多组分煤气成分分析仪的研制

[摘要]介绍一种采用新型非分光红外NDIR、热导TCD技术以及电化学传感器的多组分煤气成分快速分析仪器。该分析仪通过采用基于新型电调制红外光源的多通道红外气体探测技术，配合MEMS技术的热导TCD分析，长寿命电化学O2、H2S传感器，可以在一台仪器中实现煤气成分中CO2、CO、CH4，O2，H2S，H2等气体的实时快速测量。

1.前言

煤的气化是我国煤化工工业的重要组成部分，特别是在石油资源日益紧张的条件下显得更加重要。煤气成分的检测分析是气化炉优化控制的前提，也是煤化工行业其他工序的重要参数。此外，高炉、转炉，焦炉以及玻璃，陶瓷等工业领域也经常需要进行煤气成分的检测。

奥氏气体分析仪作为一种经典的化学式手动分析器,具有价格便宜、操作方便、维修容易等优点,一直在煤气成分分析领域有广泛的应用。但是该方法是一种手动操作，精度低、速度慢，已经不能适应工业的发展需要。近年来色谱分析仪得到推广，但是色谱分析仪需要对气体进行分离后再检测，很难实现实时在线。红外气体分析仪在我国使用多年，但是以往技术往往只能在一套分析仪器分析单一组分，煤气中的H2、O2、H2S需要单独的仪器进行测量。不仅价格昂贵，维修复杂，而且气体之间的相互干扰也没法消除，如CO2对H2，CO2对CO测量的影响一直需要人工调节。因此有必要研制一种高效、准确、价格合理的分析仪器用于煤气成分的多组分快速或在线监测。

本文介绍一种采用新型的电调制红外多组分红外气体分析方法，配合最新发展的MEMS技术热导TCD气体传感器以及长寿命电化学O2、H2S传感器开发的集成化多组分煤气分析仪。

2．多组分煤气分析仪原理

2．1红外线多组分气体分析（CO2、CO、CH4）

当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光,其强度为I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯--比尔吸收定律:dI/I=-KdN，式中K为比例常数。经积分得:lnI=-KN+α(1)，式中:N为吸收气体介质的分子总数；α为积分常数。显然有N∝cl,c为气体浓度。则式(1)可写成:

I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)(2)

式(2)表明,光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性,各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体,μ则随入射波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体,则式(2)应改为:I=I0exp(-lΣμici)(3)因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。

上图为NDIR红外气体分析原理图：以CO2分析为例，红外光源发射出1-20um的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度，如果在探测器端放置一种具备四元的探测器，并配备四种不同波长的滤光片，如CO4、CO、CH4以及参考的滤光片，则在一台仪器内就可以完成对煤气成分中CO4、CO、CH4的同时测量。本仪器红外测量部分技术在一体化的四元探测器上安装有四个不同的滤光片（CO2、CO、CH4、参考），实现对三种气体的同时测量（如下

图）。

图：滤光片一体化四元红外探测器

2．2MEMS技术热导TCDH2分析

热导分析是H2分析的常用方法。目前国内H2分析大都采用双铂丝热敏元件制成的热导元件，体积大精度低，传感器的死区（Deadspace）大。本研究采用了国际最新发展的基于MEMS技术的TCD气体传感器，只需要加上合适的电压就可以输出一个与浓度对应的毫伏级信号。

TCD传感器对

H2浓度的输出曲线如下图所示：

2．3电化学O2、H2S分析

在煤气成分分析中，O2是一个安全参数，有些时候H2S也是一个重要参数。本仪器采用了一种长寿命（6年）的电化学O2传感器和H2S传感器，该传感器实际上是一种微型电流发生器，配合高精度的前置放大电路，直接输出与浓度对应

的电压进入仪器测控系统。

3．多组分煤气分析仪特点

多组分煤气分析仪的构成如下图：

仪器包括用于CO、CO2、CH4的NDIR红外气体探测器，以及测量H2的TCD热到探测器，以及O2、H2S探测器；ADUC842测控系统及软件；包括LCD、键盘、打印机、气泵、以及报警等外部装置。

3．1仪器测控系统

为了实现对气体浓度的测量、控制以及自动标定以及对不同组分的干扰校正等功能，需要一个合适的微控制器来管理传感器。本研究采用ADI公司最新推出的ADuc842系统。ADuc842是一个全集成的12位数据采集控制系统，除含有8路12为A/D外，还具有2路D/A、8052内核、64K程序储存器以及UART、I2C、SPI等串行I/O等功能。ADuc842集如此强大的模拟与数字功能与一体，作为多组分煤气分析仪测控系统具有体积小、功耗低、性价比高等优势。ADuc842通过采集参考和测量四路红外信号，一路TCD热导H2传感器信号，以及2路电化学传感器信号，通过测量标准气体曲线，采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度，并通过ADuc842系统的串口每1秒向外部设备发送测量浓度数据。在ADuc842多余的数据线和地址线基础上，设计了液晶显示驱动模块、打印驱动模块、键盘输入模块、气泵控制、报警等接口，以便操作分析仪器。通过采用以上技术，在一台分析仪器内实现了以往需要6台分析仪才可完成的工作。

3．2电调制红外光源

传统的红外气体分析仪采用连续红外热辐射型光源，如镍锘丝、硅碳棒等红外加热元件,其发出红外光的波长在2～15μｍ之间，由于其热容量大，通常采用切光片对光源进行调制。因此需要一个同步电机带动切光片旋转，其缺点在于存在机械转动。抗振性差，攻耗大，不适合于便携设备；其次为保证调制的频率，还需要严格同步的电机以及驱动电路，使得系统复杂化，成本也大大增加。本研究采用了国际上最新研制的一种类金刚石镀膜红外光源。该光源采用导电不定型碳（CAC）多层镀膜技术，热容量很低，因此升降温速度很快，其调制频率最高可以达到200Hz，新型电调制光源的使用，使得红外气体分析技术在仪器体积、成本、性能等方面都有实质性的提高。

3．3气体干扰校正

从原理上讲，CO，CO2，CH4之间由于采用了特征波长，彼此测量间没有相互干扰，但是由于受当前滤光片生产工艺的限制，滤光片具有一定的带宽，CO与CO2，以及CO2与参考通道之间具有一定的干扰（Crosstalking,Overlap）,因此成分之间具有一定的干扰，如果不加以校准，测量的误差将达到10%以上，很难达到工业应用的要求，如按照单一标准气体CO2标定后，如果通入不含CO2的

70%的CO进入仪器，CO2读数将达到7%左右。为了消除红外分析气体之间的相互干扰，本仪器设置了10点标定程序，采用计算机算法得到了气体干扰校正方法，通过该方法的使用，可以使得CO、CO2、CH4的精度可以达到2%以上。通过本研究也说明，采用以往单一组分红外气体分析仪组成的煤气分析系统，如果直接采用测量读数，将可能得到很不准确的测量结果。此外通常，对于TCD测量通道，实验证明，煤气成分中的CO、CH4、N2、O2对H2的测量准确性影响不大，主要是CO2的影响。本仪器通过大量实践证明，CO2对H2的影响是线性的。每1%含量的CO2将降低H2含量为0.08%,如果没有CO2数据的校准，当CO2含量达到40%，则H2的误差将超过3%。这也充分说明，要想得到准确的煤气成分分析结果，各组分必须同时测量。

3．4测量流量控制

虽然红外以及电化学气体分析在一定程度上受测量流量影响较少，但是对于TCD热导H2分析来说，气体流量的稳定直接关系到H2的测量精度。为了保证测量流量的稳定，本研究采用了微型的柱塞气泵，将测量气体压缩到0.2Mpa,通过气体稳压和稳流阀后进入气体分析仪，这样可以将整个气体的测量流量维持在1L/min。流量的稳定在一定程度上，也提高了红外以及电化学气体测量的精度和稳定性。通过以上技术的采用，多组分煤气分析仪可以实现以下组分和精度的测量（表1：），并已经应用在包括高炉、转炉、煤气发生炉等工业现场，取得了良好的成绩。

表1：多组分煤气分析仪技术参数

4.结论

（1）通过采用新型电调制红外光源，省却了以往红外气体分析仪器复杂和昂贵的电机调制系统,大大降低了系统成本和功耗。实现了CO、CO2、CH4的同时测量。

（2）通过采用MEMS技术的TCD热导，以及长寿命的O2、H2S电化学气体传感器与红外气体测量的组分，实现了煤气多组分的同时在线测量。

（3）红外测量组分间由于受滤光片带宽的限制，存在一定的相互干扰，通过计算机校正算法可以将组分的测量精度提高到2%以上，这也说明，以往单一组分的红外气体分析仪直接用于煤气分析，很可能造成测量数据不准确。

（4）TCD热导H2分析必须进行CO2气体的校准，否则将可能造成超过3%的误差。因此如果仅仅采用单一H2分析仪而没有其他气体气体的校准，以往组合式的煤气成分监测系统很可能得不到准确的测量数据。