在化工、石化和炼油企业中，可调谐二极管激光分析仪（TDL）正日益普及。它高度可靠，维护工作量小，使其成为用户首选的气体分析技术。然而，在某些过程中，安装位置和工况条件限制了它们的应用范围。拥有一系列独有安装方式的折叠光程TDL可以完成过去无法实现的测量。

近年来，TDL分析仪迅速兴起，成为目前气体分析领域的核心测量技术。TDL可以直接安装在过程中，无需昂贵且维护量大的预处理系统，能够获得快速响应。TDL成为在线、动态气体测量的理想之选。虽然TDL技术发展速度非常快，但是TDL在原位对穿式过程连接方式方面没有太大的突破。

在过程管道或容器上直接安装对穿式激光TDL带来了一些安装和操作方面的挑战和局限性，需要在选择前慎重考虑。

TDL技术使用的局限

安装点和装置尺寸的选择

在考虑对穿式管道安装TDL时，首先考虑的是安装位置。做出决定时，必须考虑在能够获得最具代表性测量数据的安装位置进行测量。然而，如果空间限制或者过程管道的直径较小，就会给安装过程带来挑战。

光学限制意味着，激光发射器与接受器需要对焦管道，以提供所需的焦点距离。这些管道不但把安装和测量局限在较大管道上，而且，由于内部空间较大，还会影响对焦的稳定性，并提高维持分析仪光学元件清洁所需要的吹扫气体消耗量。

光学对焦

即使空间限制不是问题，管道两侧的发射器和接收器装置对焦始终是一个问题。如图1所示，对穿式TDL需要认真对焦，这意味着配套法兰必须在安装之前焊接到管道上，从而增加了过程的成本和复杂性。

为了帮助发射器和接收器装置的对焦，可以使用各种对焦机械装置，从简单、大型、压缩O 型圈到复杂的弹性金属密封设计。必须保证完全对焦；并且，在对焦过程中，需要确认过程管道的完整性，避免对焦过程产生泄漏缝隙，造成过程气体泄漏。

物理质量

安装对穿式TDL非常重要的一个问题是它的尺寸。首先，由于发射器和接收器主体再加上对焦管道（图2）的重量，对焦机械装置会随着时间的推移而下垂，光学对焦效果随之降低。此外，如果容器内壁较薄，就必须添加支架以使其更稳定（图3）。

即使这些因素都得到了彻底解决，如果过程温度变化很大，还是可能会影响对焦，例如，在开车或者有显著升温的过程中。过程容器升温造成内壁弯曲，这种弯曲虽然不明显，但可能导致激光器在过程运行时逐渐与接收器错位，迫使需要重新对焦，这不仅需要额外的费用，而且耗费大量的时间。

为了解决这个问题，可以更改激光束属性，产生发散的光学传播（图3）。虽然这让一部分信号发射到接收器中，但是接收到的信号强度会有所下降。

吹扫气体

另一个主要问题是需要吹扫气体，吹扫气体可以防止过程气流中的颗粒和/或冷凝物污染光学窗口。

大部分对穿式TDL需要对光学元件吹扫，由于大部分的TDL光学元件直径大，需要使用大量的吹扫气体才能保持光学表面的清洁。一般情况下，每侧需要高达50L/min（1.77ft3/min）。如此高的消耗对成本造成了显著的影响。此外，还需要向过程气流中引入大量的稀释气体，可能会导致下游过程的质量或其他问题。

小管道

对于很多过程来说，如果可以直接在小管道上轻松安装TDL分析仪，那将十分理想。由于尺寸、重量、灵敏度和光学设计的局限性，这对大部分原位TDL来说都是一个挑战。通常的仪器最小安装直径限制在DIN 300（12″）。这个限制意味着必须安装横截面合适的变径管道，这又带来其他的问题（压力下降、流速下降等）或者必须安装旁路装置（图4）。

虽然安装旁路装置的方法可以将对穿式TDL安装在小管道内，但这不是理想的解决方案。首先，这种结构中一侧的光学吹扫方向与过程流动方向相同，而另一侧与过程流动方向相反。这会导致光学路径不稳定，从而导致测量出错。其次，吹扫气体通过旁路时，会对过程气体有明显的稀释作用。不可避免地造成测量结果无法真正代表过程气体。此外，这种方法还有其他缺点，例如较高的光学吹扫气体消耗和过程流量控制问题，特别是因为阀门造成管线中意外的压力下降。

光束转向

当激光束穿过不同温度的气体时，密度和折射率不同，光束会在密度改变的界面发生衍射。使用对穿式TDL分析高温气流时，这个现象肯定会发生，因为通常温度分布不均匀，并且光路两端存在高流速的低温吹扫气体。这种激光衍射被称为“光束转向”，会增加信号噪声。这会影响分析仪的测量稳定性，并可能增加对焦过程的复杂性。

如图5所示，过程管道两侧的激光器和接收器已预先对焦（虚线）。当高温过程气体流动时，由于存在不同的折射率，激光束将被衍射，部分光束还可能被反射。这不仅会造成接收器接收到光束的能量损失，而且非常重要的是，激光能量将通过不同光路到达接收器，一些激光甚至可能完全错过接收器。这会使接收器端的激光束和信号的噪声随机波动。此外，多路径信号会进一步增加信号噪声，并造成测量不稳定。因此，除了向测量位置供应吹扫气体需要成本，而且吹扫消耗较高外，在某些情况下，吹扫气体可能会导致接收信号变弱。

一般来说，光束转向会因为过程中温度和压力的升高，以及穿过高温气流的光学路径的增长而加剧。即使没有低温吹扫气体，光束转向也会导致测量质量的显著下降。在许多情况下，长光学路径的优势会被光束转向引入的信号噪声抵消。因此，光学路径应根据过程条件谨慎选择。

如上所述，在计划使用对穿式TDL分析仪时，必须明白，它在安装方面具有很大的局限性。能否解决这些局限性？从而使过程或工厂设施不再迎合分析仪，而是使分析仪去适应工厂。

分析仪如何更具适应性

如何克服上述局限性？一般来说，减轻TDL的重量对解决对焦稳定性和紧凑空间有很大帮助。可以使用一些重量较轻的对穿式分析仪，但它们仍然需要对焦，如果光学元件和光束直径也有所减少，这可能变得更加困难。此外，还需要在管道两侧安装相对法兰，并需要大量的吹扫气体。

提到TDL时，人们通常认为它们一定是对穿式装置。但并非如此，因为还有其他选择。对于大多数过程应用来说，折叠光程TDL（来自传感器头部的激光束被反射回同在传感器头部的接收器中）具有很多优势：

发射器和接收器在同一装置中，而且无需昂贵的连接电缆；

通常采用单法兰安装；

无需管道或容器两侧的对焦；

大大降低吹扫气体消耗量；

尺寸小，易于安装在狭小空间内；

更高的准确性（因为激光束穿过气体两次）；

设计轻巧，消除了对法兰和密封件的压力。

折叠光程TDL（图6）解决了对穿式分析仪的诸多问题。它们所提供的优势大大扩展了测量的范围，克服了以前难以或无法克服的问题。这样的TDL仍然需要吹扫气体来保护光学元件，但是，由于原位探头直径和内部体积较小，吹扫的要求大大降低。对于含有颗粒或冷凝物的气流，仍将需要吹扫，但并非所有过程都需要吹扫。

TDL监测顶部空间

当使用TDL进行顶空监测时，吹扫是关键。这是因为吹扫气体将占据TDL的光路（图7），由于气体是静止的，顶部空间只有微小的循环或流动无法取代吹扫气体。这是很危险的情况，因为这会产生非安全状态；分析仪将始终显示错误的低测量值。因此，为了进行安全有效地测量，就不可能使用吹扫气体。许多顶空和惰化应用不含颗粒，因此，可以不使用吹扫气体。但是，对于对穿式分析仪来说，仍然需要两部分。这样就需要采用旁路或取样式测量系统。

一个更好的解决方法是，使用无需吹扫并且可以通过单个法兰与顶部空间相连的折叠光程TDL。设备光学窗口之间的距离精确确定了光学路径，并且，因为激光束两次穿过气体，可以利用紧凑型探头获得良好的灵敏度。由于无需吹扫气体，光路中的所有气体将具有相同的温度和密度，因此，不会产生光束转向。这可大大改善信号的稳定性和灵敏度。

高温、多尘应用

应用TDL的另一个问题是高温、多尘过程。如果吹扫气体进入过程气体不会引起问题，那么可以用来保护对穿式或折叠光程TDL中的光学元件。但是，低温吹扫气体和高温过程气体混合会产生光束转向。理想的解决方案是尽量取消吹扫的需要（还可简化安装并降低运行成本）。然而，取消吹扫意味着需要用另一种形式来保护光学窗口。这里可以使用具有金属烧结过滤器和挡板的非吹扫折叠光程TDL（图8）。

小管径管道上的应用

在过去，不允许TDL直接安装在小管径管道。即使折叠光程分析仪通常将管道直径限制为最小4″（DIN 100），对穿式分析仪也需要复杂昂贵的旁路装置。创新的在线过程连接方式——法兰式（图9）链接，提供了解决方案。

这一独有的过程连接方式可使TDL安装于直径小至2″（DIN 50）的管道上，不会妨碍过程气流，具有适应高速气流（>25m/s）和抗振的额外优势。

取样式测量系统的过程连接方式

有时，已经有了可用的样品预处理系统，之前用于顺磁或NDIR分析仪，现在想要用于TDL安装。这很有吸引力，原因有很多，它可进行简单的校准/验证（过程可能会具有大量的冷凝物或颗粒）。此时，使用样品预处理系统成为最合适的解决方案。

过去在上述情况下添加TDL分析仪意味着需要安装特定型号，专用的取样式TDL；或者使用可以连接对穿式发射器和接收器的样品池。但这意味着需要一个大的仪表板来安装样品池和分析仪硬件，在墙面空间有限的情况下，这很难实现。另一种情况是计划在安装原位分析仪前，对折叠光程TDL的性能进行测试。

此时，梅特勒-托利多提供的分析设备可以轻松地与取样式或原位式探头连接，无论是吹扫、非吹扫探头，还是在线法兰式。

取样式探头（图10）直接连接至TDL分析仪，组成稳定、固定的预对焦测量池。分析仪既可以做为取样式分析仪连续运行，也可以根据需求更换合适的过程探头，成为原位的分析设备。

结论

虽然TDL具有很多优势，但是由于传统的对穿式原位TDL的过程连接具有局限性，这些优势在实际操作中并不总是存在。这些局限性对TDL应用场合的测量稳定性和完整性带来负面影响，同时这些局限性问题推动了一系列折叠光程TDL创新过程连接方案的开发。