激光氣體分析儀采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜測量技術(shù)

本文論述了基于半導(dǎo)體激光吸收光譜測量技術(shù)的激光氣體分析儀的分析原理、儀器結(jié)構(gòu)和主要性能特點(diǎn)，并介紹了它在鋼鐵行業(yè)在線氣體檢測中的應(yīng)用。
鋼鐵冶煉過程中將產(chǎn)生大量的氣體，如氧氣和一氧化碳等。在線分析檢測這些氣體的含量，對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用，如優(yōu)化生產(chǎn)工藝、回收利用氣體能源、環(huán)保節(jié)能和安全控制分析等。
目前鋼鐵企業(yè)采用的在線氣體分析儀器主要采用非色散紅外方式在線氣體分析儀。這些儀器無法定量地校正背景氣體如水分的交叉干擾，同時(shí)需要防止過程氣體中粉塵對分析儀器內(nèi)光學(xué)視窗的污染。因此，氣體分析前須使用采樣探頭對需要分析的過程氣體進(jìn)行采樣，樣氣經(jīng)過復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)脫去粉塵和水分后再送入氣體分析儀器進(jìn)行氣體分析。這些氣體分析系統(tǒng)往往存在諸多缺陷，如：
（l）氣體的采樣和預(yù)處理系統(tǒng)達(dá)不到分析儀器要求，導(dǎo)致儀器容易損壞、維護(hù)和檢修周期短；
（2）采樣和預(yù)處理系統(tǒng)的維護(hù)工作量大、價(jià)格昂貴；
（3）系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間遲滯，無法*工業(yè)過程
實(shí)時(shí)控制的要求。
由此可見，傳統(tǒng)在線氣體分析系統(tǒng)的一些固有缺陷已成為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)過程控制自動化的瓶頸，同時(shí)也制約了在線氣體分析系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。
聚光科技（杭州）有限公司開發(fā)的激光現(xiàn)場在線氣體分析儀具有無需采樣預(yù)處理系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場安裝測量、測量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了上述問題。
激光氣體分析儀采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜測量技術(shù)。該技術(shù)利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成高分辨率吸收光譜的原理來測量氣體濃度。具體地說，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(shí)，被測氣體的吸收譜線對激光束能量的吸收導(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。
發(fā)射裝置和接收裝置直接安裝在被測管道（煙道）上，發(fā)射裝置發(fā)出的特定頻率的激光穿過過程氣體管道（煙道）后被接收裝置中的傳感器接收，接收裝置將檢測信號傳送到中央分析儀器，然后由中央分析儀器完成對過程氣體的檢測分析和輸出控制。吹掃裝置起到保護(hù)發(fā)射和接收裝置中光學(xué)視窗的作用，避免光學(xué)視窗被過程氣體中的粉塵和焦油等污染。
而激光氣體分析儀中使用的半導(dǎo)體激光的譜寬小于0.0001nm，為上述紅外光源譜寬的l/IJ，遠(yuǎn)小于被測氣體一條吸收譜線的譜寬。激光氣體分析儀首先選擇被測氣體位于特定波長的某一吸收光譜線，通過調(diào)節(jié)激光器的溫度和電流改變激光波長，使激光波長掃描選擇的該吸收譜線，從而獲得“單線光譜”數(shù)據(jù)來分析氣體濃度。
在選擇測量用吸收譜線時(shí)保證在所選吸收譜線波長附近無測量環(huán)境中其它氣體組分的吸收譜線，從而避免了這些背景氣體組分對被測氣體的交叉吸收干擾，保證了測量的準(zhǔn)確性。
激光頻率掃描技術(shù)—自動修正粉塵和視窗污染對測量濃度的影響
傳統(tǒng)的非色散紅外氣體分析技術(shù)使用固定波長光源，測量獲得的是光通道內(nèi)粉塵、視窗和氣體的總透光率，無法區(qū)分粉塵和視窗透光率毛和被測氣體的透光率瓜；在實(shí)際氣體濃度未變的情況下光通道內(nèi)粉塵濃度的增加或視窗透過率的下降均表現(xiàn)為光傳感信號的減弱，儀器就會給出錯誤的比實(shí)際氣體濃度高的測量值。由于激光在線氣體分析儀具有不受背景氣體交叉干擾以及可以自動修正粉塵和視窗污染對氣體濃度測量的影響，它可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場直接測量，避免了復(fù)雜和需要大量維護(hù)的采樣預(yù)處理系統(tǒng)。因此，它較傳統(tǒng)在線氣體分析設(shè)備具有較大的性能優(yōu)勢，表1列舉了一些主要性能優(yōu)勢。
激光氣體分析儀已應(yīng)用于多家鋼鐵集團(tuán)的眾多應(yīng)用場合，如磨機(jī)人口和布袋出口處的氧氣安全分析控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐、高爐和焦?fàn)t煤氣回收分析控制系統(tǒng)和焦?fàn)t電捕焦安全分析系統(tǒng)等，均獲得了較好的應(yīng)用效果。
激光氣體分析儀較好地滿足了鋼鐵冶煉過程氣體在線分析的測量需求，在解決了背景氣體交叉干擾、粉塵和視窗污染對測量的干擾的基礎(chǔ)上省卻了采樣預(yù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在高溫、高粉塵、高流速、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下現(xiàn)場在線分析氣體濃度，具有現(xiàn)場安裝測量、測量精度高、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)使用壽命長、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。該儀器在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用將對鋼鐵生產(chǎn)工藝優(yōu)化、能源氣回收、安全控制和環(huán)保監(jiān)測產(chǎn)生非常積極的作用。