光学气体分析仪

《成分分析仪表》课程总结

光学气体分析仪

摘 要

随着工业生产自动化水平的提升以及生产流程安全高效运行要求不断提高，过程分析仪器在工业过程控制中得到了越来越多的应用。光学气体分析仪作为分析仪表的重要一种，应用广泛，在国内也受到了重视，得到了广泛应用。而光学气体分析仪中最常见的是红外气体分析仪及激光气体分析仪。

关键词：分析仪表 光学气体分析仪

红外气体分析激光气体分析

1.引言

1.1．分析仪表国内现状

过程分析仪器又称在线分析仪器，是用于工业生产流程中对物质的成分及性质进行自动分析与测量仪器的总称，重点为燃烧控制、废气安全回收、流程工艺控制、质量监测所需的自动化分析产品，所显示的数据反映生产中的实时状况。工业过程分析仪器应用领域极其广泛，涉及石油化工、钢铁冶金、水泥建材、生化制药、微电子、天然气、煤矿安全、空气分离、环境保护、航空航天、科学研究等行业。工业过程分析仪器包括液体分析仪器、气体分析仪器和固体分析仪器三类，其中，工业过程气体分析仪器用于工业过程中气体浓度或成分的在线实时分析。

随着工业生产自动化水平的提升以及生产流程安全高效运行要求不断提高，过程分析仪器在工业过程控制中得到了越来越多的应用。虽然中国市场规模正在逐渐增大，但相比工业发达国家，作为提高工业技术水平的重要工具，工业过程分析仪器在中国的应用水平仍较低。

从细分行业看，过程气体分析仪器应用十分广泛，涵盖石油化工、钢铁冶金、能源电力、水泥建材、生化制药、微电子、空分、焦化、天然气、煤化工、航天航空等多个行业。从国家产业政策来看，传统重工业整合趋势明显。国家不断出台政策推进行业兼并重组，提升产业集中度。从短期看，产业调整政策对传统重工业的过程气体分析市场可能产生一定的负面影响，尤其对小型企业影响更为明显。目前，小型工业企业主要采用低端的传统过程气体分析仪。因此，未来1-2年市场的低端过程气体分析仪的需求增长有限。在石化行业，随着我国石油化工装置的大型化和整体技术装备水平的提升，以及在节能降耗、提高质量、治污减排和安全生产方面要求的提高，在线分析仪器的重要性和使用量与日俱增。国外已经大量采用在线分析仪器取代实验室仪器，以提高自动化水平、降低人工成本，实现生产的精细管理。我国流程工业中相当一部分企业目前仍以实验室分析为主，人工劳动

量大，数据实时性差，不能对生产进行优化控制，效率难以提高。部分企业已认识到这些问题，正在逐步加大在线分析仪器投入的力度。

1.2.光学气体分析仪国内现状

光学气体分析仪作为分析仪表的重要一种，应用广泛，在国内也受到了重视，得到了广泛应用。

2.气体分析仪原理及应用

2.1.红外气体分析仪

2.1.1.工作原理

红外气体分析仪工作原理是基于不同的气体有选择性的吸收一定波长的红外线这一

性质, 气体分子对红外线的吸收是由于分子振动和转动引起的, 只有在红外线光谱的频率与分子本身的特定频率一致时, 这种分子才能吸收红外光谱辐射能。

除了单原子气体和同核双原子气体外,几乎所有的由化合物分子组成的气体或蒸汽对1～25um 范围的红外线都有吸收作用。不同的气体或蒸汽对红外线有不同的吸收光谱。吸收符合比耳定律:I= I0e- kcL。式中

I0——光通过被测气体前的光强

I—— 光通过被测气体后的光强

K ——被测气的吸收系数

C—— 被测气的百分浓度

L—— 被测气厚度( 气室强度)

在某一仪器中, I0、L、K 都是一定的, 只有被测气的浓度是变量, 因此测定红外线通过某种气体后的能量损失, 即可测出该气体的浓度。

2.1.2．仪器组成

红外线气体分析仪可分预处理单元、一次仪表和二次仪表三部分。预处理单元包括过滤器、干燥器、三通阀、稳压阀、流量计五个组成部分。一次仪表包括红外光源、切光装置、工作气室、参考气室、检测器、前置级和恒温加热灯泡。二次仪表包括主放大器与指示电路、光源稳流电路、恒温控制电路和电源稳压电路。

2.1.3．仪器的使用与维护

(1) 红外线分析仪是比较娇气、昂贵的仪器, 修理前必须熟读其使用说明书, 对于一些重要的技术数据及一些使用要点要记清楚。如红外光源的电压、电流、电阻值。有必要时参考其他厂家的说明书及有关书刊介绍的一些修理、调校经验介绍, 来丰富自己的经验, 缩短修理时间, 避免走弯路。

(2) 动手之前要把故障情况问清楚, 包括故障现象、发生原因及规律, 通过仪器的表头、各指示灯、各调节旋钮是否起作用做到故障大致范围心中有数。

(3) 要坚持先从外部查到内部, 先查简单的后查复杂的, 先查易发生故障的部位,

后查特殊情况的原则。要从原理分析入手, 忌乱拆乱调。

(4) 要学会区别预处理单元还是一次仪表或二次仪表的快速判别故障的有效办法,是提高修理仪器速度的关键。

(5) 要真正搞懂红外线分析的工作原理, 才能处理好各种类型的故障。

(6) 光路平衡调节是至关重要的, 调不好会出现“回程”,一定要细心、小心。按说明书要求反复调零点调节螺杆和相位调节螺杆, 使表头指示值为最小。在调指示值最小之后, 再稍调零点调节螺杆向右旋一点, 使表头指示增加1—2 刻度, 这样调节后可保证不出现回程现象。调节时动作不要太大而且要有一定的时间间隔, 因为电容检测器对红外线吸收有一定的时间。

(7) 仪表说明书讲述的是仪器正常情况下的调试步骤, 而实际情况并不是这样, 电

路、气路、光路都有存在故障的可能, 甚至是综合性的。说明书讲的判断故障的方法含糊不清, 根据它的判断不能解决故障在哪一部分。

2.1.4.典型应用--在煅烧炉气中CO2测量的应用中存在问题与解决措施

在纯碱的生产过程中, 煅烧炉炉气CO2 浓度是一个很重要的指标, 煅烧炉气经过冷

却、洗涤、压缩后打入碳化塔下部( 称下段气) 与碳化塔上部进入的清洗氨母反应生成NaHCO3。下段气CO2 浓度的提高不仅可以节约压缩的动力消耗, 而且有利碳化反应的平衡和速度, 对提高碳化产量、碳化转化率、改善重碱结晶都有决定性的作用。在实际应用中, 红外线分析仪常用在煅烧炉气中CO2测量，以下是此应用中可能遇到的问题与解决措施。

（1) 现场工艺状况不好, 使炉气总管中带液严重,液体经过取样管后, 经过预处理装置进入分析仪器的分析气室中。因液中带有Na2CO3 等物质, 当其进入气室中, 并作用在晶片上, 影响红外线光路, 造成分析仪不能使用。为了避免炉气中液体对测量的影响, 我们将取样点开在炉气管道的正上方, 这样管线中的冷凝液体和管道渣子不易进入取样管, 从取样管出来后再接1 个集水瓶( 可用500 mL 的下口瓶) , 样气从下口瓶的下部进入, 从上口出去, 即使进入少量液体也会在这里集攒, 这就避免了液体进入仪器。假如液体进入分析仪致使无法使用, 可这样处理: 将分析仪打开, 露出分析部件, 不要拆卸分析部件的螺丝, 将样气入口和出口的胶皮管拔下接入加压水枪, 用蒸馏水来置换进入测量气室的液体和结晶体, 置换完后用高压N2 来吹干测量气室中的水分, 再经调校即可使用。

（2) 因为煅烧炉气在负压状态下( 一般在负几千帕左右波动) , 如果从取样口到分析仪的气室入口之间任一环节有漏气的地方, 就会造成空气进入, 空气进入后会改变样气的浓度, 造成测量不准。如何排查漏点呢? 方法是这样的: 卡住取样胶皮管, 观察转子流量计, 如果转子流量计渐渐回零, 说明预处理装置无漏气点; 如果转子流量计始终不回零说明有漏气点, 用此法逐个排查各罐、瓶的漏点。接口、密封点可以用凡士林油来密封, 胶管老化要及时更换新的, 预处理装置无泄漏是测量的保证。

（3) 分析仪规定气样流速在0. 2~ 0. 5 L/ min 之间, 如果预处理装置尺寸取得不合适, 会造成测量滞后, 给操作带来影响。为了保证分析仪的测量准确, 气样流速不能过快, 如果流速过快气体对红外线吸收不充分, 会造成测量不准; 流速慢, 会使预处理装置容

积增大, 造成滞后时间长, 所以要尽量减少预处理装置的容积, 具体办法是: 第一, 尽量减少取样管的长度和内径, 最好就把红外线分析仪放在炉气管线的取样口附近,目的是减少取样管长度。为了防止现场环境对仪表的腐蚀, 建一个小屋子, 把仪表放在里面; 第二, 尽量减少集水瓶、干燥罐和过滤罐的容积。

2.2.激光气体分析仪

2.2.1.工作原理

半导体激光光谱吸收技术（D L A S ）实质上是一种光谱吸收技术，通过分析激光被气体选择性吸收来获得气体的浓度。半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯- 比尔定律表述：

Iv= Iv,0 T（v）= Iv,0exp[－S(T)g(v－v0)pXL]≈Iv,0[1－S(T)g(v－v0)pXL]

式中，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；线性函数g ( v －v 0) 表示该吸收谱线的形状。通常情况下气体的吸收较小，可用简化式来近似表达气体的吸收。以上关系式表明气体浓度越高，对光的衰减也越大。因此，测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

2.2.2.仪表特点

原位式激光气体分析仪将激光发射模块和光电传感模块直接安装在过程管道上，通过简单的采样预处理系统直接对管道内被测气体进行在线分析。测量精度高，响应速度快，对恶劣环境适应能力强，可靠性高。

2.2.3.代表产品—聚光科技激光气体分析仪

（1）LGA-4100激光气体分析

基于半导体激光吸收光谱（DLAS）技术的LGA-4100激光过程气体分析系统是采用一体化设计、高集成度的激光气体分析系统。系统通过无须采样预处理的原位（In-Situ）测量方式，能对各类工业过程气体、环保排放烟气等过程气体进行快速、准确和可靠的测量。

典型特点如下:

a.可靠性高的一体化设计

该气体分析系统综合利用了半导体吸收光谱、数字信号处理、一体化正压防爆控制等多项技术，系统紧凑，可靠性高；同时针对各类防爆场合应用，系统内嵌正压控制模块，

可实现防爆吹扫正压实时监控，满足各类防爆应用要求。

b.多项创新的设计，显著提高系统适应性

基于FPI多年的激光气体分析产品的开发和应用经验，集成了多项创新设计，大大提升系统对各类恶劣应用环境适应力。

c.智能化设计，操作方便

发射单元集成LCD显示屏和三防键盘，用户可在安装现场进行标定、参数设置等操作；同时，支持蓝牙通讯，用户可通过LGA掌上助手与分析系统进行无线通讯，方便、快捷。

（2）LGA-4500激光气体分析仪

基于半导体吸收光谱（DLAS）技术的旁路过程气体分析，可对各类高粉尘、高压过程气体进行旁路处理后的在线分析。

（3）LGA-3500激光气体分析仪

基于半导体激光吸收光谱技术（DLAS）和DSP数字技术，秉承了DLAS技术的独特优势，并采用高度集成化的一体化结构设计，体积小，稳定可靠。能可靠地运行在各种高温、高压、高粉尘、强腐蚀等环境下，在线实时地检测工业过程中的气体浓度等参量。

参考文献

[1] 曲小溪,杨晓强,. 中国工业过程气体分析仪器市场现状与发展趋势[J]. 仪器仪表标准化与计量,2010,(3).

[2]秦瑗,. 磁力机械式和激光气体分析仪的应用[J]. 自动化应用,2010,(11).

[3]沈富华. 红外线分析仪的调试及维修[J]. 仪器仪表与分析监测,1997,(4).

[4]车新华,方轶,马志敏. 红外线分析仪在煅烧炉气中CO_2测量的应用[J]. 纯碱工业,2005,(2).

致 谢

成分分析仪表这门课是很有实用意义的一门课，也是大学以来少有的完全凭兴趣选择的一门课，通过这门课的学习我不仅学到了分析仪表的一些很有用的知识，而且学习了很多学习研究的方法。

另外，非常感谢潘浩老师给予我的指导，不仅在专业学习上，而且在生活等各个方面都教给了我很多知识。谢谢潘老师！