气体在线分析系统
基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统
基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统孙灵芳;于洪【摘要】为了提高环境气体监测精度,降低设备维护成本需求,设计了一种多组分气体同时或近同时在线检测系统.该系统基于TDLAS技术采用DFB可调谐激光测量气体浓度,能够实现760 nm O2和2 326 nm CO混合气体同时在线监测.设计发射单元、接收单元等模块,分析TDLAS可调谐激光检测、PID温度控制、锁相检测原理.结合火电厂烟道氧量浓度测试,对系统进行了验证.实验结果表明:与传统的工业气体测量装置相比,该系统能获得更高的精度、更快的响应速度以及良好的稳定性,适应恶劣环境能力强,具有较好的实用性及可行性.%In order to improve the accuracy of detecting the environmental gas in the industry and satisfy the requirement for reducing the equipment cost,a meanwhile online or nearly meanwhile on-line multi-component gas detection system was designed.Based on TDLAS technology,this system adopted the DFB tunable laser to detect the gas concentration.Moreover,it can also realize the online simultaneous detection of the mixed gas of 760 nm O2 and 2 326 nm CO.This paper designed and analyzed the modules such as transmitting unit and Receiving unit.TDLAS tunable laser detection,PID temperature control and principle of phase lock detection were analyzed.The system was verified through the test of flue oxygen concentration in the thermal power plant.According to the experimental result,comparing with the traditional industrial gas measuring device,this system has higher accuracy and faster response speed and goodstability,and has the strong ability to function in the harsh environment as well as the high applicability and feasibility.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P73-77)【关键词】光谱分析;多组分气体;锁相放大;正弦调制;谐波检测【作者】孙灵芳;于洪【作者单位】东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林 132012;东北电力大学节能与测控技术研究中心,吉林吉林 132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TP273可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)利用分布反馈激光器(DFB)的窄线宽和波长调谐等特性来实现气体分子“指纹区”吸收谱线的扫描和测量,具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快、适应恶劣环境强等优点[1]。
第三章 直接测量式气体CEMS
第三章直接测量式气体CEMS在线系统是指在没有改变烟气的组成并在颗粒物存在或者渗透过滤除去颗粒物的条件下直接测量气体浓度的系统。
在线式气体CEMS测量系统分为点测量系统和线测量系统。
点监测仪称为烟道中监测仪，线监测仪称为跨烟道监测仪。
直接测量式一般分为两类：一类传感器安装在探头端部，探头直接插入烟道，使用电化学或光电传感器，测量较小范围内污染物浓度（相当于点测量）；另一类传感器和探头直接安装在烟道或管道上，传感器发射一束光穿过烟道，利用烟气的特征吸收光谱进行分析测量，可以归为线测量，可以采用红外、紫外、差分光学吸收光谱、激光等技术。
一、点在线气体CEMS点（短路径）在线系统在烟道中的一个单点上测量，就像一个普通的抽取系统探头在烟道中的一个点上抽气一样。
单点的长度可为几厘米，对于有些光电系统，为了测量浓度低的气体，长度到1m或超过1m，但是与烟道和管道的直径相比，测量路径较短。
如果气体浓度分层，必须要考虑探头的长度和位置以确保样品能够代表烟气。
一种点在线气体CEMS的测量探头有烧结不锈钢或陶瓷多孔材料制成，便于被探头过滤除去颗粒物的气体扩散到测量室进行测量和在线用标准气体对仪器进行校准。
另一种点在线气体CEMS的测量探头为开放式，主要是考虑烟气中烟尘的浓度较高以及量大面广的湿法除尘和脱硫净化后烟气中水分含量较高和颗粒物的粘性，这些因素可能堵塞探头，所以设计带有颗粒物的烟气直接从探头穿过，利用气体对光的吸收测量污染物的浓度。
这种设计采用标准气体流过气室（典型的长度为30cm）标准技术。
校准时通过滑道将探头移出烟道或管道，用不吸附被测定气体的材料制成的圆筒将开放式探头密封或者将与探头开口长度相同的气室放入光路中，然后通入标准气体对仪器进行校准。
校准过程比较麻烦，校准时消耗气体量比较多，因此要针对具体的烟气条件确定最佳的校准时间间隔，其关键在于确保仪器的连续运行和满足相对准确度的要求。
开放式探头与密封式探头相比较更适合于在含尘量高、烟气条件更恶劣的环境下连续使用。
在线气体分析仪预处理系统的功能作用与正确选型
在线气体分析仪预处理系统的功能作用与正确选型根据气体成分分析仪工作原理的不同，气体成分分析大致可分为两种测量方式：一是，直接测量方式，即将探头安装在过程气体管道中直接测量（测量、变送装置在探头内），如红外气体分析仪、紫外气体分析仪和激光拉曼光谱气体分析仪等，由于它采用了最新光学技术，能在不影响被测气体本身状态的情况下进行实时测量，具有测量准确、反应迅速的优点，尤其是它不需预处理装置，与传统的热导式气体分析仪相比有很大的优势。
二是，间接（取样）测量方式，即将过程气体抽出进行除尘等处理后送至分析单元进行测量（测量、变送装置在内）。
由于受工业过程气体高温、高粉尘、高水份、负压及腐蚀性等恶劣气体条件影响，对采用间接分析测量方式来说，最大的困难就是怎样获得适合测试条件的样气，惟一的方法就是采用预处理装置对样气进行处理，因此选用（制作）能适应工艺条件、性能稳定可靠的预处理装置是解决在线气体分析仪使用问题的关键。
虽然直接测量方法在对气体进行实时测量时可省去预处理装置，但工业过程气体的监测大部分时候是一个连续的过程，需要提供在线实时的数据参考，因此为了保证测量结果的准确性，即便是采用光学技术原理的气体分析仪一般也建议采用间接测量方式。
本文针对在线气体分析仪的预处理装置——预处理系统进行了分析与介绍，希望可以帮助大家更好的了解在线气体分析仪的基本原理。
一、预处理系统部件组成1.取样部分主要设备有粗过滤器、取样阀、取样管道、支架、蒸汽伴热管或电加热器等，安装在现场。
这是预处理系统的核心组成部分，也是决定仪器能否给出科学可信数据的一个重要环节，因此在实际的取样过程中应该做到小心谨慎、规范操作。
2.样气处理部分主要设备有取样阀、取样管道、支架、精密过滤器、干燥装置、稳压装置、稳流装置、压力表、流量计、冷却或加热装置、取样泵、尾气处理装置、标准气和载气装置、气泵或水泵、清洗装置等，安装在分析室仪表盘内。
3.控制部分主要设备有电源装置、小型PLC控制器、电磁阀或气动切换阀、环境状态报警仪等，安装在分析室仪表盘内。
雪迪龙烟气在线监测系统(CEMS)技术资料
特点
4.3 特点 PAS-DAS数据采集、控制系统软件软件是PAS
公司专门为火电厂的烟气连续监测（CEM）而设计 开发的中文版本。
PAS-DAS用来获取和处理来自各分析仪传输来 的数据，并进行实时而有效的控制和处理。对CEM 厂商的分析仪具有良好的兼容性。
PAS-DAS的开发充分参考了中国环境法规。 能满足中国环保局、电力行业对烟气连续监测系统 的关于数据、报表的要求。
◆有三个不分光红外通道 ◆测氧探头 ◆用空气自动标定 ◆菜单式操作 ◆测量范围和输出信号可调
ULTRAMAT 23 操作简便
◆自解释简单文本菜单 ◆按钮操作 ◆选取所有内部功能和操作参数 ◆操作密码保护
ULTRAMAT 23显示 ––– 所有信息一目了 然
◆大的,易读的显示器 ◆单位可选
(ppm, %, mg/m3) ◆具有报警,出错,限制,维护,泵,编码信息 ◆记录
ULTRAMAT 23 分析装置 ––– 性能的核心
•M
◆单光束不分光红外方法,气体充满检测器 ◆双层和三层检测器, 有最大的选择性 ◆自动标定功能 -- 用大气标定
部件组成及功能
1 2
5
6 12
M
4
3
样气入口
样气出
7 口10 11
8
9
1、红外光源 2、反射器 3、切光片 4、马达 5、样品池 6、窗口 7、第一检测器 8、第二检测器 9、第三检测器（耦合器） 气压力（Pa）
• Ps——排气静压（Pa）
• Pdi——排气动压（Pa）
烟气流量
3.2 烟气流量 湿烟气流量（在工况条件下）
Qs = 3600FVs (M3/h) 其中：F——测孔处烟气截面积（M2）
气体在线分析仪(常用气体分析设备)
气体在线分析仪（常用气体分析设备）气体分析仪是一种用来测量气体成分的流程分析仪器，在许多生产过程中，尤其是有化学反应的生产过程中，仅根据温度、压力、流量等物理参数进行自动控制往往不够。
在冶金、电子、化工等行业中，空气分离设备不仅生产工业氧、工业氮，而且生产5n级高纯氮、高纯氧、高纯氩等高纯气体，保证气体产品质量，对中间产品和成品中微量杂质要严格控制，这对离线、在线气体分析仪的检测灵敏度、测量精度、稳定性和使用寿命等方面都提出了更高的要求，气体分析器有很多种。
常用气体分析设备四种常用的类型:1、热导式气体分析仪（HT-LE200、HT-EC300）是一种物理类的气体分析仪表。
它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。
该分析仪表简单可靠，适用于多种气体，是一种常用基本的气体分析仪表。
但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。
2、磁氧式气体分析仪（HT-LA800）其原理是利用烟气组分中氧气的磁化率特别高这--物理特性来测定烟气中含氧量。
氧气为顺磁性气体(气体能被磁场所吸引的称为顺磁性气体)，在不均匀磁场中受到吸引而流向磁场较强处。
在该处设有加热丝，使此处氧的温度升高而磁化率下降，因而磁场吸引力减小，受后面磁化率较高的未被加热的氧气分子推挤而排出磁场，由此造成“热磁对流”或“磁风”现象。
在一-定的气样压力、温度和流量下，通过测量磁风大小就可测得气样中氧气含量。
3、电化学式气体分析仪（HT-LA431、HT-LA416、HT-FX100、HT-EC200）是一种化学类的气体分析仪表。
它根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。
为了提高选择性，防止测量电极表面沾污和保持电解液性能，一般采用隔膜结构。
常用的电化学式分析仪有定电位电解式和伽伐尼电池式两种。
定电位电解式分析仪的工作原理是在电极上施加特定电位，被测气体在电极表面就产生电解作用，只要测量加在电极上的电位，即可确定被测气体特有的电解电位，从而使仪表具有选择识别被测气体的能力。
在线气体分析仪
• 按照测量成分或参数划分，分为氧分析仪、 硫分析仪、pH值测定仪、电导率测定仪等 多种。 • 按照测量介质的相态划分，分为气体、液 体、固体分析。
第一章 光学分析仪
• 第一节 电磁辐射和吸收光谱法 电磁辐射是以极快速度通过空间传播的光量子流， 是一种能量的形式。电磁辐射具有波动性和微粒 性，其波动性表现为辐射的传播以及反射、折射、 散射、衍射、干涉等，可用传播速度、频率、波 长等参量来描述；其微粒性表现为当其与物质相 互作用时引起辐射的吸收、发射等电磁辐射的波 动性与微粒性用普朗克方程式联系起来。 E=hv=hc/λ 式中 E——辐射的光子能量，J； v——辐射的频率，s-1； h——普朗克常数，6.626×10-34J· s; c——光速，3×1010cm/s； λ——波长，cm。
二、检测原理 • 传统在线气体分析仪如非色散红外（NDIR） 在线分析仪通常受来自环境中其他成分 （包括粉尘和其他气体成分如水份等）的 交叉干扰影响。此问题在被测气体含量越 低时，就显得越严重。与采用非色散光谱 技术的传统红外在线分析仪不同，目前,半 导体激光气体分析系统的测量原理是采用 半导体激光吸收光谱（DLAS）气体分析测 量技术，即“单线光谱”测量技术。
三、色谱分析仪器 采用色谱柱和检测器对混合流体先分离、后检测的定 性、定量分析方法叫做色谱分析法。 四、物性分析仪器 在分析仪器中，把定量检测物质物理性质的一类仪器 叫做物性分析仪器。物性分析仪器按其检测对象来分类和 命名，如水分仪、湿度计、密度计、黏度计、浊度计及石 油产品物性分析仪器等。 五、其他分析仪器 将上述几类仪器之外的在线分析仪器合并在这一类中， 包括： 顺磁式氧分析仪 利用氧的高顺磁特性制成,包括热磁 对流式、磁力机械式、磁压力式氧分析仪； 热学分析仪 如热导式气体分析仪、催化燃烧式可燃气 体检测仪、热值仪等； 射线分析仪 如X射线荧光光谱仪、γ射线密度计、中 子及微波水分仪、感烟火灾探测器等； 质谱分析仪
在线气体分析仪工作原理
在线气体分析仪工作原理在线气体分析仪是一种用于检测环境空气、生产过程中所排放的气体的仪器设备。
它通过测量空气中各种气体的浓度，来判断空气是否达到安全标准，或者在生产过程中，控制气体的浓度，以保持生产过程的顺利进行。
在线气体分析仪的工作原理主要包括以下几个方面：气体采样为了测量环境空气的成分，在线气体分析仪需要采集一定量的空气样本。
通常，气体分析仪会通过吸入空气的方式来采集空气样本，并将样本送入分析仪中进行分析。
在气体采样的过程中，要注意采样点的位置的选择。
要选择在空气流通的区域进行采样，避免影响测量结果。
同时，在采样的过程中，需要注意对气体的保护。
一些易被空气污染物干扰的气体，在采集之前需要保护它们，否则会导致测量结果不准确。
气体分离在线气体分析仪中，不同的气体成分会有不同的特性，如沸点、可溶性等。
因此，分析仪需要将样本中的不同气体成分进行分离，以便于进行浓度的测量。
一般来说，分离的方式有两种：物理分离和化学分离。
物理分离常用的有温度控制和温度梯度实现的气体色谱法，和分子筛过滤法。
化学分离主要是利用反应的选择性和灵敏度实现的。
气体浓度的测定气体分析仪最重要的一个环节就是测定气体的浓度。
不同的气体成分通过分离后，分别进入分析仪的探测器中进行浓度的测定。
探测器的类型多种多样，包括电化学、光学、质谱等。
电化学传感器可以实现各种气体的浓度检测，而光学传感器主要用于检测有机物和其他化合物的浓度，质谱传感器则可以检测极微小的元素和化合物。
在测定气体浓度之前，需要校准仪器。
校准的目的是使仪器测量结果更加准确。
校准通过给仪器提供已知浓度的气体样本进行实现。
数据处理随着气体的浓度被测量出来，仪器还需要对测量结果进行进一步的处理。
比如，可以将测量结果与标准值进行比对，以判断空气是否达标；还可以对测量结果进行趋势分析，以判断产生不合格空气的产生源头，并加以调整。
为了方便处理和储存数据，很多在线气体分析仪都配有计算机界面。
分析系统设计与应用技术
第1讲 在线气相色谱仪
6.1在线气相色谱仪的原理及基本组成 6.1.1在线气相色谱仪的分析原理 在线气相色谱仪又称过程气相色谱仪或工业气相色 谱仪。它是利用气相色谱法的先分离、后检测的原 理进行工作，并通过自动进样实现仪器的在线分析。 是一种大型、精密分析仪器，具有选择性好、灵敏 度高、分析对象广、多组分分析等优点，被广泛应 用于石化、冶金等行业。
1.2.3 重复性
在线气相色谱仪的重复性误差一般如下： 100%～500ppm ±1%FS 500～50ppm ±2%FS 50～5ppm ±3%FS ≤5ppm ±4%FS
1.2.4分析流路数
指色谱仪具备分析多少个采样点(流路)样品的能 力。目前，色谱仪分析流路最多为31个(包括标 定流路)，实际使用一般为1~3个流路，或4个流 路
6.1.2在线气相色谱仪的基本组成
工艺流程气体经取样和处理装置变成洁净、干燥 的样品，连续流过色谱仪的定量管。取样时定量 管中的样品在载气的携带下进入色谱柱系统。样 品中的各组分在色谱柱中进行分离，然后依次进 入检测器。 检测器将组分浓度信号转换成电信号。微弱的电 信号经放大电路后进入数据处理部件，最后送主 机液晶显示器显示，以模拟或数字信号形式输出。 程控器按预先安排的动作程序，控制系统中各部 件自动、协调、周期地工作。 温度控制器对恒温箱温度进行控制。
1.3在线气相色谱仪主要应用及产品介绍
1.3.1主要应用对象 ①石油化工 乙烯裂解分离、聚丙烯、聚乙烯、氯 乙烯、苯乙烯、了二烯、醋酸乙烯、乙二醇装置， 醇、醛、醚装置、芳烃抽提分离装置等。其中，乙 烯裂解分离装置使用数量最多，根据生产规模不同， 在16~30台之间，其它装置在2~6台之间。 ②炼油 催化裂化、气体分离、催化重整、烷基化、 MTBE等，程序升温型色谱仪可用于石脑油、汽油 组成分析及模拟蒸榴分析。其中，催化裂化和气体 分离联合装置使用数量最多，根据生产规模不同， 在12~16台之间，其它装置在1~3台之间。
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气体在线分析系统
气体在线分析系统常用于在线分析管道、仓储等生产现场气体含量，为生产工艺提供数据，提高生产效率、保护生产安全。
不同工艺、不同气体、不同环境等因素均影响分析仪的选型。
因此，客户在选择分析仪时应优先考虑专业的生产厂家。
目前市面上气体在线分析系统厂家众多，为您推荐南京艾伊科技。
一、艾伊科技——气体分析仪专业生产厂家
南京艾伊科技成立于2008年，是集生产、研发、销售为一体的高新技术企业，致力于为客户提供气体、粉尘领域安全解决方案。
经过十年发展，公司拥有气体分析仪、气体检测仪、粉尘检测仪等系列50余项产品，认证专利30余项，产品销往30多个国家和地区，为全球客户提供安全设备和服务。
二、AGA1000\AGA1000d型红外气体分析仪
AGA型红外气体分析仪根据气体对红外光吸收的原理来实现对气体的过程监测，根据应用现场的不同需求，分为AGA1000及AGA1010d型。
红外分析仪采用NDIR非分光红外原理，
可用实时监测管道中甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等。
产品特点
测量CO、CO2、SO2、CH4等气体。
单气室设计，便于拆卸清洗，不易污染造成数据偏差。
TEC温控技术减少温度对数据影响。
报警记录功能，实时浓度曲线。
至多同时分析三种气体。
防爆、非防爆型号可选，可配套预
处理系统，用于各类恶劣工况
规格参数
三、AGA3000型电化学氧分析仪
AGA系列电化学气体分析仪是利用气体在原电池中发生氧化还原反应产生电流实现检测。
该系列分析仪可用于常量氧在线监测场所。
产品特点
适用于常量氧在线监测。
支持氧传感器热插拔，维护方便。
防爆型设计，适用于防爆场所。
遥控操作，中文菜单，使用方便。
316
不锈钢外壳，可用于各类工况。
规格参数
四、AGA1010型顺磁氧分析仪
AGA系列顺磁气体分析仪是基于氧气具有高顺磁性特点设计，可检测微量氧、常量氧、纯度氧等各种浓度。
同时具有非防爆型和防爆型多种型号，可用于各种安全条件严峻场合。
产品特点
机械哑铃式原理，检测精度高，预热时间短，响应速度快。
微量氧、常量氧、纯度氧检测。
标准19英寸机箱，多种信号输出。
防爆与非防爆可选，
可配套预处理
系统，用于各类工况。
规格参数
五、AGA1050型紫外分析仪
AGA型紫外在线分析仪采用紫外差分吸收光谱分析法（DOAS），可检测烟气中SO2、NOx 的浓度。
紫外差分原理在低量程检测领域，具有精度高、抗交叉干扰能力强，寿命长等优点。
仪表采用高精度光谱仪及成熟算法，保证了测量准确度，适用于低浓度排放烟气成分测量。
规格参数
六、预处理系统
气体分析预处理系统是根据所分析的现场工艺条件、操作参数、分析组分来确定，不同工艺不同配置。
预处理系统的部件根据现场条件可采用耐腐蚀材料（316L/聚四氟），被测样气经过取样、保温、除油、除尘、冷凝除水、增压或减压、恒流、恒压将干净、干燥、恒定的样气送至气体分析仪表。
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