电子元器件:气体分析仪器现状与发展趋势

发布于：2007/1/10 8:54:15 | 388 次阅读

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一、不同的气体分析技术比较
    1、气体分析技术介绍
    (1)人工采样法
    传统的分析方法如化学分析法、气相色谱法较多采用人工采样法。人工采样法的特点是采用人工取样的方式，抽取某一时点的样气进行分析。它的缺点是显而易见的：必须对气体进行人工取样，在实验室进行分析，其中操作者的操作技能对分析的有很大影响；只能单一成份地逐个进行检测分析，不具备多重输入和信号处理功能；分析费时费力，响应速度慢，效率低，难以实时地反映工况信息。
    (2)连续采样法
    连续采样法主要有红外线式、紫外线式和热导式三种测量方法。连续采样法的特点是采用不同测量方法的气体分析系统都由采样预处理系统和分析仪表两部分组成，采样探头将被测气体从烟道或管道中引出并进行预处理后，连续送入仪器的气体室中，分析仪器通过不同的方法完成气体浓度的测量。上述三种测量方法的系统集成方式、适应性和性价比有很大的区别。
    应用最广泛的红外线式气体分析仪基于非色散红外吸收光谱（NDIR）的原理，其测量方法是基于气体对红外线进行选择性吸收的原理，当被测气体通过测量管道时吸收红外光源发出的特定频率光（与被测气体成分有关）使光强衰减，测出光强的衰减程度即确定了被测气体的浓度。
    紫外线式气体分析仪是基于被测气体对紫外光选择性的辐射吸收原理，可以测量SO2、NOx、HCl、NH3等气体，但在同等性能、功能情况下仪器价格较高。
    热导式气体分析仪的工作原理是利用各种气体不同的热导系数，即具有不同的热传导速率来进行测量的。当被测气体以恒定的流速流入分析仪器时，热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化，使其成为测量值。热导式气体分析器的应用范围很广，如H2、Cl2、NH3、CO2、Ar、He、SO2、H2中的O2、O2中的H2和N2中的H2等等；它的测量范围也很宽，在0%~100%围内均可测量。热导式分析仪器是一种结构简单、性能稳定、价廉、技术上较为成熟的仪器。但是热导式分析仪器对气体的压力波动、流量波动十分敏感，介质中水汽、颗粒等杂质对测量影响较大，所以必须安装复杂的采样预处理系统。
    (3)现场在线测量法
    现场在线测量法中以半导体激光吸收光谱技术（DLAS）最为先进和有代表性。DLAS技术的特点是无需采样预处理系统，分析仪器直接安装在测量现场，通过一束穿过被测气体的激光光束来实现现场在线气体分析。DLAS技术可实现多种气体如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自动检测，适用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等各种领域。
    虽然DLAS技术与其他吸收光谱气体分析技术都利用吸收光谱技术来实现气体分析，但由于DLAS技术采用了独特的“单线光谱”技术和调制光谱技术，可不受背景气体交叉干扰和粉尘、视窗污染的干扰，并可自动修正气体温度、压力等气体参数变化的影响，因此可以将分析仪器直接安装在测量现场，实现其他光谱吸收技术无法或很难实现的现场在线连续气体测量。
DLAS技术的优势在于能适应高温、高水分、高粉尘、强腐蚀性和高流速的被测气体环境，无需采样预处理系统，测量高，响应速度快。随着半导体激光气体分析技术的逐步成熟，相关光电元器件成本的显著下降，其性价比优势更为突出。在发达国家，半导体激光气体测量技术已逐步取代传统气体检测技术，在气体在线监测领域得到了日益广泛的应用。
    二、DLAS技术简介
    聚光科技研发生产的LGA-2000系列激光现场在线气体分析仪是基于DLAS技术开发的现场在线气体分析仪器。
    DLAS（DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）是半导体激光吸收光谱技术的简称。该技术是利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。具体来说，半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。
    九十年代后，半导体激光器和光纤元件发展迅速，性能大大提高，价格大幅下降，室温工作、长寿命（>100，000小时）、单模特性和较宽波长范围的半导体激光器被大量地生产出来并投入市场，一些高灵敏度的光谱技术如frequencymodulationspectroscopy、cavityringdownspectroscopy等也逐渐成熟，DLAS技术开始被较多地应用于科学和工程研究，发达国家的一些仪器公司也开始将DLAS技术应用于气体监测。由于DLAS技术较传统光谱检测技术具有显著的技术优势而得到了迅速推广。
    FocusedPhotonics,Inc.(FPI)是DLAS技术的主要开发厂商之一，FPI自主开发了拥有完全知识产权的全系列的激光气体分析产品，并广泛应用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等领域。
    FPI通过聚光科技（杭州）有限公司将该技术引入中国，结合中国各行业的实际需求，开发了LGA-2000系列激光现场在线气体分析仪、LGA-3000系列激光采样在线气体分析仪，并且在钢铁、焦化、石化、电力、环保、航天等行业取得了良好的应用。
    三、DLAS技术的特点
    DLAS技术的特点主要表现为：
    1.恶劣环境适应能力强，无需采样预处理系统，实现现场在线连续测量
    激光在线气体分析仪采用DLAS技术独有的“单线光谱”原理，使用非接触式激光测量方法，测量仪器与被测量气体环境隔离,其分析测量不受测量环境中背景气体、粉尘以及环境温度和压力的影响，具有高温、高粉尘、高水份、高腐蚀性、高流速等恶劣测量环境的良好适应性，避免了传统气体分析系统必需的复杂的采样预处理系统，从而实现了现场在线连续测量。
    2.克服了背景气体、水分和粉尘的吸收干扰，测量大大提高
    DLAS独特的“单线光谱”技术、频率扫描技术、谱线展宽自动修正技术克服了背景气体、水分和粉尘的吸收干扰，修正了温度和压力等气体参数变化对气体浓度测量的影响，而且系统直接对现场气体进行测量，气体信息不失真。
相对于传统的气体测量技术，这些独特的测量技术和现场测量方法大大提高了测量的。
    3.响应速度快，实现工业过程实时在线管理
    DLAS技术进行气体分析不需采样预处理系统，节省了样气预处理的时间和样气在管道内的传输时间。系统可以达到毫秒级的响应速度，几乎是实时地反映过程气体浓度及其他参数变化状况，完全可以满足工业过程实时在线管理的需要。
    4.可同时检测多种气体参数，能测量分析多种气体，应用面广，仪器发展潜力大
    采用DLAS技术可同时在线测量气体的浓度、温度和流速等，并可实现多种气体如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自动检测，可广泛应用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等领域。较以往采用多种检测技术并进行系统集成而言，采用DLAS技术可大大简化仪器的结构，进而实现气体分析仪器的微型化、网络化（远距离数据无线传输）、智能化和自动化。
    5.光纤传输特性使系统的应用更加灵活，性价比更高
    DLAS技术采用的激光光源与常规光纤有良好的兼容性，所以可以将半导体激光器放置在中央处理单元内，把光纤输出的激光通过树形光纤分路耦合器同时耦合到多根光纤，不同的光纤把激光传递到几个不同的测量位置，对这几个不同位置的气体同时进行测量，从而实现分布式的在线气体监测分析。采用光纤后测量系统的抗电磁干扰能力、适应恶劣环境和防爆环境的能力非常强；整套测量系统的成本大大降低；与传统的气体分析系统相比，配置更加灵活，性价比也更高。
    四、DLAS技术与连续采样法气体分析技术比较

    指标DLAS技术连续采样法气体分析技术
    预处理系统不需要必需
    测量方法现场、连续、实时测量采样预处理后间断测量
    气体环境高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶劣环境适应能力强只能测量恒温、恒压、恒流、干燥及无粉尘的气体
    响应速度快：取决于信号分析速度（光电传播时间可忽略），小于1秒慢：取决于采样预处理时间、样品气传输时间、仪表响应时间，超过20秒
    准确性实地测量，气体信息不失真；测量值为气体线平均浓度；不受背景气体、粉尘及气体参数影响溶解吸附泄漏导致气体信息失真；测量值为探头位置局部浓度；背景气体、粉尘及气体参数影响测量的准确性
    连续性连续测量间断测量：反吹时无法测量
    可靠性无运动器件，可靠性高较多运动部件，可靠性低
    测量参数可同时测量气体浓度、温度、流速等参数只能测量气体浓度
    介质干扰不受背景气体交叉干扰；自动修正粉尘及光学视窗污染干扰受背景气体的交叉干扰，无法定量修正粉尘及光学视窗污染干扰
    标定维护标定：3~4次/年；维护：3~4次/年，自动提示标定：一个月2~3次；维护：经常
    运行费用无需备品备件；运行费用接近于零（仅为电费）需要较多备品备件；年费用一般为系统成本的20%左右

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