1、概述：云南云為股份有限公司大為制焦甲醇分廠，是利用煤氣生產甲醇的分廠，對測量煤氣管道的氧氣含量嚴格，對測量氧含量的儀表要求精高，可靠性也非常高，如果管道含氧量超標，在壓縮機的作用下，將煤氣壓縮時，煤氣的溫度升高，若氧含量超規(guī)定值,容易發(fā)生燃氣爆炸。管道中的氣體成分有甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、焦油、硫等等。

煤氣管道上兩塊激光紅外線氣體分析儀（氧氣表）的安裝如圖1：

照片如下：

2、 激光紅外線氣體分析儀（氧氣表）的工作原理和結構：

工作原理：是基于管道內氣體分子對測量光的吸收量，每一種氣體會吸收一種波長的光。當被測量氣體的固有頻率的波長在700～2400nm之間時使用二極管激光器，大部分物質在紅外線區(qū)域都有吸收峰，是基于郎伯--比爾定律，

被測量氣體濃度很低時，可寫成

     I=I₀(1-ucL)

u: 被測量氣體吸收光線吸收系數

c:  被測氣體的濃度

L: 測量光路的長度

比爾定律是一個有限的定律，條件是被測量物體為均一的稀溶液、氣體等，無溶質、溶劑及懸濁物引起光的散射；入射光為單色光。

    激光紅外線氣體分析儀（氧氣表）是半導體激光吸收光譜技術，也稱DLAS,半導體激光器發(fā)射出的一定頻率激光（紅外線）穿過被測氣體時，氣體吸收紅外線能量，使其能量減少，不受被測氣體的背景的影響，同時能修正溫度和壓力對測量的影響。半導體激光光譜寬度小于氣體的吸收譜線的展寬。也就是半導體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束穿過被測氣體，被測氣體對激光束進行吸收導致激光強度產生衰減，激光強度的衰減與被測氣體含量成正比，因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。

調節(jié)光譜檢測：調控激光頻率，使其被測氣體的頻率共振，用相敏整流測量被測氣體穿透光線的諧波分類的吸收量。

是基于可調二極管激光器吸收光譜技術，在管道氣體進行連續(xù)在線氣體監(jiān)測的光學儀表。激光氣體分析儀是利用一個發(fā)射器/接收器配置 （彼此安裝完全相反）去測量通過瞄準線路徑的平均氣體濃度。

激光波長穿過一條選定的待測氣體的吸收線被掃描，吸收線認真地選擇，避免其他（背景）氣體的交叉干擾。發(fā)射器和接收器之間光路上的目標氣體分子的吸收不同，激光波長不同，探測光強隨激光波長而變化。為增加其敏感性，采用了波長調制技術。掃描到吸收光線時，激光波長會被輕微調節(jié)。第二諧波信號用于測量吸收氣體的濃度。線振幅和線寬都是從第二諧波線形狀中析取的，這使得測得的濃度對于由背景氣體導致的線形狀變化（線增寬效應）不敏感。

諧波產生的原因主要有：由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發(fā)生畸變產生諧波。

第二諧波信號：諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。諧波的頻率必然也等于基波的頻率的整數倍，基波頻率二倍的波稱為二次諧波，基波頻率5倍的波稱為五次諧波，不管幾次諧波，都是正弦波。

第二諧波信號是計算氣體濃度的信號，該信號用來對吸收光譜吸收的檢查和分析，故障診斷，激光器作用的驗證。

氣體的濃度：測量的是體積濃度，與體積、壓力、溫度有關。遵循氣態(tài)方程，

      　　　　　 ＰＶ＝ｎＲＴ

狀態(tài)參量 、體積Ｖ、壓強Ｐ和 絕對溫度Ｔ之間的關系

　　　　　　　　?。校剑遥危裕郑?/span>_Ａ＝ ｎｋＴ

　　　　　　　　?。校剑?/span>/３*ｎｑ

　　　　　　　　　ｑ＝３/２*ｋＴ　　　　　　　　　

n是理想氣體 物質的量

Ｒ是 氣體常量，不同狀況下數值有所不同．

Ｐ為理想氣體壓強，單位P_a　　

Ｖ為氣體體積，單位m³　

Ｔ為體系溫度，單位K　

原理示意圖如下：

     從圖中看到，激光紅外線氣體分析儀電路與其它測量儀表一樣，有數據釆集、數據處理電源電路、輸出電路，不同的是有一個半導體激光電路。

    氮氣分為二路，一路經二極管進入工藝管道，吹掃工藝介質防止沾在鏡片上，另一路進入有電路板的盒中，防止可燃氣體進入盒中，發(fā)生爆炸。

　　　結構：激光紅外線氣體分析儀包括三個獨立的單元：帶有吹掃的發(fā)射單元；帶有吹掃的接收單元；電源供應。

發(fā)射單元包括帶有溫度穩(wěn)定二極管激光器的激光模塊，校準模塊。包括接收器電纜和輸入/輸出端子，接收單元包括一個聚焦透鏡，光電探測器。發(fā)射單元和接收單元和最大能夠承受5bar壓力（絕壓）的標準光學視窗。分析儀是通過所提供的吹掃或校準單元來裝配發(fā)射單元和接收單元的，光學校準非常容易而且很可靠，同時吹掃防止灰塵和其它污染物落在光學視窗上。電源供應盒子通過Ex-p控制系統(tǒng)連接到發(fā)射器盒子上。氣體溫度/壓力傳感器上的4-20 mA 輸入信號被連接到發(fā)射單元里面的端子上，

發(fā)射單元與接收單元用一根電纜連接。從光電探測器探測到的吸收信號是增強的，并且通過這條電纜輸送到發(fā)射單元，同時也是一條供電電纜。發(fā)射器包含了CPU板執(zhí)行板、儀器的控制和氣體濃度的計算。主板上合并有儀表操作所需要電子單元，比如二極管激光電流和溫度控制和模擬數字信號轉換，LCD顯示器連續(xù)地顯示氣體濃度、激光束傳輸和儀表狀態(tài)。RS-232端口可用于與個人電腦直接串行通信，用于以太網板通過局域網提供TCP/IP 通信，這樣它就可以用來代替串行通信。輔助板提供輸出選擇，如氣體濃度測量和激光束傳輸（后者可選）的4-20mA電流輸出。

氮氣的作用：吹掃氣是通過安裝正壓氣流經由法蘭進入管道從而保持儀表視窗清潔。吹掃阻止顆粒沉淀在光學視窗上污染視窗，吹掃氣體必須是干燥、干凈的，達到足夠的測量準確性必須把待測氣體從內部的測量路徑上去掉。否則會使測量結果偏高或波動増大。防爆氣是加在發(fā)射端和接收端電子單元的正壓氮氣，一是防空氣進入兩端金屬盒中，防電氣火花和影響測量精度，二是對激光器降溫。

    3、原理的解釋，任何物體的分子、原子等各種粒子都在做布郎運動（運動都是力的作用的結果），分子、原子都是帶電的、運動的，帶電粒子運動就產生電磁波。若原子、分子不帶電的運動就是引力波，實驗和受力分析證明原子、分子是帶電的，都是電磁波，紅外線也是電磁波，根據波相互干擾的定律，兩種電磁波相遇會產生干擾波峰、波谷相疊加的效應。

 以氫原子為例說明原子的帶電性，氫原子是由一個氫原子核（帶正電）和一個核外電子（帶負電）組成，那么氫原子核有一個正電場（+E），電子有一個負電場（-E），如圖2所示：

按現有理論，正 負電荷抵消是AB區(qū)域，其它區(qū)域是不會扺消，則是帶電的，何況原子核的電場方向向外，電子的電場方向向內，那么AB區(qū)域內的C點的電場強度：

   Ec = +E₊c – (-E-c)  是一推一拉效果

 則：  Ec = +E₊c +E-c     

Ec：C點的電位   +E+c：正電場C點的電位   -E-c：負電場C點的電位

C點的電位是原子核正電場與負電場相加，故原子對外顯電性。正、負電場是一種物質，抵消作用是有新的物質產生，就象打雷一樣，消耗能量和物質，那么電子還會自由地繞原子核運行嗎。

原子核帶正電荷，電子帶負電荷，電荷是一種物質，根據物質不滅定律，那么，正、負電荷能抵消嗎，答案是不會，故原子、分子是帶電的，由原子、分子組成的物質、物體也是帶電的。由于電子是繞原子核自由的、無規(guī)則的運動，若在某一位置正、負電荷抵消了，那么電子離開某一位置到一新位置，又抵消了，如果電子繞原子核轉360度，電子本身也在自轉，都抵消了，最終原子核和電子的電荷都抵消了，那么原子核還帶正荷和電子還帶負電荷嗎？抵消了就沒有電荷了，所以原子核和電子就不再帶電荷了，那么下一時刻原子核還帶正電荷嗎？電子還會帶負電荷嗎？若抵消了，還有電荷可帶，是誰補充的呢？你說對不對的。

原子、分子是帶電的，那么原子之間、分子之間的力則電磁力，萬有力是微小的電磁力，電磁力是大的萬有力。原子、分子是一個電磁場，由原子、分子組成的物質、物體才是一個電磁場，由物質、物體組成的地球才會是一個大的電磁場，宇宙是一個電磁場。若原子、分子不是一個電磁場，地球、宇宙也不會是一個電磁場。

磁鐵的南、北極（異性）在一定距離范內，它們之相的引力開始有，距離越來越小，引力越來越大，最后南、北兩極吸緊沾在一起，成為一體，南、北之間的磁性抵消了嗎？沒有吧。若抵消了，就沒有了磁性嗎，你用鐵釘試一下，一定有磁性吧，證明磁性沒有抵消。

電荷也一樣，正、負電荷也是不能抵消的，可用任何一種毫伏電壓表（電位差、示波器等）測量任何自然物體、任何兩點的電壓，均有幾十毫伏到五百毫伏示值，有過零點，不是永久（1秒左右）零點，而且是隨時變化的。毫伏電壓表是有兩個表筆，則一個參考電位點，另一個則是測量點，參考電位點的電位到底是多少，都不知道。零電位是定義的，是定義無限遠處的電位為零，測量處的電位不為零，那么，無限遠處也可定義測量處為零，實際上測量處不為零，固定的不變化零電位處是不存在的。大家（教課書）定義大地的電位為零，大地也沒有真零點的點。

即然沒有不變化零點，那么就沒有不帶電的物質和物體，帶電粒子的運動，則有電磁波，所以，任何物質和物體運動就有電磁波。    

    當電子由遠靠近原子核時，正、負電荷的電場重疊部分越來越多，電場物質的密度越來越大，彈簧壓縮了單位長度的圈數越多，彈簧對外的斥力就越來越大，原子核對電子的排斥力越來越大，引力越來越小，使電子遠離原子核，反之，電子遠離原子核時，排斥力越來越小，引力越來越大，使電子靠近原子核，原子核與電子不能相吸成一體，電子也不能離原子核遠去，電子在離原子核一定的區(qū)域內次數最多，彈簧拉伸了單位長度的圈數越少，彈簧對外的引力就越來越大。在正常工作時，彈簧相鄰兩圈是不可能粘在一起，或遠離而去，超過正常范圍就有非正常的工作過程。

摩擦是生活、工作中常見的一些現象，摩擦使噪音增大，熱量增大，電磁力或波形增大。

4、 安裝：安裝示意圖如圖3，在圖3中， 

圖3中，L是測量有效距離，發(fā)射端與接收端是在同一水平上，經過管道真經，管經減有效測量距離L是小管道，小管道中的測量氣體用吹掃氮氣吹岀，保征了測量精度和發(fā)射頭和接收頭不被測量氣體污涂。

圖3中，閥門是不銹鋼的球閥，防爆氣、吹掃氮氣氣管用直經為8mm的不銹鋼管，少于8mm，氮氣的壓力不夠（少于0.18MPa）氮氣的功率不夠，吹不了小管道中的被測量氣體，等效測量距離加長，使被測量氣體中的氧氣含量偏高。若發(fā)射端和接收端不在經管經同一水平線上，被測量氣體的流動狀態(tài)不是層流，產生摩擦，使附加誤差增大。兩塊測量儀表的氮氣是一根管道里的氮氣，沒有分枝管道。

當然，各接頭處更不能漏氣。

5、調校：調校零位接線圖如圖4，是通99.99%的氮氣，輸岀為4mA  

調校量程的接線圖如圖5，通入量程氣使儀表輸岀為20mA   

兩塊激光（紅外線）氣體分析儀（氧氣表）調校合格。

    在使用過程中，紅外線發(fā)射頭（二極管）和紅外線接收頭易氮氣在雜質（油）污涂，用酒精清洗即可，發(fā)射頭和接收頭的玻璃易被測量氣體（焦油）污涂，用肥皂水清洗。

6、故障現象：

故障現象是同一正壓管道、同一種煤氣表2的指示值比表1的指示值偏高。表1的記錄曲線如下照片所示：紅色記錄曲線

正常時表2的指示值如下照片所示：蘭色記錄曲線

若稍開一下氣柜的聯通閥門時，表1沒有變化，而表2卻有變化，其波動幅度加大，藍色記錄曲線，如下照片所示：

在該照片上畫一根紅線，是氧含量的平穩(wěn)線

在該曲線中看到，前面的記錄曲線是平穩(wěn)的，而開閥門時，平穩(wěn)線以上是氧含量增加了，平穩(wěn)線以下是氧含量減了，増加、減少的波動，增加的氧量從何而來，那減少的氧量又去那里了，是在密閉的管中，而且是正壓的情況下，空氣是進不了管道中間，氧氣也是跑不管道的，沒有漏點。

若表2處煤氣積液時，記錄曲線照片如下所示：

從波動曲線前、后比較看，表2曲線中氧氣高岀的氧氣從何而來，少的氧氣又去那里了？工藝人員只開了一下聯通閥門，讓裝紅外線激光氣體（氧氣）分析儀的后管的液體通過該聯通閥門的一些開度流向導淋管影響測量結果（偏高或石穩(wěn)定）。

炭黑的激光（紅外線）氣體分析儀（氧表）與甲醇壓縮機入口的激光（紅外線）氣體分析儀（氧表）是同一個型號，安裝位置如下所示：

 安裝位置

 樣氣處理裝置，處理樣氣中水和炭粉。

工藝介質（煤氣）若水份稍多一些，指示偏高和波動，如下照片所示

左邊是取樣裝置中水份、炭粉多，波動大，且偏高。右邊是排水、炭粉后的情況。若進氣量?。ㄈ娱y堵），指示偏低，排水、排炭粉后指示正常，與手動分析相符合。

7、分析：波的干涉，是一種物理現象，頻率相同的兩列波疊加，使一些區(qū)域的振動加強，另一些區(qū)域的振動減弱，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域相互隔開。當兩列波的波峰和波峰（波谷和波谷）相遇時，振動加強，當波峰和波谷相遇時振動減弱。氣體中（被測量氣體）的氣體分子到兩波源（一個發(fā)射頭，一個是摩擦處）的距離之差為波長的整數倍，則該氣體分子的振動是加強的；氧氣體分子到兩波源的距離是半波長的奇數倍，則該質點的振動是減弱的。 

煤氣（含氧分子）不論是靜止還是流動的，氣體分子總是運動的（熱運動），運動時氣體分子頻率和幅值比靜止時大，帶電粒子運動有電磁波。由于分子和原子都是帶電的，故它們運動時的電磁波都增大，

紅外線是電磁波，一切波都能發(fā)生干涉，包括水波、聲波、光波等等。干涉是波特有的現象。兩個波相遇時，就會產生干涉和衍涉現象，在這只說干涉，共振是干涉的一種。頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強，某些區(qū)域的振動減弱，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域相互隔開。這種現象叫做波的干涉。

產生干涉的條件是，兩列波的頻率必須相同并且有固定的相位差。如果兩列波的頻率不同或者兩個波沒有固定的相位差（相差），相互疊加時波上各個質點的振幅是隨時間而變化的

設有兩個頻率相同的波源S₁和S₂，振幅分別為A₁和A₂，初周相分別為φ₁和φ₂其振動表達式為Y1和Y2：

　　Y₁(S₁，t)=A₁cos(ωt+φ₁)

　　Y₂(S_2，t)=A₂cos(ωt+φ₂)

　　傳到某一點B引起的振動為：

　　Y₁(B，t) = A₁cos(ωt+φ₁)

　　Y₂(B，t) = A₂cos(ωt+φ₂)

　　在B點的合成振動為：

　　Y=Y₁±Y₂

= A₁cos(ωt+φ₁) ±A₂cos(ωt+φ₂)

=( A₁±A₂ ) cos(ωt+△φ)

=Acos(ωt±△φ) 

同頻率的兩波源在同種介質中產生的兩列波，波長相同。這兩列波的波峰和波峰（波谷和波谷）相遇處，振動加強；波峰和波谷相遇處振動減弱。

開一下氣柜的聯通閥門時，氣體的流動狀態(tài)發(fā)生更大的改變，摩擦更大，分子運動更加激裂，溫度升高更快，紅外線的變化幅度變大，氧氣分子的波動幅度更大，若與外加的紅外線頻率一致，則會共振，示意圖如下

若波形1為外加波（紅外線）的波形，波形2為氧氣分子的波形，二者波形的頻率相等時，波形相遇時，則會共振，幅值變大了，成為合成波形。電氣、電子電路中，共振現象稱為“諧振，工藝上有嗆振的，幅值加大，所以從波的幅值看，氧含量是增加和減少了，而實際上煤氣中的氧含量并沒有增多，只是煤氣的摩擦加大，導致煤氣中的氧含增多的假像。

由于氧氣體分子的運動是隨機的，那么氧氣分子的頻率是在一定范圍內變化的，運動就有摩擦，摩擦使氧氣分子電磁波的幅值變大。

表1是裝在層流的管道上，而表2則裝在紊流的管道上，表2前面的直管沒有大于5倍管徑距離，后面也沒有大于2倍管徑距離。由于兩塊測氧表的管道互相成90度角，則氣體的流動由層流（表1）轉換成紊流（表2），使氣體的摩擦加劇，氧氣分子的電磁波頻譜加寬，振幅加大，當流體改變時，測量氧表的指示值就變化，實際煤氣管道中的氧氣含量（正壓）是沒有發(fā)生任何改變的，氧氣即不可能增加，更不可能消失。

激光紅外線測氧表發(fā)出是紅外線電磁波，用來測量的是氧氣分子的電磁波，是氧氣分子帶電粒子的運動狀態(tài)（即電磁波狀態(tài)），根據波的干涉性質，所以在管道中氧氣的含量沒有改變的，測氧表的指示值增加或減少，是因為氧氣運動的狀態(tài)發(fā)生改變。

若氮氣中的氧氣含量增加時，從上面的結構得知，紅外線激光氧分析儀的輸岀值也會增加。

鏡片上有異物,如焦油、萘、蒸汽，透光就會下降，指示偏高。

若氮氣管路漏，氧含量指示則偏高，氮氣流量越大，指示偏得越高。做一個實驗，在瓶裝氮氣瓶出氣口旁放細線，如細聚四氟乙烯絲發(fā)帶絲，當開啟氮氣閥門時（高壓），高壓氮氣從出氣口噴射而出，可觀察到細聚四氟乙烯絲發(fā)帶絲，會被高壓氮氣吸入出氣口內也上。當然也就能吸入空氣，所以氧氣指示值偏高。

若氮氣的功率不能達到要求時，如壓力小于0.25MPa，而氮氣管的管徑是六毫米，指示值就會偏高。

樣氣中含液多，指示也偏高。

安裝不正，發(fā)射端與接收沒有對正，紅外線的透光就會偏低。調整螺桿螺帽的松緊度，但不能漏氣。

如果管道是南、北走向，那么儀表則是東、西安裝，由于地球的轉向，西邊的沉積物會比東邊多。

若氮氣中含油時（常見現象，是氮壓機中帶油所致）油是會吸收紅外線的能量，故顯示偏高。郎伯--比爾定律：

     I=I₀(1-ucL)

 氮氣中的油吸收系數u變大力，紅外線的能量吸收增多，表現為氧含增多。

當紅外線測氧表工作時，氧分子運動的電磁波與紅外線激光（電磁波）相遇時，根波相互干憂性質可知，二者的電磁波就互相干涉，當也就產生諧波，諧波有二次、三次、五次等。波有頻率、幅值和相位三要素。若二者頻率相同則會共振，幅值則相加，若相位相反時，幅值相減。反之、相位相同幅值相加，所以外加光線頻率與元素的原子、分子的共振頻率一致，就吸收光線的能量。發(fā)射端發(fā)射紅外線的能量一定時，被測量的氣體吸收了紅外線的能量后，到接收端的能量就要減少。如果氣體運動狀態(tài)改變，氧分子運動加?。Σ了拢醴肿拥碾姶挪ǚ燃哟?，頻率升高，故有上述變化曲線。

氮氣的過濾減壓閥不能漏，若漏，指示值會偏高。