在线分析仪器系统应用维护技能培训6

聚光LGA原位安装的再生烟气分析系统
Unisearch原位激光分析仪现场
2）抽取-采样式激光分析系统
半导体激光光谱仪用于抽取式分析与传统 红外、磁氧、电化学分析的气体分析系统相比， 具有预处理结构简单、系统响应速度快、测量 精度高等优势。特别是结合精细度腔吸收光谱 ( HFCAS)等技术，采样式激光气体分析仪比 原位式具有更高的检测灵敏度，大大拓展了激 光气体分析仪的应用领域。 激光光谱仪用于抽取式分析时，也需要有 取样探头及样品处理系统。
原位-对射安装式激光气体分析仪
原位-对射式安装需要注意的问题是管路或烟道 中的粉尘含量高以及管路或烟道的震动，粉尘含 量太高会完全阻挡光路，管道\烟道的震动或冷热 变形会使光路偏移。 比如在SCR脱硝工艺的NH3逃逸检测中，粉尘 含量高达30-50g/m3, 并且烟道有一定的热变形， 采用对射式安装的激光光谱分析仪，应特别注意 这些因素对仪器测量的影响。
（2）管道、烟道探头安装式 探头式仪器见下图。图中使用的取样探头是开 路型的，在探头前方安装反射器。发射器/接收器 单元安装在烟道一侧。激光从探头内穿过烟道从 反射器折回。探头中的开路部分通过烟气，成为 测量光路的一部分。由于取样探头和反射器/接收 器单元、连接器单元是刚性连接，一旦调好后到 现场也不会改变。测量光路决定于开口的大小， 光程是固定的，因此探头式的另一个应用是可以 做成便携式的激光光谱分析仪。
TDALS的测量气体种类和特征波段（测量下限仅 供参考）
近红外波长 气体种类 /um 02 CO C02 0. 76 1. 55 l_ 57
测量下限 气体种类 ／( ppm．m) 100 40 20 H20 CH4 HCI
近红外波长 /um 1. 39 1. 65 1. 75
测量下限 ／( ppm．m) 0. 03 10 0.1
蝶形尾纤输出DFB激光器由于功率较高，在 气体检测中有很大优势，下图为Unisearch激 光分析仪使用的蝶形尾纤输出DFB激光器.
（2）光电检测器 激光气体分析仪中使用的检测器有硅光电检测 器和InGaAs检测器。 硅光电检测的响应范围450-1100nm，适合 激光氧气分析仪使用。 InGaAs检测器的响应范围900-1700nm，适 合大多数的气体检测使用。
7.4.2典型产品介绍 目前国内应用的半导体激光气体分析仪产品有 国产杭州聚光科技有限公司的LGA系列等产品； 国外德国西门子公司的LDS6、 西克麦哈克公司的GM700、 美国LGR公司的ICOS、 挪威纳斯克公司的 Laser GasII系列 加拿大Unisearch（优胜）公司LasIR R系列等。
1）原位-对射安装激光光谱仪 原位安装的激光光谱分析仪与抽取式分析仪 相比，无需采样处理系统，反应速度快，由于 直接在管道或烟道中检测气体组分，不存在相 变，对易溶于水的被测气体而言，不存在被水 分吸收问题，因此在对复杂气体组分的分析及 要求反应速度快的场合是特别适宜的。 但是对粉尘量大、振动大的场合应采取必要 措施，如减震安装等。
7.4、TDLAS的技术应用及典型产品
7.4.1应用介绍 半导体激光气体分析仪具有不受背景气体交叉 干扰、不受粉尘和视窗污染的影响、能自动修正温 度、压力对测量影响等显著技术优势，为各类工业 过程分析和环保排放监测提供了全新的解决方案。 激光光谱分析具有测量精度高、响应速度快、可靠 性高等特点，已广泛应用于石油化工、钢铁冶金、 环境保护等领域。 下表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、特征波长及测量下限。
Unisearch考核模块与分析仪系统连接示意图
7.2.2按照系统结构、安装、应用不同分类 （1）管道、烟道原位-对射安装式 对射式仪器见下图。仪器的光学部件由发射器/ 接收器部件和反射器部件组成。发射器/接收器部 件有望远镜部件观察反射光，进行光路对准的调 整。发射器/接收器部件和反射器部件的窗口都有 一个连接管，连接管通吹扫气形成一个风幕，防 止样气对光学窗口的污染。电子部件通过电缆连 接发射器/接收器单元，安装在现场附近。
7.2激光光谱气体分析仪的检测技术分类
7.2.1TDLAS技术根据吸收信号的检测技术分类 （1）调制光谱-谐波分量（二次谐波）检测技术 调制光谱-谐波分量检测技术的产品，如西门子、 ABB，以及聚光的激光气体分析仪等产品，均采用 二次谐波监测技术。 激光器的输出波长随着激光器的温度和输入电 流的改变而变化，所以通过温度和输入电流的调谐， 可以产生以气体吸收线为中心的扫描光谱，并且也 可以通过外加高频信号到激光器的输入电流以调制 激光器输出高频扫描光谱，通过相敏检测技术检测 吸收谱线的谐波分量来获得更高检测灵敏度。
“在线分析仪器系统应用维护综合 技能培训班”技术讲座 （第二部分）6
第七讲半导体激光气体分析仪 第八讲紫外-可见分光光谱仪 第九讲化学发光分析仪 第十讲总硫分析仪及其应用
Hale Waihona Puke 主讲人：朱卫东2012/5
第七讲 半导体激光光谱分析仪
7.1 TDLAS的基本原理介绍 半导体激光光谱分析仪基于TDLAS(可调式二极 管激光器吸收光谱）技术，通过电流和温度调谐 半导体二极管激光器的输出波长，扫描被测气体 的某一条吸收谱线，通过检测吸收光谱的吸收强 度获得气体浓度。 下图为1576-1581nm范围内CO、CO2、H2O 的吸收线，合理的选择某条吸收线，可以不受干 扰的检测其中之一个气体，而其他两种气体都不 会产生干扰。
(3)自动修正温度、压力对测量的影响 一些工业过程气体可能存在几百摄氏度的温度变 化和几个大气压的压力变化。气体温度和压力的变 化会导致二次谐波信号波形的幅值与形状发生相应 的变化，从而影响测量的准确性。 为了解决这个问题，TDLAS技术中可增加温度、 压力补偿算法，只要将外部传感器测得的气体温度、 压力信号输入补偿算法中，TDLAS气体浓度分析仪 就能自动修正温度、压力变化对气体浓度测量的影 响，保证了测量的准确性。
（2） 基于直接吸收的检测技术 通过直接在激光器上输入较高频率的电流以调 节激光器产生较高频率的扫描光谱，在检测端直 接检测吸收光谱的吸收信号获得气体的浓度值。 如：加拿大Unisearch（优胜）公司的激光光谱 分析仪采用直接吸收法检测技术。 直接吸收检测技术由于采用直接高频的电流信 号产生高频扫描光谱，从而无需使用外部调制信 号就能够在检测端的吸收光谱中直接获得信噪比 很好的吸收信号，达到调制光谱-谐波分量检测技 术同样的检测灵敏度。
Herriott池及单次反射池
抽取式激光分析器的结构和传统仪器一样，全 套系统安装在一个仪表机箱中。如：SICK生产的 GM700E。
7.3、TDLAS技术特点和关键部件
7.3.1 TDLAS技术特点 (1)不受背景气体的影响 传统非色散红外光谱的光源谱带很宽，其谱宽 范围内除了被测气体的吸收谱线外，还有很多其 他背景气体的吸收谱线。光源发出的光除了被待 测气体的多条吸收谱线吸收外，还被一些背景气 体的吸收谱线吸收，从而导致测量的不准确性。 半导体激光吸收光谱技术中使用的半导体激光 的谱宽小于0．OOOlnm，为上述红外光源谱宽 的1/106，远小于被测气体吸收谱线的谱宽。
直接吸收检测技术没有外部频率调制和谐波分 量相位问题，结构更简单，配合内部标准气体 “锁峰”技术，可以实现长期无需用户校正，特 别适合检测HF、HCL、HCN、NH3等这类腐蚀性 并且剧毒很难用标气校正的气体。例如： Unisearch的激光分析仪用于微量氨监测，主机 内置NH3标气参比池，激光器发出的激光分出 2%-10%的光强到NH3参比池，通过参比池的 NH3中心吸收谱线实时牢牢“锁定”激光器发出 的激光波长范围，使得整套分析系统不存在系统 漂移问题 。
1576-1581nm范围内CO、CO2、H2O吸收线
CO
CO2
H2O
1.576
1.577
1.578
1.579
1.58
1.581
Wavelength (microns)
TDLAS的定量计算是以Beer-Lambert定律为 基础，Beer-Lambert定律指出了光吸收与光穿 过被检测物质之间的关系，当一束频率V光束穿过 吸收物质后，在其穿过光径上的光强变化为：
采用加拿大Unisearch（优胜）公司的激光光 谱分析仪采用较大功率的半导体激光器，在电厂 的脱硝NH3逃逸检测中，能够实现6-8米烟道、 30-50g/m3粉尘工况的对射式直接安装检测。 LasIR R系列分析仪的发射光斑可调，使入射到 对面检测端的光斑大于检测窗口，很好地解决了 烟道变形和震动的问题。
I(v)=I0(v)exp[-σ(v)CL] I(v) 光束穿过被测气体的透射光强度 I0(v) 入射光强度 σ(v) 被测气体分子吸收截面 C 被测气体的浓度 L 光程
因此，可通过测量气体对激光的衰减来测量气 体的浓度。值得注意的是σ(v)吸收截面是分子吸 收线强S(V)和分子吸收线形φ（V）的乘积，吸收 线强S(V)受到气体温度的影响，吸收线形φ（V） 收到压力展宽的影响。在实际检测中，TDLAS分 析仪需要输入温度和压力值进行补偿，如果过程 气体的温度和压力变化比较大，还需要通过接入 温度和压力传感器实时进行温度压力补偿。
原位探头式安装仪器
原位开口型探头存在两个问题：一是不能通气 校准，二是粉尘浓度过高对信号衰减大，影响仪 器的信噪比，因而影响测量精度。SICK公司设计 的渗透型探头很好地解决了上述问题。在探头的 开口处安装一个渗透管，如图中右面的管子。样 气由渗透管扩散至探头的光路中。渗透管将粉尘 档在外面，内部的光路始终是清洁的。另一方面， 由于渗透管具有一定的阻力，所以可以从探头内 部通气，在渗透管内形成一个气室，用标准气对 仪器进行校准。
7.3.2 TDLAS关键部件 （1）可调式二极管激光器 激光光谱气体分析仪使用的可调式二极管激光 器（TDL）的波长范围是在近红外区的7002000nm，除了检测O2是使用760nm的激光器 外，检测其他气体基本上选用在1300-1800nm 的激光器。商用激光分析仪使用近红外DFB(分布 反馈型)和VCSEL (垂直腔面发射型)激光器，采 用蝶形和TO封装，直接出光和尾纤出光封装。