郭亮亮

摘要：基于高溫蒸汽射流技術(shù)的焦?fàn)t煤氣可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)是專門為電捕焦油器氣體成分在線連續(xù)檢測O2含量而設(shè)計(jì)的配套系統(tǒng)，采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣體的快速、精確、高靈敏度抽取測量。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測焦化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害氣體，根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和優(yōu)化，提高資源利用率，降低有害氣體的排放量，保護(hù)大氣環(huán)境。

關(guān)鍵詞：高溫蒸汽;可調(diào)諧半導(dǎo)體;激光測氧

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，煤化工行業(yè)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的增長勢(shì)頭，但是煤化工生產(chǎn)過程中存在著一些安全隱患。為更好地凈化所需煤氣，避免堵塞、腐蝕后序工藝設(shè)備及煤氣管道等，現(xiàn)階段國內(nèi)大型焦化企業(yè)普遍采用電捕焦油器清除焦油霧。電捕焦油過程中如果氧含量和煤氣的混合比例達(dá)到爆炸極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸，所以研究一套先進(jìn)的、可靠的測氧系統(tǒng)尤為必要。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度。由半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束（僅能被被測氣體吸收）穿過被測氣體時(shí)，激光強(qiáng)度的衰減與被測氣體的濃度成一定的函數(shù)關(guān)系。因此，人們通過測量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。TDLAS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)O2、CO、CO2等多種氣體的自動(dòng)檢測，適用于鋼鐵、焦化、石化、環(huán)保、生化、航天等各領(lǐng)域。

1 焦?fàn)t煤氣可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)構(gòu)成

基于高溫蒸汽射流技術(shù)的焦?fàn)t煤氣可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)是專門為電捕焦油器氣體成分在線連續(xù)檢測O2含量而設(shè)計(jì)配套的測量系統(tǒng)。它集機(jī)、電、儀于一體，具有較高的可靠性。高精度傳感器與先進(jìn)的測量技術(shù)和精良的取樣預(yù)處理相結(jié)合，組成了功能完善、安全可靠、維護(hù)量小、操作簡便、使用壽命長的過程分析系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要包括高溫蒸汽射流系統(tǒng)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)、超限報(bào)警系統(tǒng)。激光測氧系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.1? ? 高溫蒸汽射流系統(tǒng)

（1）采樣探頭。在氣體測量預(yù)處理系統(tǒng)中，采樣探頭是樣氣處理系統(tǒng)最重要和最關(guān)鍵的樣氣處理部件，根據(jù)不同工業(yè)生產(chǎn)過程中差別巨大的取樣條件，就一定有不同的針對(duì)性極強(qiáng)的采樣探頭。煉焦過程中會(huì)產(chǎn)生大量的焦油、萘等物質(zhì)，它們?cè)诔貭顟B(tài)下屬于黏稠物質(zhì)，并且萘易結(jié)晶，如果采樣過程中溫度過低，會(huì)形成油狀黏稠物附著在探頭上，堵塞探頭。本系統(tǒng)針對(duì)焦?fàn)t特有的工況，采用高溫蒸汽射流探頭，能提高樣氣溫度，大大減少黏稠物質(zhì)附著在探頭上。

（2）水洗裝置。焦油、萘等物質(zhì)通過采樣探頭后，必須將焦油和萘去除，否則會(huì)堵塞采樣系統(tǒng)或者分析儀器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水洗裝置，不僅可以高效去除焦油和萘等黏稠物，還能降低氣體溫度。

（3）制冷過濾裝置。本系統(tǒng)主要采用電子制冷方式，降低樣氣溫度，去除樣氣中的水分，再通過膜式過濾器過濾掉所有雜質(zhì)及水，保證通入分析儀的氣體是潔凈的，不含水及顆粒物雜質(zhì)。

1.2? ? 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)

TDLAS技術(shù)是通過改變激光的溫度或電流進(jìn)行激光波長的調(diào)諧，獲得被測氣體的吸收光譜，從而對(duì)氣體濃度進(jìn)行分析測量的技術(shù)。本系統(tǒng)采用激光波長調(diào)諧光譜分析技術(shù)（WMS），通過分析氣體的“二次諧波”實(shí)現(xiàn)氣體濃度分析。系統(tǒng)通過溫度控制技術(shù)將激光波長控制在某個(gè)“基線”，然后通過施加“斜坡電流”信號(hào)掃描氣體吸收線，掃描信號(hào)包含一定頻率的正弦波載波信號(hào)，探測器端接收到氣體的吸收信號(hào)，通過提取載波信號(hào)的二次諧波來實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測量。系統(tǒng)測量功能框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用激光光譜吸收原理，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的激光光源發(fā)出的光束通過含有待測樣氣的測量氣室，出射光通過聚焦透鏡后，右探測器接受并轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)，經(jīng)過放大電路、諧波電路等，計(jì)算出氧氣的含量。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)是一種快速、精確、應(yīng)用廣泛的氣體檢測技術(shù)，基本原理是一束可調(diào)諧光束經(jīng)校準(zhǔn)后直接穿過測量區(qū)域，在特定波長處由于氣體的吸收，光束強(qiáng)度發(fā)生變化，在探測端通過得到的探測吸收信號(hào)計(jì)算測量區(qū)域氣體的濃度?？烧{(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：波長掃描直接吸收技術(shù)和波長調(diào)制技術(shù)。

（1）波長掃描直接吸收技術(shù)。

波長掃描直接吸收測量是基本的TDLAS測量方法，半導(dǎo)體激光器在激光控制器作用下輸出頻率位于氣體特征譜線附近的光束，在激光控制器上加載一定頻率的掃描電壓，周期性地改變輸入激光控制器的電流，使激光器連續(xù)掃描，形成調(diào)諧光束。在探測端，通過探測器得到經(jīng)氣體吸收后的光強(qiáng)信號(hào)，通過光強(qiáng)信號(hào)計(jì)算測量區(qū)域氣體的濃度。

系統(tǒng)通過光譜吸收探測到的吸收信號(hào)可以直接計(jì)算出測量區(qū)域的氣體濃度值，不需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果形象直觀。在結(jié)果擬合過程中，合理確定激光強(qiáng)度對(duì)探測結(jié)果精度影響很大，通常情況下利用無氣體吸收時(shí)的激光信號(hào)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合計(jì)算。探測得到的吸收信號(hào)橫坐標(biāo)是時(shí)域單位，實(shí)際擬合計(jì)算時(shí)需要在頻域單位上進(jìn)行計(jì)算，因此測量時(shí)通常在相同的儀器參數(shù)設(shè)定情況下，通過標(biāo)準(zhǔn)干涉儀進(jìn)行時(shí)域和頻域轉(zhuǎn)換計(jì)算。

（2）波長調(diào)制光譜基本原理。

在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上疊加一個(gè)慢掃描信號(hào)和一個(gè)快變的調(diào)制信號(hào)，對(duì)激光器的輸出波長進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)光束通過樣品池時(shí)，在有吸收線的頻率上，光電信號(hào)可以利用鎖相放大器進(jìn)行諧波檢測，獲得氣體吸收的信息。

各次諧波與吸收氣體濃度均成正比，因而每個(gè)分量都可以作為檢測信號(hào)用以反饋氣體濃度，但商用的鎖相放大器通常具有一次和二次諧波分量檢測功能，并且信號(hào)幅值隨諧波階數(shù)增加而減小，故通常選擇二次諧波分量（2f ）作為檢測信號(hào)，不選擇一次諧波分量的原因是其峰值位置偏離中心波長，且受幅度調(diào)制影響較大。

1.3? ? 反吹系統(tǒng)

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)的主要功能是準(zhǔn)確測量氧氣的含量，但是管道內(nèi)氣體成分比較復(fù)雜，抽取式測量氧氣的探頭、管路和氣室運(yùn)行一段時(shí)間后都會(huì)有粉塵、焦油殘留在探頭、管路和氣室壁上。如果長時(shí)間不清理，就會(huì)造成采樣探頭、管路和氣室堵塞，對(duì)測量造成嚴(yán)重影響，為了減少系統(tǒng)維護(hù)量，設(shè)置反吹系統(tǒng)是必不可少的。電捕焦測量氧氣的反吹系統(tǒng)不能用空氣作為反吹的動(dòng)力源，因?yàn)榭諝庵泻?/5的氧氣，用壓縮空氣會(huì)提高管道中的氧含量，對(duì)管道煤氣產(chǎn)生二次污染，所以必須用潔凈的氮?dú)狻?/p>

1.4? ? 超限報(bào)警系統(tǒng)

電捕焦對(duì)氧氣的含量要求不能超過0.6%，當(dāng)測量氧氣的值接近這個(gè)限值時(shí)，分析系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。過程分析系統(tǒng)可同時(shí)輸出4～20 mA信號(hào)至工廠的DCS系統(tǒng)，工程師可實(shí)時(shí)對(duì)氧含量進(jìn)行觀察。

對(duì)氣體進(jìn)行定量測量時(shí)，通常都是通過測量環(huán)境光譜和“零氣”譜得到。對(duì)于開放光路而言很難得到理想背景光譜，尤其是在低濃度時(shí)，環(huán)境信號(hào)信噪比又比較低，因此在進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理前，首先要平均信號(hào)，提高信噪比。另外，疊加在實(shí)際激光電流上的噪聲（包括尖峰、寬帶干擾、漂移）會(huì)引起激光頻率變化，解決此問題的方法一種是通過減少輸出帶寬，改善激光電流，但這受系統(tǒng)掃描頻率的限制;另一種方法是修正信號(hào)在觀測期間產(chǎn)生的即時(shí)偏差，每條光譜的采樣點(diǎn)數(shù)越多，則通過修正算法得到的精度越高。

1.5? ? 數(shù)據(jù)處理

疊加在激光電流上的不連續(xù)頻率干擾會(huì)引起信號(hào)的漂移，如果直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行平均處理，會(huì)使光譜發(fā)生變化，從而降低系統(tǒng)的性能。激光反復(fù)調(diào)諧后通過吸收線時(shí)，必須對(duì)所有波長漂移進(jìn)行補(bǔ)償，在TDLAS中這個(gè)過程稱為“鎖線”。所以需要通過一定的算法處理來減小或消除干擾信號(hào)造成的譜線漂移影響。

對(duì)于開放光路系統(tǒng)的測量，鎖線算法因?yàn)橹豢紤]到整個(gè)光譜中有限的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)而受到一定的限制，原因是有限的采樣點(diǎn)可能受到光學(xué)或電子學(xué)噪聲的影響，在確定光譜吸收線中心位置時(shí)可能會(huì)引起較大的不確定性，利用相關(guān)算法，計(jì)算譜線的所有采樣點(diǎn)，可以極大地降低測量結(jié)果的不確定性。

1.6? ? 自適應(yīng)算法

對(duì)于TDLAS系統(tǒng)，與被測氣體光譜寬度相當(dāng)?shù)膶挾葪l紋是進(jìn)行精確測量的最大障礙。采用掃描調(diào)制和諧波探測相結(jié)合的方法可以提高信噪比，但處理過程容易受到時(shí)間變化的干擾。諧波檢測系統(tǒng)減少噪聲、提髙信噪比至少需要3個(gè)最基本的要素：首先是控制激光位置，然后是提高信號(hào)平均信噪比并對(duì)環(huán)境光譜的快速波動(dòng)進(jìn)行平滑處理，再將經(jīng)過處理后的信號(hào)送入數(shù)字濾波器。在不清楚采樣背景對(duì)光譜的影響，以及存在疊加信號(hào)隨時(shí)間變化等未知的干擾時(shí)，可以通過使用自適應(yīng)算法得到較為準(zhǔn)確的測量濃度值。

系統(tǒng)通過自適應(yīng)算法，可在不清楚干擾噪聲的統(tǒng)計(jì)特性的情況下，通過逐次迭代的方式，將自身的工作狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲均可達(dá)到良好的效果。

2 解決的關(guān)鍵問題

2.1? ? 高精度、低噪聲激光波長調(diào)諧技術(shù)

該系統(tǒng)通過采用精密電子技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度的精密控制;通過對(duì)激光器工作電流的精密控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長的精密調(diào)諧，使得溫度控制穩(wěn)定度達(dá)到10 mK精度。自主研發(fā)設(shè)計(jì)的核心電路控制系統(tǒng)、激光驅(qū)動(dòng)器和溫度控制電路，具有性能強(qiáng)、控制精度高、安全可靠、成本低的優(yōu)勢(shì)。

2.2? ? TDLAS激光光譜分析技術(shù)

該系統(tǒng)采用先進(jìn)的激光波長調(diào)制光譜分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的反演測量，提高系統(tǒng)測量精度，使系統(tǒng)測量精度達(dá)到百萬分之一級(jí)。

2.3? ? 高性能數(shù)字信號(hào)處理嵌入式平臺(tái)處理技術(shù)

焦?fàn)t煤氣可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測氧系統(tǒng)屬于精密光電儀器，需設(shè)計(jì)一套高速數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)，高速采集測量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式軟件設(shè)計(jì)、支持復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理、高速數(shù)字信號(hào)濾波等功能。

3 結(jié)語

本文研制了能夠?qū)崟r(shí)檢測焦化生產(chǎn)過程中電捕焦前氧氣含量的分析儀，采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣體的快速、精確、高靈敏度抽取測量。該系統(tǒng)通過對(duì)焦化生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制及優(yōu)化，提高資源能源利用率，降低有害氣體的排放量。該系統(tǒng)通過不斷優(yōu)化完善設(shè)備性能，已在部分焦化廠進(jìn)行測試，測試過程中設(shè)備運(yùn)行情況良好，在創(chuàng)造良好社會(huì)效益的同時(shí)，也為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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