氣體分析儀器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

氣體分析儀器現(xiàn)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(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，抽取某一時點(diǎn)的樣氣進(jìn)行分析。它的缺點(diǎn)是顯而易見的：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進(jìn)行檢測分析，不具備多重輸入和信號處理功能；分析費(fèi)時費(fèi)力，響應(yīng)速度慢，效率低，難以實(shí)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(dǎo)式三種測量方法。連續(xù)采樣法的特點(diǎn)是采用不同測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(yīng)性和性價比有很大的區(qū)別。

應(yīng)用最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(jìn)行選擇性吸收的原理，當(dāng)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(guān)）使光強(qiáng)衰減，測出光強(qiáng)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(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)速率來進(jìn)行測量的。當(dāng)被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時，熱導(dǎo)池內(nèi)的鉑熱電阻絲的阻值會因被測氣體的濃度變化而變化，運(yùn)用惠斯頓電橋?qū)⒆柚敌盘栟D(zhuǎn)換成電信號，通過電路處理將信號放大、溫度補(bǔ)償、線性化，使其成為測量值。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；它的測量范圍也很寬，在0%~100%圍內(nèi)均可測量。熱導(dǎo)式分析儀器是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、價廉、技術(shù)上較為成熟的儀器。但是熱導(dǎo)式分析儀器對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，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(fù)雜的采樣預(yù)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(dǎo)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)是無需采樣預(yù)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場在線氣體分析。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)來實(shí)現(xiàn)氣體分析，但由于DLAS技術(shù)采用了獨(dú)特的“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(shí)現(xiàn)其他光譜吸收技術(shù)無法或很難實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場在線連續(xù)氣體測量。

DLAS技術(shù)的優(yōu)勢在于能適應(yīng)高溫、高水分、高粉塵、強(qiáng)腐蝕性和高流速的被測氣體環(huán)境，無需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，測量精度高，響應(yīng)速度快。隨著半導(dǎo)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下降，其性價比優(yōu)勢更為突出。在發(fā)達(dá)國家，半導(dǎo)體激光氣體測量技術(shù)已逐步取代傳統(tǒng)氣體檢測技術(shù)，在氣體在線監(jiān)測領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

二、DLAS技術(shù)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(shù)開發(fā)的現(xiàn)場在線氣體分析儀器。

DLAS（Diode Laser Absorption Spectroscopy）是半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的簡稱。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測量氣體濃度的一種技術(shù)。具體來說，半導(dǎo)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(jìn)行吸收導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的衰減與被測氣體含量成正比，因此，通過測量激光強(qiáng)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(dǎo)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）、單模特性和較寬波長范圍的半導(dǎo)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(shù)如frequency modulation spectroscopy、cavity ringdown spectroscopy等也逐漸成熟，DLAS技術(shù)開始被較多地應(yīng)用于科學(xué)和工程研究，發(fā)達(dá)國家的一些儀器公司也開始將DLAS技術(shù)應(yīng)用于氣體監(jiān)測。由于DLAS技術(shù)較傳統(tǒng)光譜檢測技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢而得到了迅速推廣。

Focused Photonics,Inc.(FPI)是DLAS技術(shù)的主要開發(fā)廠商之一，F(xiàn)PI自主開發(fā)了擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的全系列的激光氣體分析產(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通過聚光科技（杭州）有限公司將該技術(shù)引入中國，結(jié)合中國各行業(yè)的實(shí)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(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)，無需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，實(shí)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(shù)獨(dú)有的“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(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獨(dú)特的“單線光譜”技術(shù)、頻率掃描技術(shù)、譜線展寬自動修正技術(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)變化對氣體濃度測量的影響，而且系統(tǒng)直接對現(xiàn)場氣體進(jìn)行測量，氣體信息不失真。相對于傳統(tǒng)的氣體測量技術(shù)，這些獨(dú)特的測量技術(shù)和現(xiàn)場測量方法大大提高了測量的精度。

3.響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程實(shí)時在線管理

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)處理的時間和樣氣在管道內(nèi)的傳輸時間。系統(tǒng)可以達(dá)到毫秒級的響應(yīng)速度，幾乎是實(shí)時地反映過程氣體濃度及其他參數(shù)變化狀況，完全可以滿足工業(yè)過程實(shí)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(yīng)用面廣，儀器發(fā)展?jié)摿Υ?

采用DLAS技術(shù)可同時在線測量氣體的濃度、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等的自動檢測，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技術(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)集成而言，采用DLAS技術(shù)可大大簡化儀器的結(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)無線傳輸）、智能化和自動化。

5.光纖傳輸特性使系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活，性價比更高

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)體激光器放置在中央處理單元內(nèi)，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(jìn)行測量，從而實(shí)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(yīng)惡劣環(huán)境和防爆環(huán)境的能力非常強(qiáng)；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(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

測量方法 現(xiàn)場、連續(xù)、實(shí)時測量 采樣預(yù)處理后間斷測量

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) 只能測量恒溫、恒壓、恒流、干燥及無粉塵的氣體

響應(yīng)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(yù)處理時間、樣品氣傳輸時間、儀表響應(yīng)時間，超過20秒

準(zhǔn)確性 實(shí)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(dǎo)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(zhǔn)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(yùn)動器件，可靠性高 較多運(yùn)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(zhì)干擾 不受背景氣體交叉干擾；自動修正粉塵及光學(xué)視窗污染干擾 受背景氣體的交叉干擾，無法定量修正粉塵及光學(xué)視窗污染干擾

標(biāo)定維護(hù) 標(biāo)定：3~4次/年；維護(hù)：3~4次/年，自動提示 標(biāo)定：一個月2~3次；維護(hù)：經(jīng)常

運(yùn)行費(fèi)用 無需備品備件；運(yùn)行費(fèi)用接近于零（僅為電費(fèi)） 需要較多備品備件； 年費(fèi)用一般為系統(tǒng)成本的20%左右

更多：甲醛檢測儀| 可燃?xì)怏w檢測儀| 毒性氣體| 氨檢測儀| 半導(dǎo)體特氣檢測儀| 苯氣檢測儀| 測氡儀| 綜合多氣體檢測儀| VOC檢測儀| 煙氣分析儀| 一氧化碳檢測儀| 氧氣分析儀| 氣味檢測儀| 臭氧檢測儀| 二氧化碳分析儀| 氟里昂氣體檢測儀| 泄露氣體檢測儀| 氣體探測器| 揮發(fā)性有機(jī)氣體檢測儀|