探頭式激光氧分析儀的應用

宋之瑋

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

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探頭式激光氧分析儀的應用

宋之瑋

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

稿件收到日期： 2015-04-20，修改稿收到日期： 2015-06-19。

氧分析儀是一種重要的工業在線分析儀表，用于檢測混合氣體中的氧體積分數，廣泛應用于化工生產裝置中，在產品質量分析、尾氣回收、燃燒控制等各種工藝過程和安全應用中起到重要作用，其檢測精度和響應速度直接影響生產安全和控制效果。

1氧分析儀的分類

氧分析儀的種類較多，原理各異。目前應用比較廣泛的有順磁式、氧化鋯式和激光式。

1) 順磁式氧分析儀。利用氧氣在磁場中具有極高順磁性的原理制成，主要由分析器、取樣系統、預處理系統和樣品返回系統組成，通常安裝于大型分析機柜內，儀表精度高，測量穩定，但系統結構復雜，體積龐大，響應速度慢(至少30 s)，并且不適用于測量背景氣含有高磁化率氣體(如一氧化氮、二氧化氮)的場合。

2) 氧化鋯氧分析儀。根據氧化鋯在高溫下呈現的離子導電現象，利用傳感器內外側電勢差來測量被測氣體氧體積分數。此類儀表安裝方便，維護量小，但傳感器的使用壽命短，儀表校準頻率高(1～2個月)，并且只適合高溫應用。

3) 對穿式激光氧分析儀。利用激光被氣體選擇性吸收的特性來分析氣體中的氧體積分數。傳統的激光氧分析儀為對穿式，激光發射器和接收器安裝于管道兩側，因而為了保證準確對焦，管道法蘭必須嚴格對中，增加了配管、安裝和調試的難度，并影響使用時的穩定性。

和以上傳統儀表相比，新型的探頭式激光氧分析儀具有獨特的檢測方式和技術特點，能夠在更廣泛的生產過程和復雜工況中得到良好應用。

2探頭式激光氧分析儀的檢測原理

分析儀利用光譜吸收技術，采用可調諧二極管激光(TDL)作為光源，通過調諧發射出特定波長的激光束，該波長與待測氣體單一吸收線的光譜性質相匹配。根據比爾-朗伯定律，吸光度與吸收物質(如氧氣)的體積分數之間呈線性關系。計算公式如下：

IR=I0e-α c l

(1)

式中：IR——入射光強度；I0——通過介質后的光強；α——吸收系數；c——待測氣體的質量濃度；l——光程長度。

分析儀對激光穿過被測氣體后的3個相鄰吸收峰進行窄帶寬掃描，分析其高度、相對位置和面積，將結果與儲存在數據庫中的吸收線的物理模型進行比較，若兩組數據相匹配，那么所觀察的吸收峰值即被測氣體的吸收峰，從而確定氣體的體積分數。

3探頭式激光氧分析儀的結構與特點

3．1儀表結構

分析儀為一體化結構，主要由發射器、接收器、反射器、變送器和吹掃單元組成。發射器用于激光的調諧和發射，使用的激光達到文獻規定的Class 1M安全等級，對肉眼安全。接收器用于接收激光，并將光譜吸收信號傳輸至變送器進行處理。變送器對光譜進行分析和溫壓補償，將分析結果變送為4～20mA直流信號輸出至控制系統。吹掃單元用于對探頭內的元器件進行氣體吹掃，避免粉塵造成透光率下降進而影響正常測量。

不同于傳統的對穿式分析儀，探頭式分析儀的激光發射器和接收器集成于表頭的同一側，并增加反射器這一重要組件，位于探頭末端，其核心是一枚直角棱鏡，使激光形成折疊光程。

3．2儀表特點

對比傳統類型的氧分析儀，探頭式激光氧分析儀具有以下特點：

1) 與順磁氧分析儀相比，為原位測量，無需取樣管線和復雜的預處理系統，響應速度大幅加快(通常小于2 s)，節省空間，安裝簡單，且不受背景氣干擾。

2) 與氧化鋯氧分析儀相比，為非接觸式光學測量，傳感器不與介質發生反應，儀表壽命長，校準周期達到1 a，并能夠在低溫到高溫的各種工況中使用。

3) 與對穿式氧分析儀相比，為一體化安裝，整個光程由探頭自身對焦，不需法蘭對齊工作，安裝簡單，測量更加精確穩定。同時由于光程是折疊式的，對于相同的插入深度，光程長度翻倍，因而在小口徑管道中也有良好的測量效果。

4工程項目應用

筆者參與設計的某化工項目的生產流程末端，需要使用流化床干燥器對粉料狀產品進行加熱干燥。由于介質屬于可燃性粉塵，當吹掃氮氣中混入的氧氣達到一定比例后很可能引起爆炸，因而設置氧分析儀對載氣中的氧體積分數進行監控。此處檢測是維護生產安全的關鍵環節，通過對比各種類型儀表，決定選擇探頭式激光氧分析儀，其響應迅速、測量精確、維護量低等特點對于裝置長期安全運行十分重要。系統設計如圖1所示。

圖1　系統配置示意

設計要點如下：

1) 溫壓補償。根據儀表供貨商提供的實測數據，溫度每偏差1℃，測量值變化5×10-4；壓力每偏差5kPa，測量值變化1%，因而為保證精確測量，需要對檢測結果進行溫度和壓力補償。考慮到同一管線上分析儀附近已設有溫度變送器和壓力變送器，且信號送入DCS，因而補償信號直接從DCS獲取，節省了額外的遠傳溫度和壓力儀表設置。

2) 維護時間預判。分析儀長期運行后，其光學元件會因介質污染導致透光率下降，從而影響正常測量，所以將透光率信號上傳至DCS，作為操作人員判斷儀表維護時間的依據。

3) 儀表接線。分析儀與DCS之間有氧體積分數、透光率、溫度補償、壓力補償等多個信號及24V(DC)電源傳輸，因而設置中間接線箱，將來自DCS的多根分支電纜轉換為1根專用多芯電纜接入分析儀。

4) 儀表防爆。由于分析儀所處的環境中同時含有可燃性氣體和可燃性粉塵，因而要求儀表同時具備氣體和粉塵雙重防爆認證。

5) 氮氣吹掃。此工況中被測氣體含有粉塵，需要設置吹掃單元。吹掃氣為純度不小于99．7%的氮氣，壓力0．4～0．6MPa(G)，流速0．5～5L/min。通過吹掃箱內的流量計、調壓閥和管路來設定吹掃氣的流速和壓力，并實現對探頭和表頭的同時吹掃。

5結論

探頭式激光氧分析儀具有精度高、響應速度快、安裝簡單、不受背景氣干擾等優勢。在選型和設計工作中，充分研究工藝要求和實際工況，對分析系統進行合理配置，能夠在充分發揮儀表性能的同時降低項目投資成本。

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摘要：針對傳統氧體積分數分析儀存在的問題，介紹了一種新型的探頭式激光氧分析儀，詳細說明了其檢測原理、儀表結構及特點；介紹了該分析儀在工程項目中的實施方案，具有精度高、響應速度快、安裝簡單、不受背景氣干擾等優勢，實際實用效果良好。

關鍵詞：氧分析儀可調諧二極管激光探頭式粉塵工況

Application of Probe Type Laser O2AnalyzerSong Zhiwei

(China Tianchen Engineering Corporation， Tianjin， 300400， China)

Abstracts： Aiming at problems of conventional O2volume fraction analyzers， a new probe type laser O2analyzer is introduced． The measuring principle， instrument structure and characteristics are expounded in detail． The execute solution is introduced in engineering project with advantages of high precision， fast response， simple installation and none-disturbance of background gas． Actual application effect is good．

Key words：O2analyzer; tunable diode laser; probe type; dust environment

中圖分類號：TQ056．1+6

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0074-02

作者簡介：宋之瑋(1983—)，男，天津人，2009年畢業于大連理工大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，現就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表設計工作，任工程師。