氣體分析儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

氣體分析是利用各種氣體的物理、化學(xué)性質(zhì)不同來(lái)測(cè)定混合氣體組成的分析方法。在工業(yè)生產(chǎn)中為了正常安全生產(chǎn)，對(duì)各種工業(yè)氣體都要經(jīng)過(guò)分析，了解其組成。氣體分析的特點(diǎn)是氣體本身具有質(zhì)量較小、流動(dòng)性大、V隨T或P的變化而變化的特點(diǎn)，從而決定一般測(cè)定氣體的V而不是質(zhì)量m，并同時(shí)測(cè)定環(huán)境的T和P。常用的氣體分析方法有：化學(xué)分析法（吸收法、燃燒法等）物理分析法（密度、熱導(dǎo)率、折射率、熱值等）和物理化學(xué)分析法（電導(dǎo)法、色譜法、紅外光譜法等）。

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(tǒng)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(duì)氣體進(jìn)行人工取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，其中操作者的操作技能對(duì)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(cè)分析，不具備多重輸入和信號(hào)處理功能；分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力，響應(yīng)速度慢，效率低，難以實(shí)時(shí)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(dǎo)式三種測(cè)量方法。連續(xù)采樣法的特點(diǎn)是采用不同測(cè)量方法的氣體分析系統(tǒng)都由采樣預(yù)處理系統(tǒng)和分析儀表兩部分組成，采樣探頭將被測(cè)氣體從煙道或管道中引出并進(jìn)行預(yù)處理后，連續(xù)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(cè)量。上述三種測(cè)量方法的系統(tǒng)集成方式、適應(yīng)性和性價(jià)比有很大的區(qū)別。

應(yīng)用Z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(cè)量方法是基于氣體對(duì)紅外線進(jìn)行選擇性吸收的原理，當(dāng)被測(cè)氣體通過(guò)測(cè)量管道時(shí)吸收紅外光源發(fā)出的特定頻率光（與被測(cè)氣體成分有關(guān)）使光強(qiáng)衰減，測(cè)出光強(qiáng)的衰減程度即確定了被測(cè)氣體的濃度。

紫外線式氣體分析儀是基于被測(cè)氣體對(duì)紫外光選擇性的輻射吸收原理，可以測(cè)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(dǎo)式氣體分析儀的工作原理是利用各種氣體不同的熱導(dǎo)系數(shù)，即具有不同的熱傳導(dǎo)速率來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)被測(cè)氣體以恒定的流速流入分析儀器時(shí)，熱導(dǎo)池內(nèi)的鉑熱電阻絲的阻值會(huì)因被測(cè)氣體的濃度變化而變化，運(yùn)用惠斯頓電橋?qū)⒆柚敌盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電路處理將信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償、線性化，使其成為測(cè)量值。熱導(dǎo)式氣體分析器的應(yīng)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(cè)量范圍也很寬，在0%～圍內(nèi)均可測(cè)量。熱導(dǎo)式分析儀器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)廉、技術(shù)上較為成熟的儀器。但是熱導(dǎo)式分析儀器對(duì)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(duì)測(cè)量影響較大，所以必須安裝復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量法

現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量法中以半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（DLAS）具有代表性。DLAS技術(shù)的特點(diǎn)是無(wú)需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，分析儀器直接安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)一束穿過(guò)被測(cè)氣體的激光光束來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析。DLAS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種氣體如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自動(dòng)檢測(cè)，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(xiàn)氣體分析，但由于DLAS技術(shù)采用了*的“單線光譜"技術(shù)和調(diào)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(shù)變化的影響，因此可以將分析儀器直接安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)其他光譜吸收技術(shù)無(wú)法或很難實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)在線連續(xù)氣體測(cè)量。

DLAS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能適應(yīng)高溫、高水分、高粉塵、強(qiáng)腐蝕性和高流速的被測(cè)氣體環(huán)境，無(wú)需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快。隨著半導(dǎo)體激體分析技術(shù)的逐步成熟，相關(guān)光電元器件成本的顯著下降，其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)更為突出。在發(fā)達(dá)國(guó)家，半導(dǎo)體激體測(cè)量技術(shù)已逐步取代傳統(tǒng)氣體檢測(cè)技術(shù)，在氣體在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析儀是基于DLAS技術(shù)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析儀器。

DLAS（DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy）是半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的簡(jiǎn)稱。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(cè)量氣體濃度的一種技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長(zhǎng)的激光束穿過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，被測(cè)氣體對(duì)激光束進(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的衰減與被測(cè)氣體含量成正比，因此，通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測(cè)氣體的濃度。

九十年代后，半導(dǎo)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(zhǎng)壽命（>100，000小時(shí)）、單模特性和較寬波長(zhǎng)范圍的半導(dǎo)體激光器被地生產(chǎn)出來(lái)并投入市場(chǎng)，一些高靈敏度的光譜技術(shù)如frequencymodulationspectroscopy、cavityringdownspectroscopy等也逐漸成熟，DLAS技術(shù)開(kāi)始被較多地應(yīng)用于科學(xué)和工程研究，發(fā)達(dá)國(guó)家的一些儀器公司也開(kāi)始將DLAS技術(shù)應(yīng)用于氣體監(jiān)測(cè)。由于DLAS技術(shù)較傳統(tǒng)光譜檢測(cè)技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而得到了迅速推廣。

FocusedPhotonics,Inc.（FPI）是DLAS技術(shù)的主要開(kāi)發(fā)廠商之一，F(xiàn)PI自主開(kāi)發(fā)了擁有*知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全系列的激體分析產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)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ZG，結(jié)合ZG各行業(yè)的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了LGA-2000系列激光現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用。

三、DLAS技術(shù)的特點(diǎn)

DLAS技術(shù)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1.惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，無(wú)需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線連續(xù)測(cè)量

激光在線氣體分析儀采用DLAS技術(shù)的“單線光譜"原理，使用非接觸式激光測(cè)量方法，測(cè)量?jī)x器與被測(cè)量氣體環(huán)境隔離,其分析測(cè)量不受測(cè)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(cè)量環(huán)境的良好適應(yīng)性，避免了傳統(tǒng)氣體分析系統(tǒng)必需的復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)在線連續(xù)測(cè)量。

2.克服了背景氣體、水分和粉塵的吸收干擾，測(cè)量精度大大提高

DLAS*的“單線光譜"技術(shù)、頻率掃描技術(shù)、譜線展寬自動(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(shù)變化對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響，而且系統(tǒng)直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體進(jìn)行測(cè)量，氣體信息不失真。相對(duì)于傳統(tǒng)的氣體測(cè)量技術(shù)，這些*的測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法大大提高了測(cè)量的精度。

3.響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)在線管理

DLAS技術(shù)進(jìn)行氣體分析不需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，節(jié)省了樣氣預(yù)處理的時(shí)間和樣氣在管道內(nèi)的傳輸時(shí)間。系統(tǒng)可以達(dá)到毫秒級(jí)的響應(yīng)速度，幾乎是實(shí)時(shí)地反映過(guò)程氣體濃度及其他參數(shù)變化狀況，*可以滿足工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)在線管理的需要。

4.可同時(shí)檢測(cè)多種氣體參數(shù)，能測(cè)量分析多種氣體，應(yīng)用面廣，儀器發(fā)展?jié)摿Υ?br/>

采用DLAS技術(shù)可同時(shí)在線測(cè)量氣體的濃度、溫度和流速等，并可實(shí)現(xiàn)多種氣體如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H20、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自動(dòng)檢測(cè)，可廣泛應(yīng)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(cè)技術(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)集成而言，采用DLAS技術(shù)可大大簡(jiǎn)化儀器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體分析儀器的微型化、網(wǎng)絡(luò)化（遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸）、智能化和自動(dòng)化。

5.光纖傳輸特性使系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活，性價(jià)比更高

DLAS技術(shù)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(dǎo)體激光器放置在ZY處理單元內(nèi)，把光纖輸出的激光通過(guò)樹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(cè)量位置，對(duì)這幾個(gè)不同位置的氣體同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)分布式的在線氣體監(jiān)測(cè)分析。采用光纖后測(cè)量系統(tǒng)的抗電磁干擾能力、適應(yīng)惡劣環(huán)境和防爆環(huán)境的能力非常強(qiáng)；整套測(cè)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(jià)比也更高。

四、DLAS技術(shù)與連續(xù)采樣法氣體分析技術(shù)比較

指標(biāo)DLAS技術(shù)連續(xù)采樣法氣體分析技術(shù)預(yù)處理系統(tǒng)不需要必需測(cè)量方法現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量采樣預(yù)處理后間斷測(cè)量氣體環(huán)境高溫、高粉塵、高水分、高流速、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)只能測(cè)量恒溫、恒壓、恒流、干燥及無(wú)粉塵的氣體響應(yīng)速度快：取決于信號(hào)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(yù)處理時(shí)間、樣品氣傳輸時(shí)間、儀表響應(yīng)時(shí)間，超過(guò)20秒性實(shí)地測(cè)量，氣體信息不失真；測(cè)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(dǎo)致氣體信息失真；測(cè)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(cè)量的性連續(xù)性連續(xù)測(cè)量間斷測(cè)量：反吹時(shí)無(wú)法測(cè)量可靠性無(wú)運(yùn)動(dòng)器件，可靠性高較多運(yùn)動(dòng)部件，可靠性低 。