图1  温度、压力和光程对吸收线的影响

通常情况下，取样和预处理系统的取样式氧气分析仪的维护成本总计达到初始阶段采购、工程和安装成本的两倍。水分和粉尘进入容易引起顺磁系统故障，这不仅增加了维护预算，而且影响了整体过程产量。采用能够进行原位测量、高精度、可靠并且几乎无需维护的可调谐二极管激光 (TDL)，可以解决这些问题。

为了保障过程安全，进而确保环境、人员与财产安全，我们必须使用最好的设备。这在工业过程中进行气体测量时尤其突出。当面临各种各样的选择时，客户们必须仔细地为每一个测量任务选择最合适的测量技术。可调谐二极管激光技术的不断发展使得该技术对高效、可靠地测量单一种类气体方面具有明显的优势。

氧气测量系统通常在每时每刻保证过程安全和惰化效果方面发挥着重要作用。因此，它们必须能经受住最苛刻的环境。为了使其性能维持在最佳水平，必须进行大量的维护工作。

通常，带有取样和预处理系统的取样式氧气分析仪在使用年限内的维护成本总计达到初始阶段采购、工程和安装成本的两倍。如果水分和粉尘进入测量单元，顺磁系统会发生故障。这不仅增加了维护预算，而且影响了整体过程产量。采用能够进行原位测量、高精度、可靠并且几乎无需维护的可调谐二极管激光 （TDL），可以克服这些缺陷。

激光技术实现零干扰分析

测量更为快速并且结果更为精确的氧气分析仪一直是化工行业的宠儿。如果它们与其他分析系统相比，具有更低的购买成本，那么必然会获得更大的青睐。

在窄带宽激光光谱学中，采用通常应用于通信行业、可精确调谐的 VCSEL（verticalcavitysurface-emitting）或DFB（ distributedfeedback）激光，能够测得光谱吸收。这些二极管激光通过调谐发射出特定的波长的光波，该波长与待测气体单一吸收线的光谱性质相匹配。通过控制激光器的温度和电流，对选定的吸收线进行窄带宽“扫描”，以便确定吸收线的面积，进而得到特定气体的浓度。

采用吸收光谱学技术直接在气流中原位测量工业气体浓度（如氧气等），从而免去了所有取样和预处理过程。这可应用于最高温度为1500℃ 或 1MPa的条件下，并且不会受到任何背景气体的干扰。虽然气流中存在的粉尘会导致光线的吸收变化，这部分的信号衰减可通过调谐技术抵消，TDL技术可抵消高达 90% 的信号衰减。

安装与调试

可调谐二极管激光技术已经推出10余年，在此期间经过了不断的优化和改进，且成本有所降低。但是，TDL用户还必须意识到这种技术的应用还需要进行一定的维护，以便使这些分析仪自始自终正常运行。TDL如何解决用户的难题：

选择测量点温度和压力输入

吸收线的形状随着温度和压力的改变而发生变化（参见图1），因此为了计算正确的浓度值，必须对气流的温度和压力进行测量。这通常由安装在管道内的外部传感器完成。

调节合适的吹扫速度

TDL 是一种非接触式测量方法，因此，必须使用视窗将二极管激光器和检测器与过程气体隔开。在典型的双侧安装式TDL结构中，必须在管道两侧的发送和接收装置上分别接入吹扫管线。通常选用氮气作为吹扫气体，不断冲洗视窗，避免粉尘堆积导致信号强度快速下降。此外，需要仔细调节吹扫速度，因为氮气积聚会缩短激光的有效光程，从而导致测量误差。

图2  探头式TDL

发送和接收装置的法兰对齐

毫无疑问，激光束就像演讲时使用的激光笔光线那样笔直，但两台装置对齐的角度偏差必须在1°~2°之内，以便光束可以顺利射入检测器中。因此，必须在管道两侧高度精确地焊接法兰以便进行基本对齐，然后通过在发送和接收装置上的定位螺丝来进行微调。在加热过程中需要重复该过程，这是因为管道两侧会发生不同程度的热膨胀。

探头式设计的原位TDL

原位TDL 通常采用双侧安装式设计，但这不能作为定律。探头式TDL能够有效克服安装上的困难。探头是传感器中的一部分，伸入过程气体中。对于探头式TDL，二极管激光器和检测器位于管道的同一侧。发射的激光束被直角棱镜反射回检测器（参见下图2）。直角棱镜可将任意方向的激光束平行地反射回去，因此实现了出厂设置对光程进行对齐工作。

探头式TDL与双侧安装式TDL比较具有明显的优势：

因为整个光程由探头自身进行对齐，提供即插即用式安装，不再需要法兰对齐工作。

光谱仪可从探头上拆下，并且能够保证管道中的气体完全密封。因此，可以在不中断生产的情况下，对分析仪进行维护。

光程是“折叠式”的，意味着对于相同的插入深度而言，光程长度翻倍能加倍传感器的精确性。因此，即使在小直径管道中也可获得最佳的检测限，从而在双侧式TDL无法安装的应用中极大地改善测量气体浓度的能力。

此外，出色的供电设计使得TDL更为简洁，符合FM和ATEX法规的防爆设计能取代使用隔爆外壳的分析仪。这也意味着应用于危险区域，不再需要在气体接触面与分析仪之间使用成本高昂的光纤。探头式TDL占用空间最小，这是选择安装点的一大优势。

图3  对3个相邻的连续吸收峰进行高度、相对位置和面积分析

先进的信号处理能力

适合过程控制与安全监控应用的最先进的TDL不仅使用最新的高稳定、持久的二极管激光器技术，而且从先进的信号处理中获益，这些算法可应对各种过程条件，并提供稳定、可重复的浓度值。最近技术发展中的一大关注点是锁定吸收线必须确保激光二极管扫描的波长范围与预期吸收峰的波长范围完全匹配，即使在TDL长时间通电后也是如此，同时不能对其他气体进行测量。采用SpectraIDTM技术进行氧气测量，对3个相邻的吸收峰值进行高度、相对位置和面积分析，然后将这些结果与吸收线的物理模型进行比较。如果两组数据相匹配，那么就存在完美的“DNA 匹配”，从而得出，所观察的吸收峰值就是被测气体的吸收峰（参见图3）。

展望未来

可调谐二极管激光技术正在发挥重要的作用，这是因为它们在测量可靠性方面具有抗干扰、长期信号稳定、几乎无需维护的优势。从供应商的角度看，这意味着大量的革新应用将进一步改进，这一技术在应用过程中更加易于安装与调试，信号更加稳定。

在不久的将来，激光二极管应用于商业产品将为各种气体测量打开新的局面，使TDL成为真正的气体分析平台。