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讓聚光科技LGA-4100來引領激光過程氣體分析！
發布時間：2016-12-15
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武鋼計控公司是國家一級計量單位。該公司以“在科學的道路上永無止境地探索”為企業理念，注重發揮各類人才積極性和創造性。通過建立現代企業制度，實施管理創新，形成較強的高新技術產品開發能力。該公司向我公司聚光科技提供了詳細工況，讓我公司根據現場工藝來設計，對其電捕焦油器O2濃度進行連續、實時的監測和記錄、分析，給武鋼計控公司的工藝控制提供依據。
據該公司O2含量檢測要求，我公司采用LGA-4100型探頭式激光過程氣體分析系統來進行測量。LGA-4100激光過程氣體分析系統是結合多年的激光氣體分析產品的開發和應用經驗，集成半導體激光吸收光譜、激光器波長自適應、、藍牙無線通訊等多項創新技術，推出的新一代激光過程氣體分析產品。該系統的發射和接收單元直接安裝在工業管道上。整個系統由于無預處理及運動部件，使得其相對于傳統紅外等分析系統，運行的穩定性和可靠性大大增強，并且維護標定工作量和運行費用大大降低。
LGA-4100半導體激光氣體分析系統基于半導體激光吸收光譜技術（DLAS），即“單線光譜”測量技術。具體來說，就是通過測量具有某一特定吸收譜線的激光束在穿過被測氣體時發生的衰減信息，并根據激光強度衰減與被測氣體含量間的正比關系，分析獲得被測氣體的濃度。與非分光紅外氣體分析技術相同,DLAS技術也是一種吸收光譜技術，它利用Beer-Lambert關系來定量分析半導體激光能量被被測氣體選擇吸收產生的衰減來獲得氣體的濃度。與傳統非分光紅外分析技術使用譜寬很寬且固定波長的紅外光源不同，DLAS技術使用譜寬非常小(也就是單色性非常好) 且波長可調諧的半導體激光器作為光源。
因此，DLAS技術具有傳統非分光紅外分析技術無法實現的一些性能優點：
1. 不受背景氣體交叉干擾。半導體激光器發射的激光譜寬小于0.0001nm，是紅外光源譜寬的1/106，遠小于紅外光源譜寬和被測氣體單吸收譜線寬度，其頻率調制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線（半導體激光吸收光譜技術也因此被稱為單線光譜技術），因此成功消除了背景氣體交叉干擾影響。
2. 不受粉塵和視窗污染干擾。非分光紅外氣體分析儀在分析粉塵含量較大的氣體時，粉塵和被污染的光學元件會引起氣室透光率的變化，而固定波長的光源又無法區別氣體和粉塵的吸收，因此無法自動修正粉塵對光學元件的污染影響。而半導體激光的波長可通過調制工作電流而被掃描，使激光波長既掃描過有氣體吸收的區域，也掃描過沒有氣體吸收的區域。當波長位于吸收區域時可測得包含氣體和粉塵在內的總透光率T總，當波長位于無氣體吸收區域時可以測得粉塵透光率T粉塵，從而可以準確獲得被測氣體的透光率T氣體 =T總/ T粉塵。DLAS技術通過激光波長掃描技術修正了粉塵和視窗污染對測量的影響。
3. 不受被測氣體環境參數變化干擾。被測氣體環境參數—溫度或壓力變化通常導致譜線強度和展寬發生變化，對溫度或壓力信號不加修正就會影響測量結果。而DLAS技術是對被測氣體單一吸收譜線進行分析，因此可較容易地對溫度、壓力效應進行修正。為此LGA-4100系統內置了溫度和壓力自動修正功能，能根據實際測量得到的被測氣體溫度和壓力對氣體成分測量值進行自動修正，從而可實現精確的在線氣體分析。
綜上所述，單線光譜技術、激光波長掃描技術和環境參數自動修正技術使DLAS技術可以被用于實現氣體的原位分析，因此比非分光紅外等傳統采樣氣體分析系統具備更強的環境適應性。并且由于激光氣體分析系統省卻了采樣預處理裝置，結構簡單、無運動部件，維護標定方便、可靠性高，響應速度快而準確，大大提升了在線過程氣體檢測的水平。
該系統特點：
1.無需采樣，現場測量。
2.響應速度快（<1秒）。
3.測量精度高（≤±1%）。
4.不受背景氣體交叉干擾。
5.自動修正粉塵及光學視窗污染影響。
6.結構簡單緊湊、可靠性高，操作維護方 便，運行費用低。
7.一體化正壓防爆技術，模塊化設計，可 現場更換所有功能模塊。
聚光科技在產品核心及關鍵技術領域擁有自主知識產權，現已申請并擁有多項發明專利、實用新型專利和軟件著作權。其研發生產的激光現場在線氣體分析系統于2003年經國家法定檢測部門檢測，精度達到1級。系統能夠在高溫、高粉塵、高流速、強腐蝕等惡劣環境下現場分析氣體濃度和熱值等。為各行業提供迫切需要的非接觸、實時、遠程、多點連續的自動監測解決方案，并為優化生產工藝、節能降耗、能源氣回收、安全及環保監測等提供了有效保障。
那么為什么武鋼計控公司會選擇聚光科技呢？ 除了聚光科技，還沒有一家公司有實力去研發生產激光現場在線氣體分析系統。作為全球不多的激光在線氣體分析系統的開發和供應商，聚光科技解決了以下技術難點：
第一，半導體激光吸收光譜技術。解決包括半導體激光波長鎖定技術（使激光頻率長時間穩定在吸收譜線頻率處）、高靈敏度的調制光譜檢測技術、光學Etalon噪音有效抑制方法等，并建立和完善了重要工業氣體成分的吸收光譜數據庫（吸收譜線位置、不同溫度下的壓力展寬、吸收譜線線強及其與溫度的關系等）等。
第二，高性能半導體激光電流源技術。半導體激光器非常容易被浪涌電流和高頻電磁輻射損壞，為此聚光科技開發了用于各工業現場的低噪音半導體激光電流源技術，在半導體激光電流源電路中設計大量保護電路模塊來抑制各種原因產生的浪涌電流和電磁輻射。同時，還通過降低激光電流源的噪音來降低激光強度噪音，從而提高系統的檢測靈敏度。
第三，微弱信號檢測技術和電磁兼容技術。為了提高檢測靈敏度，除了降低上面提到的光學Etalon噪音外，還要降低各種電磁干擾噪音。為此研發了高性能的微弱信號檢測技術（低噪音設計、采用鎖相放大技術）和電磁兼容技術（如良好接地、電纜線屏蔽等）。
第四，吸收光譜信號分析算法。激光在線氣體分析系統實現了從測量獲得的調制光譜信號中直接提取譜線展寬的數字信號處理方法，從而可以準確修正氣體組分變化對氣體濃度測量的影響。很多時候，光學Etalon噪音或其他噪音的頻率與信號頻率接近，而聚光科技研發的、適用于這種情況下的噪音抑制算法，大大提高了惡劣工況下激光在線氣體分析系統的檢測靈敏度和可靠性。
聚光科技不僅掌握世界尖端科技——激光吸收光譜技術，可以解決和突破以上難點，而且與現有其他分析系統相比，聚光科技研發生產的激光在線氣體分析系統還實現了以下技術創新：
第一，開發的半導體激光在線氣體分析系統實現了氣體濃度的現場、連續測量，避免了背景氣體的交叉干擾，自動修正粉塵、視窗污染所帶來的數據誤差。由于采用非接觸式光學測量而適用于強腐蝕、高溫、高壓、高粉塵的惡劣環境，解決了現有常用采樣方式“在線”分析系統的弊病。該技術創新點經鑒定為國內首創、國際先進。
第二，在使用光譜技術測量氣體成分時，如果氣體組成、溫度和壓力發生了變化，則氣體的譜線展寬就會相應變化，從而影響測量的準確性。國外同類產品都是通過測量氣體溫度、壓力，并且估計測量環境中的氣體組成來計算譜線展寬，從而對測量氣體成分進行修正。這種修正策略的難點在于無法準確估計測量環境中的其他氣體組成，從而造成測量誤差。對于此難點，聚光科技在國際上率先實現了通過數字信號處理的方法直接從檢測的調制光譜信號中準確提取譜線展寬，從而避免了譜線展寬變化導致的測量誤差。
第三，國際上現有同類產品一般都只有4-20mA電流、RS232等數據輸出方式，聚光科技的激光現場在線氣體分析系統除了以上方式外，還開發了可選配的無線數據傳送模塊，使本產品具有無線網絡傳輸功能。該無線數據傳輸模塊可以實現：對儀器內嵌程序版本實現無線遠程升級；分析信息、數據的遠程傳輸；遠程收集系統工作狀態，實時設置儀器參數等。這是國際上首次在半導體激光在線氣體分析系統上實現無線數據傳送。
與國外同類產品相比，LGA系列激光在線分析系統在軟硬件方面也具有明顯優勢：
首先，它具有自動譜線展寬修正功能，分析氣體濃度時不受被測氣體環境中氣體組成變化的影響，可應用于氣體組成有較大變化的場合。
其次，LGA系列產品可選配GPRS無線數據傳輸模塊，通過該模塊，聚光科技可為用戶提供遠程程序升級、設置和優化分析系統參數等服務。
而且，國外引進關鍵技術和部件，國內進行研發并量身定制，充分考慮了國內用戶的現場工況和供貨需求，為項目的按期、順利實施也提供了有效保障。
聚光科技為武鋼計控公司此項目解決了一些關鍵的工藝需求。
首先是響應速度。氣體分析的重要因素是分析儀器的響應速度，激光在線氣體分析系統實現“在位”測量和毫秒級響應，響應時間<1S，避免了采樣預處理響應滯后帶來的安全隱患。
其次是樣氣排放。工藝管道中有大量有毒、有害氣體，傳統分析系統的尾氣排放不僅會造成環境污染和爆炸，對操作人員身體也有害處。激光在線氣體分析系統無需抽氣檢驗，沒有樣氣排放問題。
第三是測量精確度。測量的準確性關系到對安全隱患判斷的準確性問題，激光現場在線氣體分析對原始氣體進行分析，不改變氣體成份，測量準確度為<±1%。第四是維護、標定。系統維護和標定的工作量不僅牽涉人力物力，而且降低了開表率。激光在線氣體分析系統的年維護和標定次數<2次/年；且維護標定非常方便。
最后是運行費用。設備的選型不僅考慮一次性投資，還要考慮將來的運行和維護成本。激光在線氣體分析系統無需備品備件，運行成本僅為電費、氣源費和標定氣費用。
據該公司O2含量檢測要求，我公司采用LGA-4100型探頭式激光過程氣體分析系統來進行測量。LGA-4100激光過程氣體分析系統是結合多年的激光氣體分析產品的開發和應用經驗，集成半導體激光吸收光譜、激光器波長自適應、、藍牙無線通訊等多項創新技術，推出的新一代激光過程氣體分析產品。該系統的發射和接收單元直接安裝在工業管道上。整個系統由于無預處理及運動部件，使得其相對于傳統紅外等分析系統，運行的穩定性和可靠性大大增強，并且維護標定工作量和運行費用大大降低。
因此，DLAS技術具有傳統非分光紅外分析技術無法實現的一些性能優點：
1. 不受背景氣體交叉干擾。半導體激光器發射的激光譜寬小于0.0001nm，是紅外光源譜寬的1/106，遠小于紅外光源譜寬和被測氣體單吸收譜線寬度，其頻率調制掃描范圍也僅包含被測氣體單吸收譜線（半導體激光吸收光譜技術也因此被稱為單線光譜技術），因此成功消除了背景氣體交叉干擾影響。
3. 不受被測氣體環境參數變化干擾。被測氣體環境參數—溫度或壓力變化通常導致譜線強度和展寬發生變化，對溫度或壓力信號不加修正就會影響測量結果。而DLAS技術是對被測氣體單一吸收譜線進行分析，因此可較容易地對溫度、壓力效應進行修正。為此LGA-4100系統內置了溫度和壓力自動修正功能，能根據實際測量得到的被測氣體溫度和壓力對氣體成分測量值進行自動修正，從而可實現精確的在線氣體分析。
綜上所述，單線光譜技術、激光波長掃描技術和環境參數自動修正技術使DLAS技術可以被用于實現氣體的原位分析，因此比非分光紅外等傳統采樣氣體分析系統具備更強的環境適應性。并且由于激光氣體分析系統省卻了采樣預處理裝置，結構簡單、無運動部件，維護標定方便、可靠性高，響應速度快而準確，大大提升了在線過程氣體檢測的水平。
該系統特點：
1.無需采樣，現場測量。
2.響應速度快（<1秒）。
3.測量精度高（≤±1%）。
4.不受背景氣體交叉干擾。
5.自動修正粉塵及光學視窗污染影響。
6.結構簡單緊湊、可靠性高，操作維護方 便，運行費用低。
7.一體化正壓防爆技術，模塊化設計，可 現場更換所有功能模塊。
聚光科技在產品核心及關鍵技術領域擁有自主知識產權，現已申請并擁有多項發明專利、實用新型專利和軟件著作權。其研發生產的激光現場在線氣體分析系統于2003年經國家法定檢測部門檢測，精度達到1級。系統能夠在高溫、高粉塵、高流速、強腐蝕等惡劣環境下現場分析氣體濃度和熱值等。為各行業提供迫切需要的非接觸、實時、遠程、多點連續的自動監測解決方案，并為優化生產工藝、節能降耗、能源氣回收、安全及環保監測等提供了有效保障。
那么為什么武鋼計控公司會選擇聚光科技呢？ 除了聚光科技，還沒有一家公司有實力去研發生產激光現場在線氣體分析系統。作為全球不多的激光在線氣體分析系統的開發和供應商，聚光科技解決了以下技術難點：
第一，半導體激光吸收光譜技術。解決包括半導體激光波長鎖定技術（使激光頻率長時間穩定在吸收譜線頻率處）、高靈敏度的調制光譜檢測技術、光學Etalon噪音有效抑制方法等，并建立和完善了重要工業氣體成分的吸收光譜數據庫（吸收譜線位置、不同溫度下的壓力展寬、吸收譜線線強及其與溫度的關系等）等。
第二，高性能半導體激光電流源技術。半導體激光器非常容易被浪涌電流和高頻電磁輻射損壞，為此聚光科技開發了用于各工業現場的低噪音半導體激光電流源技術，在半導體激光電流源電路中設計大量保護電路模塊來抑制各種原因產生的浪涌電流和電磁輻射。同時，還通過降低激光電流源的噪音來降低激光強度噪音，從而提高系統的檢測靈敏度。
第三，微弱信號檢測技術和電磁兼容技術。為了提高檢測靈敏度，除了降低上面提到的光學Etalon噪音外，還要降低各種電磁干擾噪音。為此研發了高性能的微弱信號檢測技術（低噪音設計、采用鎖相放大技術）和電磁兼容技術（如良好接地、電纜線屏蔽等）。
第四，吸收光譜信號分析算法。激光在線氣體分析系統實現了從測量獲得的調制光譜信號中直接提取譜線展寬的數字信號處理方法，從而可以準確修正氣體組分變化對氣體濃度測量的影響。很多時候，光學Etalon噪音或其他噪音的頻率與信號頻率接近，而聚光科技研發的、適用于這種情況下的噪音抑制算法，大大提高了惡劣工況下激光在線氣體分析系統的檢測靈敏度和可靠性。
聚光科技不僅掌握世界尖端科技——激光吸收光譜技術，可以解決和突破以上難點，而且與現有其他分析系統相比，聚光科技研發生產的激光在線氣體分析系統還實現了以下技術創新：
第一，開發的半導體激光在線氣體分析系統實現了氣體濃度的現場、連續測量，避免了背景氣體的交叉干擾，自動修正粉塵、視窗污染所帶來的數據誤差。由于采用非接觸式光學測量而適用于強腐蝕、高溫、高壓、高粉塵的惡劣環境，解決了現有常用采樣方式“在線”分析系統的弊病。該技術創新點經鑒定為國內首創、國際先進。
第二，在使用光譜技術測量氣體成分時，如果氣體組成、溫度和壓力發生了變化，則氣體的譜線展寬就會相應變化，從而影響測量的準確性。國外同類產品都是通過測量氣體溫度、壓力，并且估計測量環境中的氣體組成來計算譜線展寬，從而對測量氣體成分進行修正。這種修正策略的難點在于無法準確估計測量環境中的其他氣體組成，從而造成測量誤差。對于此難點，聚光科技在國際上率先實現了通過數字信號處理的方法直接從檢測的調制光譜信號中準確提取譜線展寬，從而避免了譜線展寬變化導致的測量誤差。
第三，國際上現有同類產品一般都只有4-20mA電流、RS232等數據輸出方式，聚光科技的激光現場在線氣體分析系統除了以上方式外，還開發了可選配的無線數據傳送模塊，使本產品具有無線網絡傳輸功能。該無線數據傳輸模塊可以實現：對儀器內嵌程序版本實現無線遠程升級；分析信息、數據的遠程傳輸；遠程收集系統工作狀態，實時設置儀器參數等。這是國際上首次在半導體激光在線氣體分析系統上實現無線數據傳送。
與國外同類產品相比，LGA系列激光在線分析系統在軟硬件方面也具有明顯優勢：
首先，它具有自動譜線展寬修正功能，分析氣體濃度時不受被測氣體環境中氣體組成變化的影響，可應用于氣體組成有較大變化的場合。
其次，LGA系列產品可選配GPRS無線數據傳輸模塊，通過該模塊，聚光科技可為用戶提供遠程程序升級、設置和優化分析系統參數等服務。
而且，國外引進關鍵技術和部件，國內進行研發并量身定制，充分考慮了國內用戶的現場工況和供貨需求，為項目的按期、順利實施也提供了有效保障。
聚光科技為武鋼計控公司此項目解決了一些關鍵的工藝需求。
首先是響應速度。氣體分析的重要因素是分析儀器的響應速度，激光在線氣體分析系統實現“在位”測量和毫秒級響應，響應時間<1S，避免了采樣預處理響應滯后帶來的安全隱患。
其次是樣氣排放。工藝管道中有大量有毒、有害氣體，傳統分析系統的尾氣排放不僅會造成環境污染和爆炸，對操作人員身體也有害處。激光在線氣體分析系統無需抽氣檢驗，沒有樣氣排放問題。
第三是測量精確度。測量的準確性關系到對安全隱患判斷的準確性問題，激光現場在線氣體分析對原始氣體進行分析，不改變氣體成份，測量準確度為<±1%。第四是維護、標定。系統維護和標定的工作量不僅牽涉人力物力，而且降低了開表率。激光在線氣體分析系統的年維護和標定次數<2次/年；且維護標定非常方便。
最后是運行費用。設備的選型不僅考慮一次性投資，還要考慮將來的運行和維護成本。激光在線氣體分析系統無需備品備件，運行成本僅為電費、氣源費和標定氣費用。
