基于TDLAS技術(shù)的激光氧分析儀在線標(biāo)定方法研究

劉立富 張 涵 溫作樂 于志偉

（杭州澤天科技有限公司，杭州310052）

基于TDLAS技術(shù)的激光氧分析儀在線標(biāo)定方法研究

劉立富 張 涵 溫作樂 于志偉

（杭州澤天科技有限公司，杭州310052）

基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)的激光氧分析儀，可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量方式對(duì)樣氣中的氧氣含量進(jìn)行快速檢測(cè)。但是隨著儀器長(zhǎng)時(shí)間的使用，由于激光器、光電檢測(cè)器及硬件電路等方面的原因造成儀器測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)漂移，此時(shí)需要對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。目前，激光氧分析儀標(biāo)定方式采用離線標(biāo)定方式，較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過波長(zhǎng)掃描技術(shù)同時(shí)掃描到譜線不重合且距離較近的被測(cè)氣體16O2和參比氣體18O2的吸收譜線，對(duì)氧氣同位素18O2信號(hào)在線檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體16O2的在線標(biāo)定。通過測(cè)試表明該在線標(biāo)定方法準(zhǔn)確度可以達(dá)到≤± 0.5%F.S，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用。

TDLAS 激光光譜 在線標(biāo)定 氧氣測(cè)量

氧氣是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的氣體之一，其濃度含量對(duì)降低能耗、安全控制及優(yōu)化燃燒效率等方面具有重要意義，故在工業(yè)過程中需要對(duì)氧氣含量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的測(cè)量方法采用非色散紅外光譜、磁氧表等分析方法，具有預(yù)處理管路易堵塞、部件易損壞及響應(yīng)慢等缺點(diǎn)［1］。近年，基于TDLAS技術(shù)平臺(tái)的激光氧分析儀通過原位安裝方式解決上述問題，且成功應(yīng)用在高爐噴煤安全分析、電除塵安全分析、電捕焦安全監(jiān)測(cè)及熱風(fēng)爐煙氣分析等場(chǎng)合。

激光氧分析儀采用“單線光譜”技術(shù)和激光波長(zhǎng)掃描技術(shù)使TDLAS技術(shù)比非分光紅外等傳統(tǒng)采樣氣體分析系統(tǒng)具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，通過原位測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)氧氣含量檢測(cè)，無需復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)。具有測(cè)量不受背景氣體交叉干擾，不受粉塵與視窗污染的影響，響應(yīng)速度快，可靠性高，維護(hù)量少和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［2］，大大提升了在線過程氧氣含量檢測(cè)的水平。但是，原位式激光氧分析儀在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要將發(fā)射單元和接收單元從煙囪管道兩側(cè)的連接法蘭上拆卸下來，安裝在標(biāo)定管兩端，標(biāo)定完成后再安裝回連接法蘭兩側(cè)。該離線標(biāo)定方式效率較低、操作較繁瑣，故需要研究一種高效的在線標(biāo)定方式來代替離線標(biāo)定。

本研究基于TDLAS技術(shù)原理，采用單光路設(shè)計(jì)方式，將密封18O2的參比氣室置于光路中。通過三角波掃描技術(shù)同時(shí)掃描到16O2和18O2的吸收譜線，利用18O2的二次諧波信號(hào)來在線標(biāo)定16O2的濃度。目前，國(guó)內(nèi)外激光氧分析儀大多采用離線標(biāo)定方式，德國(guó)SIEMENS公司推出SITRANS SL激光氧分析儀產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)在線標(biāo)定功能。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于TDLAS技術(shù)在線標(biāo)定功能的研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)原位式激光氣體分析儀產(chǎn)品的在線標(biāo)定功能。

1 基本原理

TDLAS技術(shù)利用半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)可調(diào)諧性，獲取被測(cè)氣體特征吸收譜線的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行定量分析的一種技術(shù)。根據(jù)Beer－Lambert關(guān)系［3］，在未飽和的弱吸收情況下，半導(dǎo)體激光穿過被測(cè)氣體的光強(qiáng)衰減可用以下公式表述：

式中：I0和Iν分別表示頻率為ν的窄帶激光入射時(shí)和經(jīng)過光程L、氣體壓力P和體積濃度為X的氣體后的光強(qiáng)。S（T）為氣體吸收的譜線強(qiáng)度，線形函數(shù)g（ν－ν0）表示該吸收譜線的形狀［4］，它與氣體溫度、壓力及成分含量等因素有關(guān)。在近紅外區(qū)域，氣體譜線吸收強(qiáng)度較弱，一般會(huì)滿足式（2）條件。

當(dāng)滿足式（2）條件時(shí)，被測(cè)氣體濃度結(jié)果會(huì)有較好的線性，此時(shí)式（1）可近似等于式（3）。

在氣體檢測(cè)與濃度分析中，為了提高探測(cè)靈敏度，一般會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況信息選擇合適的吸收譜線和合適的激光器調(diào)制參數(shù)。采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，使用正弦信號(hào)調(diào)制和鎖相放大器提取氣體吸收信號(hào)的二次諧波成為抑制噪聲的重要手段［5］。TDLAS技術(shù)利用激光波長(zhǎng)的可調(diào)諧性，獲取待測(cè)氣體特征吸收的光譜譜線，從而進(jìn)行定量分析。波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)在TDLAS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)方式是通過高頻正弦信號(hào)對(duì)激光發(fā)射頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，調(diào)制后的激光發(fā)射頻率為：

式中ν－（t）為未加正弦波調(diào)制的激光頻率，a為正弦波電流調(diào)制引起的激光頻率變化幅值，f為正弦波調(diào)制頻率。波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)使用鎖相放大器檢測(cè)激光束穿過被測(cè)氣體后激光透過率信號(hào)的二次諧波分量，在弱吸收情況下，輸出二次諧波信號(hào)為［6］：

通過公式（5）可知，當(dāng)在特定的吸收譜線和一定的溫度、壓力、光程及激光頻率調(diào)制幅度下，可以得到氣體濃度與二次諧波之間的關(guān)系：

式中，V2f為二次諧波分量信號(hào)，I0為光強(qiáng)直流分量，K為標(biāo)定系數(shù)，通過分析這些參數(shù)，即可獲取氣體濃度信息。

2 產(chǎn)品組成

本文以澤天科技自主研發(fā)的LGT－100激光氧分析儀為例進(jìn)行說明，激光氧分析儀主要由發(fā)射單元、接收單元、吹掃單元和連接法蘭組成。發(fā)射單元主要由激光器、激光器驅(qū)動(dòng)電路、激光器溫控電路及準(zhǔn)直透鏡組成，將控制在一定工作溫度和電流下的激光器輸出特定波長(zhǎng)的準(zhǔn)直激光。接收單元由接收主板、光電檢測(cè)器和會(huì)聚透鏡等組成，主要作用是將接收到準(zhǔn)直激光會(huì)聚到光電檢測(cè)器感光面中，經(jīng)過測(cè)量環(huán)境后衰減一定程度的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理得到二次諧波信號(hào)及濃度信息。吹掃單元由過濾器、減壓閥和穩(wěn)流裝置等組成，可為激光氧分析儀的吹掃提供穩(wěn)定的吹掃流量，避免弄臟光學(xué)窗片導(dǎo)致透過率降低。連接法蘭安裝在煙囪管道兩側(cè)，儀器發(fā)射單元和接收單元通過安裝在連接法蘭上，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量方式。

產(chǎn)品除了上述基本結(jié)構(gòu)組成外，在單光路設(shè)計(jì)中增加了參比氣室，在參比氣室中密封18O2氣體。為減小光路中etalon噪聲，參比氣室窗片采用傾斜設(shè)計(jì)。通過存儲(chǔ)16O2與18O2氣體二次諧波信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)16O2氣體在線快速標(biāo)定，無需將儀器發(fā)射單元、接收單元拆卸和額外連接標(biāo)氣瓶。圖1為同一激光器參數(shù)下的16O2與18O2氣體的二次諧波信號(hào)。

圖116O2與18O2二次諧波

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文中激光氧分析儀基于TDLAS技術(shù)原理測(cè)量，激光器使用美國(guó)Oclaro單模VCSEL的激光器。三角波掃描頻率采用10Hz，掃描幅度為170mV，正弦波調(diào)制信號(hào)頻率為40kHz，幅度為64mV。通過將激光器工作電流調(diào)節(jié)到3.4mA，工作溫度控制在31.2℃，實(shí)現(xiàn)激光器中心輸出波長(zhǎng)調(diào)節(jié)在760nm附近，輸出激光功率約0.3mW。氣體吸收池長(zhǎng)度為0.5m，該特定波長(zhǎng)的激光通過待測(cè)氣體后，由光電檢測(cè)器接收。光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過鎖相電路進(jìn)行信號(hào)處理。本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量裝置示意圖

3.2 在線標(biāo)定流程

選擇合適的激光器參數(shù)同時(shí)掃描到16O2和18O2吸收譜線，當(dāng)在預(yù)標(biāo)定狀態(tài)和一定的標(biāo)定光程、溫度和壓力下，調(diào)用標(biāo)定濃度和16O2吸收信號(hào)與18O2吸收信號(hào)的比值C之間的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系x＝f（C）已存儲(chǔ)在儀器中。

需要在線標(biāo)定時(shí)，通過標(biāo)定濃度和函數(shù)關(guān)系x＝f（C）確定16O2吸收信號(hào)與18O2吸收信號(hào)之間關(guān)系，再根據(jù)當(dāng)前計(jì)算的18O2吸收信號(hào)和比值C，則可計(jì)算出16O2吸收信號(hào)，再根據(jù)該16O2吸收信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算標(biāo)定系數(shù)。然后存儲(chǔ)標(biāo)定系數(shù)，完成在線標(biāo)定。在線標(biāo)定流程如圖3所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文激光氧分析儀在室溫下在線標(biāo)定完成后，通入不同濃度的16O2氣體驗(yàn)證線性度。試驗(yàn)中使用5%的16O2標(biāo)氣（以N2為底），通過高精度Vogtlin質(zhì)量流量控制器對(duì)5%的16O2標(biāo)氣和N2（純度≥99.99%）進(jìn)行配氣，測(cè)試數(shù)據(jù)表明該儀器的線性誤差≤±1%F.S.，線性測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，在線標(biāo)定后測(cè)量線性曲線見圖4。

圖3 在線標(biāo)定流程圖

表1 線性數(shù)據(jù)

圖4 在線標(biāo)定后測(cè)量線性曲線

此外，將激光氧分析儀放置在高低溫試驗(yàn)箱中，驗(yàn)證在（－20～60）℃不同環(huán)境溫度下在線標(biāo)定的準(zhǔn)確性，在線標(biāo)定濃度設(shè)置為5%。在環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定平衡后進(jìn)行在線標(biāo)定。在線標(biāo)定完成后，通入5%16O2標(biāo)氣記錄穩(wěn)定后測(cè)量值，與在線標(biāo)定濃度比較，計(jì)算誤差，高低溫測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 高低溫測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)合在線分析儀器的測(cè)試?yán)碚摚瑴y(cè)試是保證產(chǎn)品質(zhì)量一項(xiàng)非常重要的工作［7］，本文中激光氧分析儀除了上述兩個(gè)基本測(cè)試項(xiàng)目外，還進(jìn)行其他基本性能測(cè)試、EMC測(cè)試、安規(guī)測(cè)試以及可靠性方面的測(cè)試，全面保證產(chǎn)品質(zhì)量。

通過測(cè)試表明，選擇合適的激光器參數(shù)同時(shí)獲取16O2和18O2吸收譜線，通過18O2吸收譜線信息可以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定16O2濃度。

4 結(jié)論

基于TDLAS技術(shù)的激光氧分析儀在現(xiàn)場(chǎng)使用中的標(biāo)定方式大多采用離線標(biāo)定，即將發(fā)射單元和接收單元拆卸再安裝標(biāo)定管中通入標(biāo)氣，較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而通過在線標(biāo)定方式即可擺脫離線標(biāo)定的繁瑣操作，具有標(biāo)定速度快，標(biāo)定精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過18O2信號(hào)在線標(biāo)定16O2氣體濃度，標(biāo)定精度可以達(dá)到±0.5%F.S.，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

［1］張志榮，丁宗富，丁宗玲，等.可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜技術(shù)在工業(yè)控制監(jiān)測(cè)氧氣濃度中的應(yīng)用［J］.魯東大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（2）：142－144.

［2］俞大海，顧海濤，陳人，等.用于干熄焦循環(huán)氣檢測(cè)的在線激光氣體分析儀［J］.自動(dòng)化儀表，2007，9（28）：108－111.

［3］劉立富，張涵，溫作樂，等.基于TDLAS技術(shù)在垃圾焚燒中HCl的在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015，52（11）：110101

［4］王健，黃偉，顧海濤，等.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法測(cè)量氣體溫度［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（9）：1639－1642.

［5］楊杰文.基于調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究及優(yōu)化［D］.天津：天津大學(xué)，2009.14－17.

［6］顧海濤，陳人，葉華俊，等.基于DLAS技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)在線氣體濃度分析儀［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（11）：1123－1126.

［7］劉立富.基于在線分析儀器的測(cè)試方法與測(cè)試技術(shù)［J］.電子測(cè)試，2013，7（14）：20－22.

Study on online calibration method for laser oxygen analyzer based on TDLAS.

Liu Lifu，Zhang Han， Wen Zuole，Yu Zhiwei
（Hangzhou Zetian Technology Co.，Ltd.，Hangzhou310052，China）

Normally，the analyzer is calibrated off line which is not easy to operate.By wavelength scanning technology，an absorption line of18O2which is close to the absorption line of16O2is scanned in the same time.The calibration can be done by the measurement of18O2.The test result shows the accuracy of this method is±0.5%F.S.

TDLAS；laser spectroscopy；online calibration；oxygen measurement

10.3936／j.issn.1001－232x.2017.01.012

2016－06－30

劉立富，男，1985年出生，碩士研究生，工程師，主要從事激光光譜分析技術(shù)方面的研究，E－mail：lifu＿liu＠126.com。