分析，不具備多重輸入和信號處理功能；分析費時(shí)費力，響應速度慢，效率低，難以實(shí)時(shí)地反映工況信息。

(2) 連續采樣法

連續采樣法主要有紅外線(xiàn)式、紫外線(xiàn)式和熱導式三種測量方法。連續采樣法的特點(diǎn)是采用不同測量方法的氣體分析系統都由采樣預處理系統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(jìn)行預處理后，連續送入儀器的氣體室中，分析儀器通過(guò)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集成方式、適應性和性?xún)r(jià)比有很大的區別。

應用最廣泛的紅外線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行選擇性吸收的原理，當被測氣體通過(guò)測量管道時(shí)吸收紅外光源發(fā)出的特定頻率光（與被測氣體成分有關(guān)）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(xiàn)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(jià)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，即具有不同的熱傳導速率來(lái)進(jìn)行測量的。當被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時(shí)，熱導池內的鉑熱電阻絲的阻值會(huì )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(guò)電路處理將信號放大、溫度補償、線(xiàn)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(jiǎn)單、性能穩定、價(jià)廉、技術(shù)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(dòng)、流量波動(dòng)十分敏感，介質(zhì)中水汽、顆粒等雜質(zhì)對測量影響較大，所以必須安裝復雜的采樣預處理系統。

(3) 現場(chǎng)在線(xiàn)測量法

現場(chǎng)在線(xiàn)測量法中以半導體激光吸收光譜技術(shù)（DLAS）最為先進(jìn)和最具有代表性。DLAS技術(shù)的特點(diǎn)是無(wú)需采樣預處理系統，分析儀器直接安裝在測量現場(chǎng)，通過(guò)一束穿過(guò)被測氣體的激光光束來(lái)實(shí)現現場(chǎng)在線(xiàn)氣體分析。DLAS技術(shù)可實(shí)現多種氣體如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自動(dòng)檢測，適用于鋼鐵、冶金、石化、環(huán)保、生化、航天等各種領(lǐng)域。

雖然DLAS技術(shù)與其他吸收光譜氣體分析技術(shù)都利用吸收光譜技術(shù)來(lái)實(shí)現氣體分析，但由于DLAS技術(shù)采用了獨特的“單線(xiàn)光譜”技術(shù)和調制光譜技術(shù)，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(dòng)修正氣體溫度、壓力等氣體參數變化的影響，因此可以將分析儀器直接安裝在測量現場(chǎng)，實(shí)現其他光譜吸收技術(shù)無(wú)法或很難實(shí)現的現場(chǎng)在線(xiàn)連續氣體測量。

DLAS技術(shù)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(wú)需采樣預處理系統，測量精度高，響應速度快。隨著(zhù)半導體激光氣體分析技術(shù)的逐步成熟，相關(guān)光電元器件成本的顯著(zhù)下降，其性?xún)r(jià)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(shù)已逐步取代傳統氣體檢測技術(shù)，在氣體在線(xiàn)監測領(lǐng)域得到了日益廣泛的應用。

二、DLAS技術(shù)簡(jiǎn)介

聚光科技研發(fā)生產(chǎn)的LGA-2000系列激光現場(chǎng)在線(xiàn)氣體分析儀是基于DLAS技術(shù)開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)在線(xiàn)氣體分析儀器。

DLAS（Diode Laser Absorption Spectroscopy）是半導體激光吸收光譜技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。該技術(shù)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(lái)測量氣體濃度的一種技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，半導體激光器發(fā)射出的特定波長(cháng)的激光束穿過(guò)被測氣體時(shí)，被測氣體對激光束進(jìn)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(guò)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(jià)格大幅下降，室溫工作、長(cháng)壽命（>100，000小時(shí)）、單模特性和較寬波長(cháng)范圍的半導體激光器被大量地生產(chǎn)出來(lái)并投入市場(chǎng)，一些高靈敏度的光譜技術(shù)如frequency modulation spectroscopy、cavity ringdown spectroscopy等也逐漸成熟，DLAS技術(shù)開(kāi)始被較多地應用于科學(xué)和工程研究，發(fā)達國家的一些儀器公司也開(kāi)始將DLAS技術(shù)應用于氣體監測。由于DLAS技術(shù)較傳統光譜檢測技術(shù)具有顯著(zhù)的技術(shù)優(yōu)勢而得到了迅速推廣。

Focused Photonics,Inc.(FPI)是DLAS技術(shù)的主要開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商之一，FPI自主開(kāi)發(fā)了擁有完全知識產(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(lǐng)域。

FPI通過(guò)聚光科技（杭州）有限公司將該技術(shù)引入中國，結合中國各行業(yè)的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了LGA-2000系列激光現場(chǎng)在線(xiàn)氣體分析儀、LGA-3000系列激光采樣在線(xiàn)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(shù)的特點(diǎn)

DLAS技術(shù)的特點(diǎn)主要表現為：

1.惡劣環(huán)境適應能力強，無(wú)需采樣預處理系統，實(shí)現現場(chǎng)在線(xiàn)連續測量

激光在線(xiàn)氣體分析儀采用DLAS技術(shù)獨有的“單線(xiàn)光譜”原理，使用非接觸式激光測量方法，測量?jì)x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，避免了傳統氣體分析系統必需的復雜的采樣預處理系統，從而實(shí)現了現場(chǎng)在線(xiàn)連續測量。

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獨特的“單線(xiàn)光譜”技術(shù)、頻率掃描技術(shù)、譜線(xiàn)展寬自動(dòng)修正技術(shù)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變化對氣體濃度測量的影響，而且系統直接對現場(chǎng)氣體進(jìn)行測量，氣體信息不失真。相對于傳統的氣體測量技術(shù)，這些獨特的測量技術(shù)和現場(chǎng)測量方法大大提高了測量的精度。

3.響應速度快，實(shí)現工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)在線(xiàn)管理

DLAS技術(shù)進(jìn)行氣體分析不需采樣預處理系統，節省了樣氣預處理的時(shí)間和樣氣在管道內的傳輸時(shí)間。系統可以達到毫秒級的響應速度，幾乎是實(shí)時(shí)地反映過(guò)程氣體濃度及其他參數變化狀況，完全可以滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)在線(xiàn)管理的需要。

4.可同時(shí)檢測多種氣體參數，能測量分析多種氣體，應用面廣，儀器發(fā)展潛力大

采用DLAS技術(shù)可同時(shí)在線(xiàn)測量氣體的濃度、溫度和流速等，并可實(shí)現多種氣體如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自動(dòng)檢測，可廣泛應用于鋼鐵、冶金、石化、環(huán)保、生化、航天等領(lǐng)域。較以往采用多種檢測技術(shù)并進(jìn)行系統集成而言，采用DLAS技術(shù)可大大簡(jiǎn)化儀器的結構，進(jìn)而實(shí)現氣體分析儀器的微型化、網(wǎng)絡(luò )化（遠距離數據無(wú)線(xiàn)傳輸）、智能化和自動(dòng)化。

5.光纖傳輸特性使系統的應用更加靈活，性?xún)r(jià)比更高

DLAS技術(shù)采用的激光光源與常規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(guò)樹(shù)形光纖分路耦合器同時(shí)耦合到多根光纖，不同的光纖把激光傳遞到幾個(gè)不同的測量位置，對這幾個(gè)不同位置的氣體同時(shí)進(jìn)行測量，從而實(shí)現分布式的在線(xiàn)氣體監測分析。采用光纖后測量系統的抗電磁干擾能力、適應惡劣環(huán)境和防爆環(huán)境的能力非常強；整套測量系統的成本大大降低；與傳統的氣體分析系統相比，配置更加靈活，性?xún)r(jià)比也更高。

四、DLAS技術(shù)與連續采樣法氣體分析技術(shù)比較

指標 DLAS技術(shù) 連續采樣法氣體分析技術(shù)

預處理系統 不需要 必需

測量方法 現場(chǎng)、連續、實(shí)時(shí)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(wú)粉塵的氣體

響應速度 快：取決于信號分析速度（光電傳播時(shí)間可忽略），小于1秒 慢：取決于采樣預處理時(shí)間、樣品氣傳輸時(shí)間、儀表響應時(shí)間，超過(guò)20秒

準確性 實(shí)地測量，氣體信息不失真；測量值為氣體線(xiàn)平均濃度；不受背景氣體、粉塵及氣體參數影響 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、粉塵及氣體參數影響測量的準確性

連續性 連續測量 間斷測量：反吹時(shí)無(wú)法測量

可靠性 無(wú)運動(dòng)器件，可靠性高 較多運動(dòng)部件，可靠性低

測量參數 可同時(shí)測量氣體濃度、溫度、流速等參數 只能測量氣體濃度

介質(zhì)干擾 不受背景氣體交叉干擾；自動(dòng)修正粉塵及光學(xué)視窗污染干擾 受背景氣體的交叉干擾，無(wú)法定量修正粉塵及光學(xué)視窗污染干擾

標定維護 標定：3~4次/年；維護：3~4次/年，自動(dòng)提示 標定：一個(gè)月2~3次；維護：經(jīng)常

運行費用 無(wú)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； 年費用一般為系統成本的20%左右

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