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

本文論述了基于半導(dǎo)體激光吸收光譜測(cè)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(cè)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(cè)這些氣體的含量，對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)安裝測(cè)量、測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)的激光束穿過被測(cè)氣體時(shí)，被測(cè)氣體的吸收譜線對(duì)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(cè)氣體含量成正比，因此，通過測(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。
發(fā)射裝置和接收裝置直接安裝在被測(cè)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(cè)信號(hào)傳送到中央分析儀器，然后由中央分析儀器完成對(duì)過程氣體的檢測(cè)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(cè)氣體一條吸收譜線的譜寬。激光氣體分析儀首先選擇被測(cè)氣體位于特定波長(zhǎng)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(zhǎng)，使激光波長(zhǎng)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(cè)量用吸收譜線時(shí)保證在所選吸收譜線波長(zhǎng)附近無測(cè)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(duì)被測(cè)氣體的交叉吸收干擾，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
激光頻率掃描技術(shù)—自動(dòng)修正粉塵和視窗污染對(duì)測(cè)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(zhǎng)光源，測(cè)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(cè)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(hào)的減弱，儀器就會(huì)給出錯(cuò)誤的比實(shí)際氣體濃度高的測(cè)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(dòng)修正粉塵和視窗污染對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響，它可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)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(shì)，表1列舉了一些主要性能優(yōu)勢(shì)。
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(chǎng)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(cè)量需求，在解決了背景氣體交叉干擾、粉塵和視窗污染對(duì)測(cè)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(chǎng)在線分析氣體濃度，具有現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)、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(duì)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(cè)產(chǎn)生非常積極的作用。