防爆抗干擾原位測量TDLAS激光氣體分析儀

一、激光氣體分析儀

1 儀器概述

1.1 JZ-1000激光氣體分析儀是“九州綠境”基于可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術開發(fā)的一款高性能隔爆型原位對穿式儀表，主要功能模塊由發(fā)射單元、接收單元、反吹單元、接線盒等四部分組成。具備了光譜分析、人機交互、數據通訊等多項功能，極大的簡化了現場安裝和維護過程，提高了系統(tǒng)可靠性。具有操作簡單、安裝、維護方便等特點。

1.2 工作原理

激光氣體分析儀基于國際lingxian的半導體激光吸收光譜技術（TDLAS），即“單線光譜”測量技術。系統(tǒng)采用可調制的半導體激光器為發(fā)光光源，通過調制半導體激光器的工作電流強度來調制激光頻率，使激光掃描范圍略大于被測氣體的單吸收譜線。從而使半導體激光器發(fā)射的特定波長的激光束在穿過測量管時，被被測氣體選頻吸收，從而導致激光強度產生衰減。于是系統(tǒng)利用不同氣體成分均有不同的特征吸收譜線及氣體濃度和紅外或激光吸收光譜之間存在的Beer-Lambert關系，通過檢測吸收譜線的吸收大?。醇す鈴姸人p信息）就可以獲得被測氣體的濃度。

n 不受背景氣體干擾影響

采用TDLAS技術使用的半導體激光的譜寬小于0.0001nm，約為紅外光源譜寬的1/106，遠小于被測氣體吸收譜線的譜寬。其頻率調制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線(半導體激光吸收光譜技術也因此被稱為單線光譜技術)，因此成功消除了背景氣體交叉干擾影響，激光“單線光譜”示意圖如圖所示。

n 不受粉塵和視窗污染干擾

半導體激光的波長可通過調制工作電流而被掃描，使激光波長既掃描過有氣體吸收的區(qū)域，也掃描沒有氣體吸收的區(qū)域。當波長位于吸收區(qū)域時可測得包含氣體、粉塵和視窗的總透光率T1，當波長位于無氣體吸收區(qū)域時可以測得粉塵和視窗透光率T2，從而可以準確獲得被測氣體的透光率Tg=T1/T2。TDLAS技術通過激光波長掃描技術修正了粉塵和視窗污染對測量的影響。

1.1 產品組成

JZ-1000激光氣體分析儀采用原位安裝形式，發(fā)射單元和接收單元通過連接單元直接安裝在過程管道上，連接單元由吹掃接口、光路調整結構、根部閥門和安裝法蘭等組成，儀器的發(fā)射單元和接收單元如下圖所示。

JZ-1000組成示意圖

ü 發(fā)射單元

該單元包括半導體激光器、準直光學系統(tǒng)、驅動電路板和溫控電路板。激光器被調制到特定的波長和頻率，使其能夠進行氣體檢測。在對發(fā)射單元進行清潔或其他維護時，機械連接法蘭中的根部閥門可起到隔絕過程管道和操作環(huán)境的功能，防止危險氣體泄漏的作用。

JZ-1000發(fā)射單元

ü 接收單元

接收單元通過機械連接法蘭與測量管道連接，該單元包括光電傳感器、透鏡、接收主板、傳感器板和顯示板。透鏡將準直激光聚焦于光電傳感器上，然后探測的光信號被轉化為電信號進行處理后，檢測到二次諧波信號信息，再將二次諧波信息轉化為濃度信息，并將濃度信息在接收端OLED屏上顯示。

JZ-1000接收單元

ü 吹掃單元

在測量場合較為惡劣的條件下，為了能夠保證JZ-1000激光氣體分析儀能夠長期連續(xù)運行，JZ-1000激光氣體分析儀需使用吹掃氣體對發(fā)射單元和接收單元上的光學窗片進行吹掃，避免測量環(huán)境中粉塵或其它污染物對光學窗片造成嚴重污染而影響測量。JZ-1000激光氣體分析儀的吹掃單元由過濾器、減壓閥和穩(wěn)流裝置等組成，可為JZ-1000激光氣體分析儀的吹掃氣體提供穩(wěn)定流量的吹掃氣源。以下為JZ-1000激光氣體分析儀的吹掃單元的示意圖。

吹掃單元示意圖

ü 接線盒

接線盒內含有對外輸出信號接口，方便用戶接電源供電線、4-20mA輸出線纜及繼電器線纜等。

接線盒外觀示意圖

1.1 工作流程

通上電源，開啟根部閥，半導體激光器發(fā)射出的特定頻率的激光通過發(fā)射單元穿過氣體通道，接收單元中的傳感器接收衰減后的激光束，并將測量信號傳送給中央分析模塊，中央分析模塊通過對測量信號進行分析處理，得到被測氣體濃度，氣體濃度信息通過顯示屏顯示出來并通過標準接口輸出。

1.2 為了防止粉塵和被測環(huán)境中其它污染物在視窗上聚集，需用工業(yè)氮氣等氣體通過吹掃入口進行連續(xù)吹掃，以便在光學視窗與工業(yè)氣體間形成一段氣幕保護。技術參數

1.3 技術優(yōu)勢

與傳統(tǒng)分析系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)選用JZ-1000激光氣體分析儀由于采用了半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術，從根本上解決了采樣預處理帶來諸如響應滯后、維護頻繁、易堵易漏、易損件多和運行費用高等各種問題，并具有如下特點：

n 不受背景氣體交叉干擾

n 不受粉塵和視窗污染及現場環(huán)境參數變化干擾

n 模塊化設計，可現場更換所有功能模塊，包含激光器模塊

n 無需采樣預處理系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡單、智能化程度高，操作、維護方便

n 響應速度快，響應時間不超過1s，保證及時進行工藝控制

n 無樣氣額外排放，環(huán)保無污染

n 直接對過程氣體進行分析，測量準確性高

1.4 系統(tǒng)的維護與標定

ü 維護

JZ-1000激光氣體分析系統(tǒng)無需定期更換零部件，其日常維護工作主要是對光學元件的清洗。系統(tǒng)在長期運行中，其過程氣體中的粉塵及其它污染物會污染光學元件，導致透過率下降，從而影響系統(tǒng)正常工作，因此需周期性清潔這些光學部件。當系統(tǒng)需要清理光學元件時會有報警提示。其清理步驟極為簡單：1）關掉電源，2）松開鎖箍，3）把接收單元和發(fā)射單元從儀器法蘭上分別拆下，4）進行檢查光學元件的污染情況并做好清潔工作，5）按標準操作規(guī)范重新安裝好發(fā)射和接收單元,重新供電后設備開始正常工作。

ü 標定

隨著激光氣體分析儀長期工作，電器元件的老化會導致參數的緩慢漂移，會對測量數據造成影響，因此激光氣體分析儀需進行定期的調零、校準（設備第一次出廠不需要）。相比較其他原理的氣體分析儀，因TDLAS技術本身的優(yōu)勢、設備校準周期較長（建議≤2次/年），且校準操作極為簡單，只需將發(fā)射、接收端拆卸下來，安裝在氣體室上，進行通氣標定。

2 公用工程及工作范圍

2.1 公用工程條件

2.1.1 JZ-1000激光氣體分析儀單套公用工程

電源線纜：分析儀供電220VAC，50Hz；電源及接地線引至現場分析儀附近，要留有一定余量。

信號輸出線纜：儀表輸出包含4-20mA信號、報警信號，用戶可根據情況引至控制室。

吹掃氣源：氮氣純度≥99.99%，0.3～0.8MPa，無油、無塵、無水，露點＜-40℃，引至現場儀表附近，預留G1/2″內螺紋球閥。

制冷氣源：潔凈的儀表空氣，0.3～0.8MPa，無油、無塵、無水，露點＜-40℃，引至現場儀表附近，預留G1/2″內螺紋球閥。

安裝維護平臺：在架空管道等其他不便安裝和維護的場合，需要加裝安裝維護平臺，尺寸為管道兩側各3*3米。

遮陽棚：建議搭建遮陽棚，防止導致后期一些設備因為太陽直曬出現分析儀使用問題。

備注：測氧儀表必須使用氮氣作為吹掃氣，氮氣純度要求≥99.99%；非測氧儀表若甲方允許也可以使用壓縮空氣作為吹掃氣體，吹掃氣體必須滿足無油、無塵、無水（無水是指氣體的露點小于-40℃）的條件。

2.1.2 管道開孔

u 垂直管道開孔示意圖

u 水平管道開孔示意圖