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氣體分析技術分析

釋出時間✘·◕↟│:2014-09-04 點選量✘·◕↟│:2553

  一╃•╃◕•、不同的氣體分析技術比較

  1╃•╃◕•、氣體分析技術介紹

  (1)人工取樣法

  傳統的分析方法如化學分析法╃•╃◕•、氣相色譜法較多采用人工取樣法╃↟✘·。人工取樣法的特點是採用人工取樣的方式◕◕││↟,抽取某一時點的樣氣進行分析╃↟✘·。它的缺點是顯而易見的✘·◕↟│:必須對氣體進行人工取樣◕◕││↟,在實驗室進行分析◕◕││↟,其中操作者的操作技能對分析的精度有很大影響;只能單一成份地逐個進行檢測分析◕◕││↟,不具備多重輸入和訊號處理功能;分析費時費力◕◕││↟,響應速度慢◕◕││↟,效率低◕◕││↟,難以實時地反映工況資訊╃↟✘·。

  (2)連續取樣法

  連續取樣法主要有紅外線式╃•╃◕•、紫外線式和熱導式三種測量方法╃↟✘·。連續取樣法的特點是採用不同測量方法的氣體分析系統都由取樣預處理系統和分析儀表兩部分組成◕◕││↟,取樣探頭將被測氣體從煙道或管道中引出並進行預處理後◕◕││↟,連續送入儀器的氣體室中◕◕││↟,分析儀器透過不同的方法完成氣體濃度的測量╃↟✘·。上述三種測量方法的系統整合方式╃•╃◕•、適應性和價效比有很大的區別╃↟✘·。

  應用zui廣泛的紅外線式氣體分析儀基於非色散紅外吸收光譜(NDIR)的原理◕◕││↟,其測量方法是基於氣體對紅外線進行選擇性吸收的原理◕◕││↟,當被測氣體透過測量管道時吸收紅外光源發出的特定頻率光(與被測氣體成分有關)使光強衰減◕◕││↟,測出光強的衰減程度即確定了被測氣體的濃度╃↟✘·。

  紫外線式氣體分析儀是基於被測氣體對紫外光選擇性的輻射吸收原理◕◕││↟,可以測量SO2╃•╃◕•、NOx╃•╃◕•、HCl╃•╃◕•、NH3等氣體◕◕││↟,但在同等效能╃•╃◕•、功能情況下儀器價格較高╃↟✘·。

  熱導式氣體分析儀的工作原理是利用各種氣體不同的熱導係數◕◕││↟,即具有不同的熱傳導速率來進行測量的╃↟✘·。當被測氣體以恆定的流速流入分析儀器時◕◕││↟,熱導池內的鉑熱電阻絲的阻值會因被測氣體的濃度變化而變化◕◕││↟,運用惠斯頓電橋將阻值訊號轉換成電訊號◕◕││↟,透過電路處理將訊號放大╃•╃◕•、溫度補償╃•╃◕•、線性化◕◕││↟,使其成為測量值╃↟✘·。熱導式氣體分析器的應用範圍很廣◕◕││↟,如H2╃•╃◕•、Cl2╃•╃◕•、NH3╃•╃◕•、CO2╃•╃◕•、Ar╃•╃◕•、He╃•╃◕•、SO2╃•╃◕•、H2中的O2╃•╃◕•、O2中的H2和N2中的H2等等;它的測量範圍也很寬◕◕││↟,在0%~100%圍內均可測量╃↟✘·。熱導式分析儀器是一種結構簡單╃•╃◕•、效能穩定╃•╃◕•、價廉╃•╃◕•、技術上較為成熟的儀器╃↟✘·。但是熱導式分析儀器對氣體的壓力波動╃•╃◕•、流量波動十分敏感◕◕││↟,介質中水汽╃•╃◕•、顆粒等雜質對測量影響較大◕◕││↟,所以必須安裝複雜的取樣預處理系統╃↟✘·。

  (3)現場線上測量法

  現場線上測量法中以半導體鐳射吸收光譜技術(DLAS)*和有代表性╃↟✘·。DLAS技術的特點是無需取樣預處理系統◕◕││↟,分析儀器直接安裝在測量現場◕◕││↟,透過一束穿過被測氣體的鐳射光束來實現現場線上氣體分析╃↟✘·。DLAS技術可實現多種氣體如CO╃•╃◕•、CO2╃•╃◕•、O2╃•╃◕•、HF╃•╃◕•、HCl╃•╃◕•、CH4╃•╃◕•、NH3╃•╃◕•、H20╃•╃◕•、H2S╃•╃◕•、HCN╃•╃◕•、C2H2╃•╃◕•、C2H4等的自動檢測◕◕││↟,適用於鋼鐵╃•╃◕•、冶金╃•╃◕•、石化╃•╃◕•、環保╃•╃◕•、生化╃•╃◕•、航天等各種領域╃↟✘·。

  雖然DLAS技術與其他吸收光譜氣體分析技術都利用吸收光譜技術來實現氣體分析◕◕││↟,但由於DLAS技術採用了*的“單線光譜”技術和調製光譜技術◕◕││↟,可不受背景氣體交叉干擾和粉塵╃•╃◕•、視窗汙染的干擾◕◕││↟,並可自動修正氣體溫度╃•╃◕•、壓力等氣體引數變化的影響◕◕││↟,因此可以將分析儀器直接安裝在測量現場◕◕││↟,實現其他光譜吸收技術無法或很難實現的現場線上連續氣體測量╃↟✘·。

  DLAS技術的優勢在於能適應高溫╃•╃◕•、高水分╃•╃◕•、高粉塵╃•╃◕•、強腐蝕性和高流速的被測氣體環境◕◕││↟,無需取樣預處理系統◕◕││↟,測量精度高◕◕││↟,響應速度快╃↟✘·。隨著半導體鐳射氣體分析技術的逐步成熟◕◕││↟,相關光電元器件成本的顯著下降◕◕││↟,其價效比優勢更為突出╃↟✘·。在發達國家◕◕││↟,半導體鐳射氣體測量技術已逐步取代傳統氣體檢測技術◕◕││↟,在氣體線上監測領域得到了日益廣泛的應用╃↟✘·。

  二╃•╃◕•、 熱導式氣體分析儀DLAS技術簡介

  島京公司生產的鐳射現場線上氣體分析儀是基於DLAS技術開發的現場線上氣體分析儀器╃↟✘·。

  DLAS(DiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)是半導體鐳射吸收光譜技術的簡稱╃↟✘·。該技術是利用鐳射能量被氣體分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度的一種技術╃↟✘·。具體來說◕◕││↟,半導體鐳射器發射出的特定波長的鐳射束穿過被測氣體時◕◕││↟,被測氣體對鐳射束進行吸收導致鐳射強度產生衰減◕◕││↟,鐳射強度的衰減與被測氣體含量成正比◕◕││↟,因此◕◕││↟,透過測量鐳射強度衰減資訊就可以分析獲得被測氣體的濃度╃↟✘·。

  九十年代後◕◕││↟,半導體鐳射器和光纖元件發展迅速◕◕││↟,效能大大提高◕◕││↟,價格大幅下降◕◕││↟,室溫工作╃•╃◕•、長壽命(>100◕◕││↟,000小時)╃•╃◕•、單模特性和較寬波長範圍的半導體鐳射器被大量地生產出來並投入市場◕◕││↟,一些高靈敏度的光譜技術如frequencymodulationspectroscopy╃•╃◕•、cavityringdownspectroscopy等也逐漸成熟◕◕││↟,DLAS技術開始被較多地應用於科學和工程研究◕◕││↟,發達國家的一些儀器公司也開始將DLAS技術應用於氣體監測╃↟✘·。由於DLAS技術較傳統光譜檢測技術具有顯著的技術優勢而得到了迅速推廣╃↟✘·。

  三╃•╃◕•、DLAS技術的特點

  DLAS技術的特點主要表現為✘·◕↟│:

  1.惡劣環境適應能力強◕◕││↟,無需取樣預處理系統◕◕││↟,實現現場線上連續測量

  鐳射線上氣體分析儀採用DLAS技術*的“單線光譜”原理◕◕││↟,使用非接觸式鐳射測量方法◕◕││↟,測量儀器與被測量氣體環境隔離,其分析測量不受測量環境中背景氣體╃•╃◕•、粉塵以及環境溫度和壓力的影響◕◕││↟,具有高溫╃•╃◕•、高粉塵╃•╃◕•、高水份╃•╃◕•、高腐蝕性╃•╃◕•、高流速等惡劣測量環境的良好適應性◕◕││↟,避免了傳統氣體分析系統必需的複雜的取樣預處理系統◕◕││↟,從而實現了現場線上連續測量╃↟✘·。

  2.克服了背景氣體╃•╃◕•、水分和粉塵的吸收干擾◕◕││↟,測量精度大大提高

  DLAS*的“單線光譜”技術╃•╃◕•、頻率掃描技術╃•╃◕•、譜線展寬自動修正技術克服了背景氣體╃•╃◕•、水分和粉塵的吸收干擾◕◕││↟,修正了溫度和壓力等氣體引數變化對氣體濃度測量的影響◕◕││↟,而且系統直接對現場氣體進行測量◕◕││↟,氣體資訊不失真╃↟✘·。

  相對於傳統的氣體測量技術◕◕││↟,這些*的測量技術和現場測量方法大大提高了測量的精度╃↟✘·。

  3.響應速度快◕◕││↟,實現工業過程實時線上管理

  DLAS技術進行氣體分析不需取樣預處理系統◕◕││↟,節省了樣氣預處理的時間和樣氣在管道內的傳輸時間╃↟✘·。系統可以達到毫秒級的響應速度◕◕││↟,幾乎是實時地反映過程氣體濃度及其他引數變化狀況◕◕││↟,完全可以滿足工業過程實時線上管理的需要╃↟✘·。

  4.可同時檢測多種氣體引數◕◕││↟,能測量分析多種氣體◕◕││↟,應用面廣◕◕││↟,儀器發展潛力大

  採用DLAS技術可同時線上測量氣體的濃度╃•╃◕•、溫度和流速等◕◕││↟,並可實現多種氣體如CO╃•╃◕•、CO2╃•╃◕•、O2╃•╃◕•、HF╃•╃◕•、HCl╃•╃◕•、CH4╃•╃◕•、NH3╃•╃◕•、H20╃•╃◕•、H2S╃•╃◕•、HCN╃•╃◕•、C2H2╃•╃◕•、C2H4等的自動檢測◕◕││↟,可廣泛應用於鋼鐵╃•╃◕•、冶金╃•╃◕•、石化╃•╃◕•、環保╃•╃◕•、生化╃•╃◕•、航天等領域╃↟✘·。較以往採用多種檢測技術並進行系統整合而言◕◕││↟,採用DLAS技術可大大簡化儀器的結構◕◕││↟,進而實現氣體分析儀器的微型化╃•╃◕•、網路化(遠距離資料無線傳輸)╃•╃◕•、智慧化和自動化╃↟✘·。

  5.光纖傳輸特性使系統的應用更加靈活◕◕││↟,價效比更高

  DLAS技術採用的鐳射光源與常規光纖有良好的相容性◕◕││↟,所以可以將半導體鐳射器放置在中央處理單元內◕◕││↟,把光纖輸出的鐳射透過樹形光纖分路耦合器同時耦合到多根光纖◕◕││↟,不同的光纖把鐳射傳遞到幾個不同的測量位置◕◕││↟,對這幾個不同位置的氣體同時進行測量◕◕││↟,從而實現分散式的線上氣體監測分析╃↟✘·。採用光纖後測量系統的抗電磁干擾能力╃•╃◕•、適應惡劣環境和防爆環境的能力非常強;整套測量系統的成本大大降低;與傳統的氣體分析系統相比◕◕││↟,配置更加靈活◕◕││↟,價效比也更高╃↟✘·。

  四╃•╃◕•、DLAS技術與連續取樣法氣體分析技術比較

  預處理系統不需要必需

  測量方法現場╃•╃◕•、連續╃•╃◕•、實時測量取樣預處理後間斷測量

  氣體環境高溫╃•╃◕•、高粉塵╃•╃◕•、高水分╃•╃◕•、高流速╃•╃◕•、強腐蝕等惡劣環境適應能力強只能測量恆溫╃•╃◕•、恆壓╃•╃◕•、恆流╃•╃◕•、乾燥及無粉塵的氣體

  響應速度快✘·◕↟│:取決於訊號分析速度(光電傳播時間可忽略)◕◕││↟,小於1秒慢✘·◕↟│:取決於取樣預處理時間╃•╃◕•、樣品氣傳輸時間╃•╃◕•、儀表響應時間◕◕││↟,超過20秒

  準確性實地測量◕◕││↟,氣體資訊不失真;測量值為氣體線平均濃度;不受背景氣體╃•╃◕•、粉塵及氣體引數影響溶解吸附洩漏導致氣體資訊失真;測量值為探頭位置區域性濃度;背景氣體╃•╃◕•、粉塵及氣體引數影響測量的準確性

  連續性連續測量間斷測量✘·◕↟│:反吹時無法測量

  可靠性無運動器件◕◕││↟,可靠性高較多運動部件◕◕││↟,可靠性低

  測量引數可同時測量氣體濃度╃•╃◕•、溫度╃•╃◕•、流速等引數只能測量氣體濃度

  介質干擾不受背景氣體交叉干擾;自動修正粉塵及光學視窗汙染干擾受背景氣體的交叉干擾◕◕││↟,無法定量修正粉塵及光學視窗汙染干擾

  標定維護標定✘·◕↟│:3~4次/年;維護✘·◕↟│:3~4次/年◕◕││↟,自動提示標定✘·◕↟│:一個月2~3次;維護✘·◕↟│:經常

  執行費用無需備品備件;執行費用接近於零(僅為電費)需要較多備品備件;年費用一般為系統成本的20%左右

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