특성
이 장치는 광학 음향 레이저 분광법에 의한 대기의 작동 가스 분석을 위해 설계되었습니다.
가스 분석기의 작동 원리는 변조된 레이저 빔이 주어진 파장에서 레이저 방사선을 흡수하는 가스 불순물 분자와 상호 작용하는 동안 공기 중 음파 생성을 기반으로 합니다. 음파는 마이크에 의해 흡수 가스의 농도에 비례하는 전기 신호로 변환됩니다. 레이저 파장을 조정하고 다양한 가스의 흡수 계수에 대한 알려진 스펙트럼 데이터를 사용하여 감지된 가스 불순물의 구성을 결정할 수 있습니다.
이 가스 분석기의 특징은 가변 도파관 CO2 레이저의 단일 설계와 차동 유형의 펌핑 광음향 검출기(OAD)의 조합입니다. OAD는 레이저 공진기 내부에 위치하며 레이저와 단일 구조를 형성합니다. 이로 인해 광학 요소의 손실이 감소하고 PMA의 작업 채널 내부 전력 및 전체 구조의 강성이 증가합니다. 가스 분석기는 RF 발생기의 전력을 변조하여 반복 펄스 생성 모드를 설정하는 고주파(HF) 여기가 있는 자동 라인 조정 도파관 CO2 레이저를 사용하므로 조정하여 전력 소비를 최적화할 수 있습니다. 여기 펄스의 듀티 사이클. 사용된 차동 유형 DMA의 설계에는 두 개의 공진 음향 채널이 있습니다.
적절한 처리를 도입하여 공기가 채널을 통해 흐를 때 소음을 최소화할 수 있는 역위상 음향파를 형성합니다.
장치의 이러한 기능은 고유하며, 종합하면 광음향 장치에 대해 가장 높은 감지 감도, 낮은 하드웨어 노이즈 및 상대적으로 낮은 전체 전력 소비를 제공합니다.
가스 분석기는 광학 가스 분석 방법 고유의 고속으로 ~ 5 × 10-10 cm-1 수준의 가스 흐름에서 대기 중 가스 불순물의 최소 흡수 계수를 기록할 수 있습니다. 이러한 특성과 9.3÷10.9 μm 영역에서 레이저 방사선의 파장을 조정할 수 있는 능력 덕분에 가스 분석기는 대기 및 인위적 가스의 낮은 농도(1ppb 또는 이하), 예를 들어 C2
H4, NH3, O3, C6, SO2, SF6, N2
O, CH3, CH3 등,
다수의 폭발성 및 유독성 물질(총 약 100개 물질)의 쌍을 포함합니다.
이러한 특성으로 인해 대기 중 화학 분자 화합물의 농도를 제어하는 장치 및 기술 프로세스, 다양한 질병을 감지하기 위해 호기를 분석하는 등.
효과 적용
충분히 강력한 cw 주파수 조정 가능 레이저의 사용과 결합된 OA 방법의 명백한 이점은 분자 가스에 의한 방사선의 약한 흡수 측정을 요구하는 문제를 해결하는 데 특히 매력적입니다. 우선, 이것은 매체에서 분자의 저농도 및 초저 농도에서 가스 분석의 문제에 관한 것입니다.
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고감도 레이저 가스 분석기는 공기 샘플의 불순물 가스 함량을 분석하도록 설계되었습니다. 가스 분석기의 주요 요소는 도파관 CO 2 레이저, 공명 광음향 셀 및 컴퓨터이며, 라이브러리에는 37개 가스의 흡수선에 대한 정보가 들어 있습니다. 개발된 가스 분석기의 가스 감지 한계에 대한 정보를 제공합니다. 15%의 오차가 있는 암모니아 검출 한계는 0.015ppb입니다.
합리적인 비용과 노동력으로 넓은 지역에서 대기 중 많은 오염 물질의 함량을 지속적으로 모니터링해야 하는 필요성은 환경 제어 서비스에 다음 요구 사항을 충족하는 가스 분석기를 장비하는 문제를 제기합니다. 1) 감지 임계값 분석 물질의 최대 허용 농도 수준에서; 2) 이물질에 대한 높은 선택성; 3) 다성분 분석; 4) 이동 중에 작업할 수 있는 능력과 주어진 농도 수준을 초과하는 것에 대해 상대적으로 빠른 응답을 제공하는 고속(하나의 샘플을 채취할 때 짧은 측정 사이클 시간); 5) 오염된 지역의 크기를 결정하기 위해 2-4시간 동안 측정의 연속성.
기존의 가스검출 방법은 크게 기존(비분광)과 광학(분광)으로 나눌 수 있다. 이 논문은 공기 중 복잡한 조성의 기체 불순물 분석에 대한 적용 측면에서 주요 전통적인 방법의 장점과 단점을 나열합니다.
레이저의 고유한 특성에 의해 빠른 발전이 결정되는 분광법은 기존 기기의 주요 단점을 제거하고 필요한 속도, 감도, 선택성 및 분석 연속성을 제공합니다. 대부분의 경우 대기 오염은 대다수 분자의 주요 진동 대역이 집중되는 중간 IR 영역을 사용하는 분광 방법으로 감지됩니다. 가시광선 및 UV 영역은 이 점에서 덜 유익합니다.
IR 레이저 가스 분석기 제품군의 특별한 위치는 CO 2 레이저 장치가 차지합니다. 이 레이저는 내구성이 있고 안정적이며 작동이 간편하며 100가지 이상의 가스를 감지할 수 있습니다.
다음은 위의 요구 사항을 충족하는 가스 분석기(프로토타입)에 대해 설명합니다. 도파관 CO 2 레이저는 방사선 소스로 사용되며 민감한 요소는 공진 광음향 셀(r.o.a.u.)입니다. 광음향 방법은 RAOA에서 진폭 변조된 레이저 방사선을 흡수할 때 가스에서 여기된 음파의 등록을 기반으로 합니다. 특정 흡수 전력에 비례하는 음파의 압력은 마이크에 의해 기록됩니다. 가스 분석기의 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 3.1. 변조된 CO 2 레이저 방사선이 파장 조정 장치로 들어갑니다. 이 노드는 9.22-10.76μm 범위의 방사선 파장을 조정하고 84개의 레이저 라인을 얻을 수 있는 회절 격자입니다. 다음으로, 방사선은 거울 시스템을 통해 RAA의 민감한 부피로 향하게 되며, RAA에 들어오는 방사선을 흡수하는 가스가 기록됩니다. 흡수된 방사선의 에너지는 가스의 온도를 높입니다. 세포 축에서 방출된 열은 주로 대류에 의해 세포 벽으로 전달됩니다. 변조된 복사는 가스의 온도와 압력에 상응하는 변화를 일으킵니다. 압력의 변화는 용량 성 마이크의 멤브레인에 의해 감지되어 주기적인 전기 신호가 나타나며 그 주파수는 복사 변조의 주파수와 같습니다.
그림 3.1. 가스 분석기의 구조도
그림 3, 2는 r.o.a.u의 내부 공동의 스케치를 보여줍니다. 직경 20mm의 대칭적으로 위치한 볼륨 1과 2와 직경 10mm의 내부 볼륨 3의 세 개의 원통형 활성 볼륨으로 구성됩니다. 입력 4 및 출력 5 창은 BaF 2 재료로 만들어집니다. 마이크는 셀 하단에 설치되며 직경 24mm의 구멍 6을 통해 활성 볼륨에 연결됩니다.
그림 3.2 공명 광음향 셀의 내부 공동. 1, 2 - 외부 볼륨, 3 - 내부 볼륨. 4, 5 - 입력 및 출력 창, 6 - 마이크 구멍
가스에 의한 레이저 방사선의 흡수로 인한 광학 공명"은 정상 조건에서 3.4kHz의 방사선 변조 주파수에서 발생하고 ROAI 창에 의한 방사선 흡수로 인한 배경 신호는 3.0kHz의 주파수에서 최대입니다. 두 경우 모두 품질 계수는 >20입니다. 이 RAOA 설계는 가스 분석기의 높은 감도를 제공하고 주파수 및 위상 선택 증폭기의 도움으로 배경 신호의 기여를 억제할 수 있습니다.동시에 시간, RAOI는 외부 음향 노이즈에 둔감합니다. 농도 측정 시 전기 신호는 공식에 의해 결정됩니다.
여기서 K는 셀 상수, 는 레이저 방사 전력, b는 가스에 의한 방사 흡수 계수, C는 가스 농도입니다.
측정 전에 가스 분석기는 농도가 알려진 테스트 가스(CO2)를 사용하여 보정됩니다.
진폭 측정은 어드밴텍 컴퓨터의 일부인 ADC 보드를 사용하여 수행됩니다. 동일한 컴퓨터가 파장 조정 장치를 제어하고 측정된 가스의 농도를 계산하는 데 사용됩니다.
개발된 정보 처리 프로그램은 CO 2 레이저 방사선의 흡수 스펙트럼에 의한 혼합 가스의 정성 및 정량 분석을 위한 것입니다. 프로그램의 초기 정보는 분석된 혼합 가스의 측정된 흡수 스펙트럼입니다. 광학적 두께 단위로 구축된 질소의 흡수 스펙트럼의 예는 그림 3,3a에 표시되고 그림 3,3b는 암모니아가 소량 첨가된 흡수 스펙트럼의 예를 보여줍니다.
그림 3.3 흡수 스펙트럼: a - 정상 대기압에서의 질소, b - 질소-암모니아 혼합물.
광학 두께, 여기서
cm -1 atm -1 - i 번째 레이저 라인에서 j 번째 가스의 흡수 계수, C i , atm - j 번째 가스의 농도, i 가능한 구성 요소의 라이브러리에는 흡수 계수 값이 포함되어 있으며 치수(N x m)가 있는 행렬입니다. 라이브러리에 제공된 가스 수는 m = 37이고 분석된 레이저 라인의 최대 수는 N - 84(CO 2 레이저의 각 분기에 21개 라인)입니다. 혼합물에 포함된 기체의 흡수선이 중첩되어 형성된 기체 혼합물의 스펙트럼을 분석하는 과정에서 프로그램은 혼합물의 스펙트럼을 가장 잘 설명하는 구성 요소를 라이브러리에서 선택합니다. 최상의 구성 요소 집합을 검색하기 위한 주요 기준 중 하나는 반복 결과로 발견된 실험 스펙트럼과 흡수 스펙트럼 사이의 제곱 평균 제곱근 편차 값입니다. 알려진 흡수 스펙트럼에서 농도를 찾는 역 문제를 해결하기 위한 알고리즘은 가우스 제거 방법과 Tikhonov 정규화 방법을 사용하여 구축되었으며 구현의 주요 어려움은 솔루션의 안정성(요소 흡수 계수 행렬과 자유 항은 대략적으로만 알려져 있으며, 정규화 매개변수를 선택하고 반복 프로세스를 종료하기 위한 기준을 찾습니다. 이 표는 설명된 가스 분석기의 일부 가스 감지 한계에 대한 계산된 정보를 제공합니다. 검출 한계, ppb 검출 한계, ppb 아크롤레인 모노메틸히드라진 퍼클로로에틸렌 t-부탄올 프로판올 염화비닐 육불화황 트리클로로에틸렌 헥사클로로부타디엔 히드라진 디메틸히드라진 1.1-디플루오로에틸렌 이소프로판 메틸클로로포름 에틸 아세테이트 메틸에틸케톤 가스 분석기의 주요 성능 특성: 동시에 측정되는 가스의 수 - 최대 6개; 측정 시간 2분; 이산화탄소 검출 한계 0.3 ppm: 암모니아 검출 한계 0.015 ppb: 이산화탄소 측정 범위 1 ppm -10%; 암모니아 측정 범위 0.05ppb-5ppm; 측정 오류 15%; 공급 전압 220V ±10%. [ 하나] 레이저 가스 분석기 "LGAU-02"는 장치의 가스 셀을 통해 펌핑된 공기의 가스 탄화수소 농도를 측정하도록 설계되었습니다. 가스 분석기는 독립형 장치와 이동식 자동차 및 항공 연구실의 일부로 모두 사용할 수 있습니다. 단지에는 다음이 포함됩니다. 지하 가스 파이프 라인에서 누출을 검색하기 위해 자동 실험실의 조직 계획이 제시됩니다. 1 항공 연구실에서는 외부 기압으로 효과적인 공기 흡입을 제공하여 기류 드라이버 없이 할 수 있으며 핸드 트럭에서는 표면 샘플링 장치 대신 외부 샘플링 장치를 사용할 수 있습니다. 가스 분석기 "LGAU-02"의 장점은 문제 해결에 나타납니다. 저널 "기기 및 실험 기술", 1999, No. 5 지하 가스 파이프라인에서 가스 누출을 찾기 위한 레이저 가스 분석기 저널 "계측기 및 제어 시스템", 1998, No. 9 탄화수소용 공중 레이저 흡수 가스 분석기 Copyright 1998-2005 MEPhI 엔지니어링 센터 Yokogawa TDLS200 레이저 가스 분석기의 작동은 다이오드 레이저 흡수 분광법을 기반으로 합니다. 이 기기는 부식성 성분 또는 고온이 있는 가스의 빠른 "현장"(파이프에서 직접) 분석을 제공하는 높은 선택성과 장기간 안정성이 특징입니다. 이 장치의 작동 원리는 무엇이며 어디에 적용됩니까? 레이저 가스 분석기는 조정 가능한 레이저 다이오드 흡수 분광법(TDLAS) 방법을 사용하며 조정 가능한 레이저 다이오드의 방사선으로 가스 샘플을 조사하기만 하면 직접 접촉 없이 높은 선택도로 가스 샘플의 농도를 측정할 수 있습니다. 이러한 방식으로 다양한 조건의 공정 굴뚝에서 빠르고 정확한 "현장" 측정을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 최대 1500°C의 온도와 맥동 압력이 있는 환경에서 측정을 수행할 수 있습니다. Yokogawa TDLS200 레이저 가스 분석기는 부식성 또는 독성 가스가 있는 곳에서도 측정할 수 있습니다. 분석기에서 생성된 정확한 분석 신호는 응답 시간이 최소화되어 제품의 수율을 높이고 다양한 산업 공정에서 에너지 효율성과 안전성을 향상시킵니다. 설계의 단순성(움직이는 부품 및 수명 제한 부품 없음)은 유지 보수가 거의 또는 전혀 없이 작동 및 제어를 보장합니다. Yokogawa TDLS200 레이저 가스 분석기는 산업 측정에 사용되는 새로운 유형의 레이저 가스 분석기입니다. 피크 면적 적분법을 적용하면 압력 변화로 인한 측정 오류와 샘플 내 다른 가스의 존재가 제거됩니다. 또한 온도 및 기타 매개변수가 동시에 변경되는 경우에도 가스 성분의 농도를 정확하게 결정할 수 있습니다. 이 기사에서는 TDLS200 레이저 가스 분석기, 기능 및 측정 원리에 대한 개요를 제공하고 응용 사례도 살펴봅니다. 가스 분석기에는 배출 장치와 감지 장치가 있으며 일반적으로 공정 가스가 흐르는 연도의 반대쪽(횡단)에서 서로 마주보고 있습니다. 최대 20m 너비의 가스 덕트에도 유사한 옵션이 사용됩니다. 광학 창은 측정 매체에서 분석기의 내부 부품을 분리합니다. 반도체 레이저 방사선은 방사 장치의 광학 창, 측정된 가스, 감지 장치의 광학 창을 통과하여 광검출기에 도달합니다. 광검출기는 레이저 빔을 등록하고 에너지를 전기 신호로 변환합니다. 방사 장치의 컴퓨팅 장치는 측정된 성분의 흡수 스펙트럼을 결정하고 스펙트럼의 피크 면적을 계산하고 이를 성분의 농도로 변환하여 아날로그 신호로 4 ... 20mA를 출력합니다. 정렬 메커니즘에는 주름진 디자인이 있어 산업의 기술 프로세스에 특히 중요한 파이프라인의 견고함을 유지하면서 광축 각도 조정을 단순화할 수 있습니다. 투광부와 검출부를 광축 조정기로 연결하면 표준 구성(그림 1과 같이 배관 양쪽에 2개 배치) 뿐만 아니라 기타의 경우에도 광축 조정이 용이합니다. 설치 옵션. 이 기술 솔루션을 사용하면 측정된 구성 요소와 공정의 기술 설계에 가장 적합한 장치 설치 방법을 선택할 수 있으며 동시에 최적의 측정 조건을 보장할 수 있습니다. TDLS200은 TDLAS(다이오드 레이저 흡수 분광법) 기술을 사용합니다. 이 방법은 측정된 구성 요소에서 분자 전이의 진동 및 회전 에너지로 인해 물질 분자에 고유한 복사(적외선/근적외선)의 흡수 스펙트럼을 측정하는 것을 기반으로 합니다. 스펙트럼을 형성하기 위한 방사선 소스는 스펙트럼 선폭이 매우 좁은 반도체 레이저입니다. O2, NH3, H2O, CO 및 CO2와 같은 기본 분자의 광 흡수 스펙트럼은 적외선에서 근적외선 영역입니다. 특정 파장에서 흡수된 방사선의 양(분광 흡광도)을 측정하면 측정된 성분의 농도를 계산할 수 있습니다. 기존의 저해상도 분광기와 달리 TDLS200은 선폭이 매우 좁은 레이저 빔을 사용합니다. 에미터는 조정 가능한 레이저 다이오드이며 레이저 온도와 여기 전류를 조정하여 방출 파장을 변경할 수 있습니다. 이를 통해 스펙트럼에 존재하는 여러 피크 중에서 단일 흡수 피크를 측정할 수 있습니다. 따라서 그림 6과 같이 다른 가스의 간섭을 받지 않는 단일 흡수 피크를 선택하여 측정할 수 있습니다. 높은 파장 선택성과 가스 혼합물의 다른 구성 요소로부터의 간섭 부재로 인해 추가 샘플 준비가 필요하지 않으므로 TDLS200 "현장"(공정에서 직접)을 사용할 수 있습니다. TDLS200은 간섭 성분의 간섭이 없는 가스 혼합물 성분의 고립된 흡수 스펙트럼을 측정합니다. 측정은 측정된 구성 요소의 단일 흡수 피크를 따라 가변 레이저 다이오드의 파장을 스위핑하여 수행됩니다. TDLS200에서 측정한 흡수 스펙트럼은 간섭 성분과 분리되어 있지만 가스 온도, 가스 압력, 혼합 가스에 존재하는 이물질에 따라 스펙트럼의 모양이 변할 수 있습니다(확장 효과). 이러한 조건에서 측정하려면 보상이 필요합니다. TDLS200 가스 분석기는 측정된 구성 요소의 흡수선을 따라 반도체 레이저 파장을 스위프하고 피크 영역을 통합하여 흡수 스펙트럼 영역에서 농도를 계산합니다. Yokogawa TDLS200 가스 분석기는 "현장"(파이프라인에서 직접)을 빠르게 측정할 수 있는 기능 덕분에 프로세스 제어에 필요한 신호가 다음을 포함할 때 고속 조절을 위해 기존 기술 프로세스에서 성공적으로 사용할 수 있습니다. 성분 농도의 표시는 DCS에 직접 공급되며 실시간 공정 제어를 위해 제공됩니다. 따라서 TDLS200은 다양한 산업 공정의 성능을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 섹션에서는 연도 가스에서 NH3의 잔류 농도를 측정하는 방법을 살펴보겠습니다. 연소 과정을 최적화하기 위한 TDLS200의 사용은 Yokogawa(3)의 다른 기사에 설명되어 있습니다. 자세한 내용은 이 보고서를 참조하십시오. 배기가스에 암모니아(NH3)를 도입하여 NOx(질소산화물의 배기가스 정화)를 제거하고 집진기의 효율을 높이고 부식을 방지합니다. 과도한 NH3는 운영 비용을 증가시키고 잔류 NH3의 양을 증가시켜 부패한 냄새를 유발합니다. 따라서 연도 가스의 NH3 양을 측정, 모니터링 및 조절해야 합니다. 예를 들어, NOx 소각로 배가스 스크러버는 DeNOx SCR(선택적 촉매 환원) 공정을 사용합니다. 이 공정은 NH3를 주입하고 환원 공정을 선택적으로 촉매하여 NOx를 N2와 H2O로 환원하고 NH3의 잔류 농도를 남깁니다. ppm) 연도 가스에서 실시간으로 측정됩니다. 간접 NOx 측정 방법(화학 발광 분석 및 이온 전극 방법)을 사용하는 기존 NH3 농도계는 응답 시간이 느리고 NH3 부착을 방지하기 위해 가열된 파이프를 포함한 샘플링 라인 설치가 필요하며 결과적으로 복잡한 측정 시스템과 같은 높은 유지 보수 비용이 필요합니다. 반면에 그림 8과 같이 TDLS200 레이저 가스 분석기는 공정 파이프라인에 직접 설치되어 NH3를 직접 측정하므로 응답 시간이 크게 단축되고 유지 관리가 간소화됩니다. 또한 빠른 응답 NH3 농도 분석 신호를 사용하여 NH3 주입을 제어하고 최적화할 수 있습니다. 사용된 측정 기술과 분석기 설계로 인해 달성된 높은 선택성, 짧은 응답 시간, 유지 관리 용이성으로 인해 광범위한 기술 프로세스에서 사용할 수 있습니다. 응용 분야에는 이 기사에서 논의된 NH3 측정뿐만 아니라 연소 프로세스 최적화에서 CO 및 O2 함량 측정, 전기분해 설비에서 소량의 물 측정 등이 포함됩니다. 이러한 가스 분석기를 사용하면 다음을 수행할 수 있습니다. 환경 보호에 크게 기여하고 운영 비용을 절감합니다. , 모니터링 목적이 아닌 공정 제어를 위한 적용 덕분입니다. 타무라 카즈토 다카마츠 유키히코 토모야키 난코,
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