激光在线气体分析仪的应用

    在线分析仪表是适用于测量工业现场介质组分或物料特性，并进行连续分析的一类仪器，广泛应用于石化、化工、冶金、电力、轻工、制药、半导体、环保等流程工业领域。

    流程工业的发展和升级，对在线分析仪表的测量准确性、响应速度和可靠性要求越来越高。为了减少检测试样的粉尘、湿度、温度对测量准确性和可靠性的影响，色谱分析仪、红外光谱气体分析仪、电化学分析仪、磁氧分析仪等传统在线分析系统常需要复杂的预处理系统。预处理系统的应用增加了采样处理时间，产生了分析的纯滞后时间，还会大幅增加系统运行的故障率和维护工作量。电化学分析仪虽然能够原位测量，但传感器漂移大、寿命短等缺点限制了其应用范围。此外，当前广泛应用于流程工业的传统非色散红外光谱气体分析技术因采用滤光片宽带光源，被测试样间容易存在交叉干扰，而且在微量组分的检测中一直受到背景气体影响，会产生大漂移等问题。

    激光在线气体分析技术代表了近２０年来在线分析技术的最新进展。该技术基于可调谐半导体激光吸收光谱ＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｄｉｏｄｅ　ＬａｓｅｒＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）气体分析技术，利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成高分辨率吸收光谱的原理来进行高精度、高可靠性的气体体积分数测量。该技术在２０世纪７０年代被提出时，主要作为高精度实时分析手段应用于航空航天等领域的前沿基础研究。自２０世纪９０年代以来，随着光通信技术的迅速发展，半导体激光器性能显著提高，成本也逐步下降。ＴＤＬＡＳ技术凭借其原位测量和高灵敏度测量等技术特点，开始被广泛应用于工业过程分析、环境监测、医疗诊断等领域。如今，ＴＤＬＡＳ技术已逐渐发展成为一种非常重要的在线气体分析技术。

    １　技术原理

   １．１　ＴＤＬＡＳ

    基本原理与传统红外光谱技术相同，ＴＤＬＡＳ技术本质上也是一种吸收光谱技术，通过分析光被气体的选择吸收来获得被测气体的体积分数。与传统红外光谱技术不同的是，它采用的半导体激光光源的光谱宽度（小于０．１ｐｍ）远小于气体吸收谱线的展宽，是一种高分辨率吸收光谱技术，如图１所示。

式中：Ｉ_ν，０———频 率 为ν的 激 光 入 射 时 的 光 强；Ｉ_ν———频率为ν的激光经过压力ｐ，体积分数φ和光程Ｌ的气体后的光强；Ｔ（ν）———透过率函数；Ｓ（Ｔ）———气体吸收谱线的谱线强度；ｇ（ν－ν_０）———该吸收谱线的线性。