王欣 陈人 宛立君 顾海涛 王健

(聚光科技(杭州) 有限公司杭州310012)

概述

目前在钢铁冶金、石油化工等行业中,对生产过程中的CO、CO2 和CH4 等气体浓度的在线检测主要采用基于非色散红外光谱(NDIR) 技术的气体分析仪。这类仪器的光源谱宽较宽,在其谱宽范围内除了被测气体的吸收谱线外,还有一些其他背景气体(如水分) 的吸收谱线,这些背景气体将对被测气体的测量产生干扰。同时,过程气体中的粉尘、焦油和液滴等也会污染分析仪内的光学视窗。因此,这类气体分析系统首先使用采样探头对需要分析的过程气体进行采样,然后经过预处理系统脱去样气中的粉尘和水分等背景气体后再送入气体分析仪进行气体分析。这类气体分析系统存在的一些缺陷包括:(1) 气体的采样和预处理系统达不到分析仪要求,导致仪器容易损坏,维护和检修周期短; (2) 采样和预处理系统价格昂贵、维护工作量大、运行成本高; (3)系统响应时间迟滞,不能很好满足工业过程实时控制的要求。这些缺点制约在线气体分析系统的发展和应用,已成为实现工业过程分析和控制自动化的一个瓶颈。与采用非色散光谱技术的传统红外在线分析仪不同,聚光科技(杭州) 有限公司开发的半导体激光现场在线气体分析仪采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,较好地解决背景气体的交叉干扰、粉尘和视窗污染对测量的干扰。具有无需采样预处理系统、现场安装测量、测量精度高、响应速度快等优点。

1 工作原理

1.1 基本原理

半导体激光气体分析仪主要由发射装置、接收装置、中央分析仪器和吹扫装置构成(见图1) 。其中发射装置和接受装置通过标准法兰安装在现场的气体管道上。安装在中央分析仪器中的半导体激光器发出的激光通过光纤传输到发射装置,经过准直后穿过气体管道中被测气体,被安装在管道直径相对方向上的接收装置中的光传感器接收,获得的测量信号通过缆线传输到中央分析仪经分析处理获得气体浓度。

图1 半导体激光气体分析仪组成示意图

半导体激光气体分析仪基于可调谐半导体激光吸收光谱技术来分析气体含量。与传统红外技术相同, 该技术通过检测被测气体分子“选频”吸收光源发出的光能量的衰减来测量气体浓度。但与传统非色散红外技术测量多根吸收谱线共同对光能量的衰减不同,可调谐半导体激光吸收光谱技术通常测量选择好的某一吸收谱线对光能量的衰减。另外,该技术在每次测量时,使激光频率(或波长) 扫描过选择的吸收谱线获得“单线吸收光谱”数据,通过分析此“单线吸收光谱”数据得到被测气体浓度。假设频率扫描的激光束通过长度为L ,压力为P ,浓度为X的气体介质,则此气体介质对激光能量的吸收满足Beer2Lambert 关系,



其中, Iν,0和Iv 分别为频率为ν的入射激光和透射激光强度, S ( T) 代表吸收谱线的吸收强度,线形函数g (ν- ν0) 反映了吸收谱线的形状( S ( T) 和g (ν- ν0 ) 可由吸收谱线的基本光谱数据获得) 。由Beer2Lambert 关系可知,激光强度的衰减与被测气体浓度X 成正比,因此,通过分析激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

1.2 关键技术

1.2.1 “单线吸收光谱”技术———不受背景气体交叉干扰的影响传统红外气体分析仪中光源谱宽较宽(～100 nm) ,在此光源谱宽范围内除被测气体的吸收谱线外通常还有一些背景气体如水分的吸收谱线,这些背景气体的吸收谱线和被测气体的吸收谱线一起共同吸收测量光束的能量,导致测量的不准确性。半导体激光气体分析仪中使用的半导体激光的谱宽小于010001nm ,为传统红外气体分析仪中光源谱宽的1/ 106 ,远小于被测气体一条吸收谱线的谱宽。通过对被测气体和测量环境中背景气体吸收光谱的分析,选择某一位于特定波长的被测气体吸收光谱线,使得在所选吸收谱线波长附近无背景气体组分的吸收谱线,从而避免这些背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰,保证测量的准确性。

1.2.2 激光频率扫描技术———自动修正粉尘和视窗污染对测量浓度的影响传统的非色散红外气体分析技术使用固定波长光源,测量获得的是光通道内粉尘、视窗和气体的总透光率,无法区分粉尘和视窗透光率Td 和被测气体的透光率Tg ;在实际气体浓度未变的情况下光通道内粉尘浓度的增加或视窗透过率的下降均表现为光传感信号的减弱,仪器就会给出错误的比实际气体浓度高的浓度测量值。

但是,半导体激光气体分析仪通过调节半导体激光器的温度和驱动电流来调制激光频率(或波长) ,使之周期性地扫描过被测气体吸收谱线。激光频率的扫描范围被设置成大于被测气体吸收谱线的宽度,从而在一次频率扫描范围中包含有不被气体吸收谱线衰减的“I”区和被气体吸收谱线衰减的“ Ⅱ”区。从“I”区得到的测量信号可以获得粉尘和视窗的透光率Td ,从“ Ⅱ”区得到的测量信号可以获得粉尘和视窗以及被测气体的总透光率Tgd = Td3Tg。因此,激光现场在线气体分析系统通过在一个激光频率扫描周期内对“I”、“II”两区的同时测量可以准确获得被测气体的透光率Tg = Tgd/ Td ,从而自动修正粉尘和视窗污染产生的光强衰减对气体浓度测量的影响。

2 仪器构成

2.1 中央分析仪器

该部分是整个仪器的核心部分,主要包括半导体激光器、半导体激光器驱动电路、信号处理电路、锁相放大电路、接口电路和人机界面等部分构成。接收装置传回的电信号经信号处理和锁相放大后模数转化成数字信号送至以微处理器(MCU) 为核心的信号处理与控制电路,经过数据处理后得到气体浓度值。同时信号处理与控制电路还负责产生相应控制信号,如控制半导体激光器驱动电路产生调制电流和温度控制电流,实现激光频率扫描。锁相放大电路可以从大背景中提取出吸收率小于10 - 5的吸收信号,从而实现高精度的测量。人机界面电路通过液晶显示器、薄膜键盘实现人机交流。接口电路提供标准的4～20mA 输入输出信号和警告、报警等继电器功能,并且通过RS232 接口实现气体分析仪和服务端计算机之间的数据和仪器状态信息的通讯。中央分析仪器也可选配Modem 和GPRS 模块来实现远程数据传输和分析仪运行状态的远程监控。