1.工业生产过程中，氧气含量是关键工艺参数，其精准测量对保证生产安全、提高产品质量、优化能耗具有重要意义。传统电化学、磁氧等分析方法存在响应速度慢、维护量大、易受干扰等问题，难以满足现代化工业对实时、准确、稳定监测的需求。抽取式激光氧气在线分析仪基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、维护量小等显著优势，可广泛应用于电力、石化、冶金、环保等领域的气体分析

一、项目背景与需求分析

1. 项目背景：工业生产过程中，氧气含量是关键工艺参数，其精准测量对保证生产安全、提高产品质量、优化能耗具有重要意义。传统电化学、磁氧等分析方法存在响应速度慢、维护量大、易受干扰等问题，难以满足现代化工业对实时、准确、稳定监测的需求。抽取式激光氧气在线分析仪基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、维护量小等显著优势，可广泛应用于电力、石化、冶金、环保等领域的气体分析。

2. 需求分析：

o 测量组分：氧气（O₂）

o 测量范围：0-1% O₂、0-5% O₂、0-10% O₂、0-21% O₂、0-100% O₂（根据用户实际工况选择或定制）

o 测量精度：≤±0.1%FS 或 ≤±0.05%FS（根据量程和精度等级确定）

o 重复性：≤±0.05%FS

o 响应时间：T90 ≤ 5秒（取决于样气处理系统的滞后时间）

o 样气条件：根据现场实际情况，样气可能含有粉尘、水汽、腐蚀性气体、高温等，需进行预处理。

o 安装方式：机柜式安装于分析小屋或控制柜内。

o 数据输出：4-20mA模拟量信号（隔离输出）、RS485/RS232数字信号（Modbus RTU协议），可选以太网接口。

o 报警功能：高、低浓度报警，仪器故障报警（继电器输出）。

o 环境要求：环境温度：-10℃~+50℃（分析仪主机）；相对湿度：≤90%RH（无冷凝）。

o 供电要求：AC 220V ±10%，50Hz。

二、技术原理

本分析仪基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）。其基本原理是：特定波长的激光穿过被测气体时，气体分子对激光的吸收强度与气体浓度满足朗伯-比尔定律。通过调节半导体激光器的工作电流（或温度），使其发射波长扫描过被测气体分子的一条特定吸收谱线。探测器接收透射光信号，经信号处理后得到气体的吸收光谱。通过对吸收光谱的分析（如峰值检测法、二次谐波检测法等），可以精确计算出被测气体的浓度。

激光氧气分析仪通常选择氧气分子在近红外波段的吸收谱线，如760nm附近的吸收带。该技术具有以下特点：

· 高选择性：只对特定分子的特定吸收谱线产生吸收，不受其他气体组分干扰。

· 高灵敏度：可实现ppm甚至ppb级别的检测（取决于光程长度和检测技术）。

· 快速响应：无需预处理的情况下，响应时间可达毫秒级，加上样气传输和预处理系统，仍能保证秒级响应。

· 低维护量：激光光源寿命长，光路结构简单，无需频繁更换耗材。

三、系统组成

抽取式激光氧气在线分析系统主要由以下部分组成：

1. 采样探头与伴热管线：

o 采样探头：安装于工艺管道或设备的采样点，用于从工艺流中抽取代表性样气。探头内置过滤器（通常为金属烧结滤芯），初步过滤样气中的大颗粒粉尘。根据样气温度和腐蚀性，选择合适材质（如316L不锈钢）。

o 伴热管线：采用电伴热复合管，维持样气在传输过程中的温度，防止样气中的水汽冷凝，并避免某些易冷凝组分（如SO₃、水蒸气）在管线内凝结堵塞或损失。伴热温度根据样气露点确定，一般设置在高于样气露点温度10-20℃。

2. 样气预处理系统：

o 初级过滤：进一步去除样气中的粉尘颗粒，保护后续预处理单元。可选用旋风分离器或精密过滤器（滤芯精度通常为1-5μm）。

o 制冷除湿/干燥：若样气中水汽含量较高，需进行除湿处理。常用压缩机制冷除湿器，将样气冷却至设定温度（如5℃），使水汽冷凝分离，出口样气露点可达5℃以下。或根据需要选用膜式干燥器。

o 精细过滤：去除除湿后可能产生的微量液滴和残留微小粉尘，滤芯精度通常为0.1-0.5μm。

o 稳压稳流：通过稳压阀和稳流阀（或质量流量控制器）控制进入分析单元的样气压力和流量稳定，确保分析精度。通常控制样气流量在0.5-2L/min。

o （可选）化学处理：若样气中含有对激光吸收有干扰或对仪器部件有腐蚀的气体组分（如H₂S、HCl等），需增加相应的化学过滤器（如活性炭吸附、中和剂吸收等）。

o 蠕动泵/排水阀：用于排放预处理过程中产生的冷凝水。

3. 激光气体分析单元：

o 激光发射模块：包含特定波长的DFB半导体激光器、激光驱动电路和温度控制电路。激光器由高精度恒流源驱动，并通过半导体制冷器（TEC）精确控制温度，确保激光波长稳定和线宽较窄。

o 气体吸收池：样气流过吸收池，激光在吸收池中与样气充分作用。吸收池通常采用多次反射结构（如Herriott池）以增加光程长度，提高检测灵敏度。材质可为不锈钢或玻璃，两端装有光学窗口。

o 激光接收模块：包含光电探测器（如InGaAs光电二极管）和前置放大电路。探测器将接收到的光信号转换为电信号，并进行初步放大。

o 信号处理与控制单元：包含高速数据采集卡、嵌入式微处理器（或工业控制计算机）及相应的分析软件。对接收的电信号进行A/D转换、滤波、锁相放大（若采用谐波检测技术）等处理，提取气体吸收信息，并根据朗伯-比尔定律计算氧气浓度。同时，该单元负责整个系统的温度、压力、流量等参数的监测与控制，以及与外部的通讯。

4. 数据显示与通讯单元：

o 人机界面（HMI）：通常为触摸屏，用于显示实时测量浓度、历史数据趋势图、仪器工作状态参数、报警信息等，并可进行参数设置、校准操作等。

o 数据输出接口：提供4-20mA模拟量输出、RS485/RS232数字通讯接口，实现与DCS、PLC等控制系统的数据交互。

5. 辅助单元：

o 机柜：用于集成分析仪主机、预处理模块及相关电气部件，提供防护。

o 电源模块：将AC 220V转换为系统各部件所需的直流电源（如+5V、+12V、+24V）。

o 报警输出模块：实现浓度报警和故障报警的继电器输出。

四、技术参数

五、安装与调试

1. 安装条件：

o 分析小屋或安装地点应避免剧烈振动、强电磁干扰、腐蚀性气体和粉尘。

o 保证良好的通风散热。

o 采样点应选择在工艺管道中混合均匀、流速稳定、能代表工艺真实状况的位置。

o 采样探头至预处理系统的伴热管线应尽可能短，减少传输滞后。

2. 安装步骤：

o 采样探头安装：按照工艺要求在管道上开孔，焊接法兰，将采样探头安装牢固，确保密封。

o 伴热管线连接：将采样探头出口与伴热管线进口连接，伴热管线出口连接至预处理系统入口。注意接口密封，防止漏气。

o 分析仪机柜就位：将分析仪机柜放置在水平、稳固的地面或平台上，固定机柜。

o 预处理系统安装：若预处理单元为模块化设计，将其安装在机柜内指定位置，并连接内部气路管线。

o 电路连接：连接AC 220V电源线（注意安全接地）、信号线（4-20mA、RS485、报警输出等）。

3. 调试内容：

o 气路检漏：对整个采样、传输、预处理和气室气路系统进行严格检漏，确保无泄漏。

o 电气检查：检查供电电压、各模块供电是否正常，接地是否良好。

o 参数设置：通过触摸屏设置仪器测量量程、报警值、样气流量、伴热温度等参数。

o 零点校准：通入经过验证的零气（如高纯氮气N₂，纯度≥99.999%），进行零点校准。

o 量程校准：通入已知浓度的标准气体（O₂标气），进行量程校准。校准点数量根据精度要求确定，通常为1-2点。

o 系统联调：检查样气流量、压力、温度是否稳定在设定范围，观察仪器测量值是否稳定，与标准气浓度是否一致。测试数据输出是否正常，报警功能是否可靠。

o 模拟工况测试：在可能的情况下，模拟实际工况条件（如温度、湿度变化），观察仪器性能。

六、运行与维护

1. 日常运行监控：

o 定期检查分析仪显示的测量值是否在合理范围，趋势是否正常。

o 检查仪表各项状态指示灯是否正常，有无报警信息。

o 检查样气流量、压力、预处理单元各部件（如过滤器压差、制冷器温度、排水情况）是否正常。

o 记录仪表运行参数和校准记录。

2. 定期维护：

o 每日：巡检，查看仪器状态，排放冷凝水。

o 每周：检查过滤器滤芯是否堵塞（通过压差计或流量变化判断），按需更换。检查伴热管线工作是否正常。

o 每月：使用零气和量程标气进行一次单点校准或校验，验证仪表准确性。检查气路连接是否有松动。

o 每季度/半年：根据样气清洁程度，更换精密过滤器滤芯、干燥器吸附剂（若使用）。检查光电探测器和激光头窗口是否清洁，必要时用无水乙醇和镜头纸轻轻擦拭。

o 每年：对分析仪进行一次全面的性能检查和校准（多点校准）。检查采样探头滤芯，按需更换。检查伴热管线的伴热效果，老化的伴热带及时更换。

3. 故障处理：

o 无显示或无法启动：检查供电电源、保险丝、电源模块。

o 测量值异常（偏高/偏低/波动大）：检查样气是否正常（流量、压力、是否有泄漏）；检查预处理系统是否失效（过滤器堵塞、除湿效果差、污染）；检查光路是否对准，窗口是否污染；进行校准验证；检查是否有干扰组分进入。

o 通讯故障：检查通讯线路连接、通讯参数设置（波特率、地址、校验位）、通讯接口是否损坏。

o 报警失灵：检查报警参数设置、继电器输出线路、外部报警设备。

4. 备品备件：建议用户储备常用易损件和消耗品，如各种规格的过滤器滤芯、密封圈、干燥剂、标准气体等。

七、结论

抽取式激光氧气在线分析仪采用的TDLAS技术，结合完善的样气预处理系统，能够对工业过程中的氧气含量进行连续、准确、可靠的在线监测。其高选择性、快速响应和低维护量的特点，使其成为替代传统分析方法的理想选择。本技术方案通过精心设计的系统组成、严格的安装调试和规范的运行维护，可确保分析仪长期稳定运行，为用户提供准确的测量数据，满足生产过程控制和安全监控的需求，具有显著的经济效益和社会效益。