激光气体分析仪采用可调谐半导体激光吸收光谱测量技术

本文论述了基于半导体激光吸收光谱测量技术的激光气体分析仪的分析原理、仪器结构和主要性能特点，并介绍了它在钢铁行业在线气体检测中的应用。
钢铁冶炼过程中将产生大量的气体，如氧气和一氧化碳等。在线分析检测这些气体的含量，对钢铁企业的生产具有非常重要的现实作用，如优化生产工艺、回收利用气体能源、环保节能和安全控制分析等。
目前钢铁企业采用的在线气体分析仪器主要采用非色散红外方式在线气体分析仪。这些仪器无法定量地校正背景气体如水分的交叉干扰，同时需要防止过程气体中粉尘对分析仪器内光学视窗的污染。因此，气体分析前须使用采样探头对需要分析的过程气体进行采样，样气经过复杂的预处理系统脱去粉尘和水分后再送入气体分析仪器进行气体分析。这些气体分析系统往往存在诸多缺陷，如：
（l）气体的采样和预处理系统达不到分析仪器要求，导致仪器容易损坏、维护和检修周期短；
（2）采样和预处理系统的维护工作量大、价格昂贵；
（3）系统响应时间迟滞，无法*工业过程
实时控制的要求。
由此可见，传统在线气体分析系统的一些固有缺陷已成为钢铁企业实现过程控制自动化的瓶颈，同时也制约了在线气体分析系统的发展和应用。
聚光科技（杭州）有限公司开发的激光现场在线气体分析仪具有无需采样预处理系统、可实现现场安装测量、测量精度高、响应速度快等优点，较好地解决了上述问题。
激光气体分析仪采用可调谐半导体激光吸收光谱测量技术。该技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成高分辨率吸收光谱的原理来测量气体浓度。具体地说，半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体的吸收谱线对激光束能量的吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。
发射装置和接收装置直接安装在被测管道（烟道）上，发射装置发出的特定频率的激光穿过过程气体管道（烟道）后被接收装置中的传感器接收，接收装置将检测信号传送到中央分析仪器，然后由中央分析仪器完成对过程气体的检测分析和输出控制。吹扫装置起到保护发射和接收装置中光学视窗的作用，避免光学视窗被过程气体中的粉尘和焦油等污染。
而激光气体分析仪中使用的半导体激光的谱宽小于0.0001nm，为上述红外光源谱宽的l/IJ，远小于被测气体一条吸收谱线的谱宽。激光气体分析仪首先选择被测气体位于特定波长的某一吸收光谱线，通过调节激光器的温度和电流改变激光波长，使激光波长扫描选择的该吸收谱线，从而获得“单线光谱”数据来分析气体浓度。
在选择测量用吸收谱线时保证在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其它气体组分的吸收谱线，从而避免了这些背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰，保证了测量的准确性。
激光频率扫描技术—自动修正粉尘和视窗污染对测量浓度的影响
传统的非色散红外气体分析技术使用固定波长光源，测量获得的是光通道内粉尘、视窗和气体的总透光率，无法区分粉尘和视窗透光率毛和被测气体的透光率瓜；在实际气体浓度未变的情况下光通道内粉尘浓度的增加或视窗透过率的下降均表现为光传感信号的减弱，仪器就会给出错误的比实际气体浓度高的测量值。由于激光在线气体分析仪具有不受背景气体交叉干扰以及可以自动修正粉尘和视窗污染对气体浓度测量的影响，它可以实现现场直接测量，避免了复杂和需要大量维护的采样预处理系统。因此，它较传统在线气体分析设备具有较大的性能优势，表1列举了一些主要性能优势。
激光气体分析仪已应用于多家钢铁集团的众多应用场合，如磨机人口和布袋出口处的氧气安全分析控制系统，转炉、高炉和焦炉煤气回收分析控制系统和焦炉电捕焦安全分析系统等，均获得了较好的应用效果。
激光气体分析仪较好地满足了钢铁冶炼过程气体在线分析的测量需求，在解决了背景气体交叉干扰、粉尘和视窗污染对测量的干扰的基础上省却了采样预处理系统，实现了在高温、高粉尘、高流速、强腐蚀等恶劣环境下现场在线分析气体浓度，具有现场安装测量、测量精度高、响应速度快、系统使用寿命长、维护成本低等优点。该仪器在钢铁行业的应用将对钢铁生产工艺优化、能源气回收、安全控制和环保监测产生非常积极的作用。