基于DLAS技术的现场在线气体浓度分析仪

　　1　引　　言

　　钢铁冶金、石油化工、水泥、电力和生化制药等行业的快速发展和技术升级迫切需要提升对其生产过程的分析和控制能力。其中,过程气体浓度的在线分析和控制正越来越广泛地被应用于这些行业的生产工艺优化、工业炉窑节能和降污分析、能源气回收控制和安全及环保监测等方面。但是,目前在线气体分析系统普遍采用的传统非色散红外光谱气体分析仪存在许多缺点:

　　(1)无法消除背景气体的交叉干扰;

　　(2)无法修正被测气体中粉尘及其对光学视窗污染产生的干扰。

　　因此,需对被测气体进行较复杂(复杂程度视工况而定)的采样预处理再送入这类气体分析仪进行测量,从而导致分析系统的测量响应速度较慢,维护工作量较大,系统可靠性不高以及成本较高等。

　　半导体激光吸收光谱(DLAS)技术在20世纪70年代刚被提出时使用中远红外波长的铅盐半导体激光器,这类激光器以及相应的中远红外光电传感器在当时只能工作于非常低的液氮甚至液氦温度,从而限制了DLAS技术在工业过程气体分析领域的应用。光通信产业的迅速发展促使常温工作、价格低廉、单模特性的近红外半导体激光器在20世纪90年代获得了大规模商业化,从而解决了DLAS技术应用于工业过程气体在线分析领域的器件障碍[1]。表1列出了可利用近红外半导体激光器检测的几种常见工业过程气体及其测量下限。

　　与传统的非色散红外光谱技术相比,DLAS技术具有很多显著优点:

　　(1)非接触测量,具有非常强的高温、高粉尘和强腐蚀等恶劣工业环境的适应能力;

　　(2)利用半导体激光良好单色性的“单线光谱”技术避免了背景气体吸收的干扰;

　　(3)利用半导体激光波长的可调谐性解决了粉尘、视窗污染对测量的影响;

　　(4)可自动修正环境温度、压力变化对测量的影响;

　　(5)无需采样预处理,响应速度快,真实反映现场气体状况;

　　(6)仪器可靠性高,标定维护方便,运行费用低。因此,基于DLAS技术的半导体激光现场在线气体浓度分析仪器可较好地满足工业过程气体在线分析的迫切需要。

　　2　DLAS技术原理

　　2.1　DLAS基本原理

　　与传统红外光谱技术相同,DLAS技术本质上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气体浓度。但与传统红外光谱技术不同,它采用的半导体激光光源的光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。因此,DLAS技术是一种高分辨率吸收光谱技术,半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用Beer-Lambert关系[2]准确表述:

　　式(1)中Iv,0和Iv分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强,S(T)表示气体吸收谱线的强度,线形函数g(v-v0)表征该吸收谱线的形状。图(1)中直接吸收信号示意了气体吸收谱线产生衰减(式(1)中S(T)g(v-v0)PXL)随光频率的变化。通常情况下气体的吸收较小,可用式(2)来近似表达气体的吸收。气体浓度越大,对光的衰减也越大。