激光分析仪用于电捕焦油器安全监控系统

仪器仪表用户　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－１０４１．２０１２．０２．０１０　激光分析仪用于电捕焦油器安全监控系统　张保盛　（山西德力信电子科技有限公司生产服务部，山西洪洞０４１６０６）　摘要：论述了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的激光分析仪的工作原理、仪器结构及突出优势，介绍了在焦化企业的应用。　关键词：激光分析仪；可调谐半导体激光吸收光谱；正压防爆；电捕焦油器　中图分类号：ＴＩ－Ｉ２９　文献标志码：Ａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｉｎ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｔａｒ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｂａｏ—ｓｈｅｎｇ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｄｅｋｉｓｅｎ　Ｅｌｅｅｔｒｏｎｉｃａｌ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，ＬＴＤ．ｒＩ＇ｈｅ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，　Ｈｏｎｇｔｏｎｇ　０４１６０６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｕ￣ｔａｎｄｉｎｇ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ａｎａｌｙ－　ｚｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｄｉｏｄｅ—ｌａｓｅｒ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｏｆ　ｌａ－　ｓｅｔ，ｉｎｔｒｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｏｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｋｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｒ；ｔｕｎａｂｌｅ　ｄｉｏｄｅ－ｌａｓｅｒ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｔａｒ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ　化交通管制。软件上采用ＲＳＥｏｇｉｘ－５０００编程软件采　用梯形图编程，实现设计所要求的功能。其人机界面　十分友好且拥有很多独特的功能模块，能够帮助编程　者尽量简化程序长度，从而提高了程序的可靠性。监　控界面采用ＲＳＶｉｅｗ３２组态软件，利用其良好的通用　性及可扩展性完成了系统的监控功能。Ｒｏｃｋｗｅｌｌ系　图４软件设计的功能框图　统实现的交通灯控制具有较强的抗干扰能力，系统结　构简单紧凑，可靠性高。口　参考文献　［１］任重．城市交通道路信号控制和监视系统设计［Ｊ］．　中国水运，２００７，（１）：１３８—１３９．　［２］石京．城市道路交通规划设计与运用［Ｍ］．北京：人　民交通出版社，２００６：３０－７０．　４．３监控软件设计　在完成梯形图编程之后，必须通过ＲＳＶｉｅｗ３２组　态软件与梯形图建立相对应的联系，通过设置按键、　图表、显示窗口的途径对梯形图程序实现结果和各种　中间参数实行实时监控，并能对实际电路中交通灯的　各种状态加以模拟。　［３］洪清辉，何燕阳．基于ＰＬＣ的交通灯智能控制［Ｊ］．漳　州师范学院学报（自然科学版），２００５，（３）：６６－６９．　［４］Ｌｏｇ￣ｘＳ０００控制器指令参考手册［ｚ］．Ａｌｌｅｎ—Ｂｒａｄｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｉｎｃ，２０００：２３－２６．　５　结束语　本文提出了一种交通灯控制系统的设计方案，采　用Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自动化控制系统的三层网络结构，以太　网将与控制计算机相连接，作为控制中枢，控制网除　连接系统自带的辅助设备外，主要起到使以太网和设　［５］Ｄａｖｉｄ　Ａ．Ｇｅｌｌｅｒ．可编程序控制器原理与设计［Ｍ］．北　京：清华大学出版社，２００６：５８－６２．　［６］唐贤伦，仇国庆，等．基于ＲＳＶｉｅｗ３２的交通灯监控系　统的设计与实现［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２００５，（２）：　８—１Ｏ．　［７］周万珍．ＰＬＣ分析与设计应用［Ｍ］．北京：电子工业　出版社，２００４：３０－６２．　作者简介：马正彪（１９８３・），男，主要从事油气田检测及环境监　测工作；李明海（１９８４－），男，中海石油（中国）有限公司湛江分　备网完成通信的目的，所有的交通灯、传感器将连接　到设备网，完成在正常情况和紧急状况下对十字路口　和丁字路口两路口红绿灯进行交通控制的基本任务。　实现的系统能根据南向来车的等待车队长度判断是　否改变现行控制策略，进行智能优化分流操作及人性　欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息　公司涠洲油田作业区，主要从事油田仪表自动控制系统研究。　收稿日期：２０１２４）１—１１　ＥＩＣ　Ｖｏ１．１９　２０１２　ＮＯ．２　２７　旦　遮进盛墨日　仪器仪表用户　Ｏ　引言　电捕焦油器在焦化企业回收系统中起着重要的　于被测气体吸收谱线的宽度，在一次频率扫描范围中　包含有不被所测气体吸收谱线衰减的谱线（图１中的　作用，可以回收焦炉煤气中焦油，而且保证后续工段　“Ｉ”区）和被所测气体吸收谱线衰减的谱线（图１中　的正常生产。电捕焦油器的工作原理是利用高压气　的“Ⅱ”区）。从“Ｉ”区得到的测量信号可以获得粉　体的电离并在电场力作用下，使焦油等从气体中分离　尘和视窗的透光率Ｔｄ，从“Ⅱ”区得到的测量信号可　出来…。焦炉煤气是一种易燃易爆物质，正常生产　以获得粉尘和视窗以及被测气体的总透光率Ｔｇｄ：　时，氧含量较低，不会引起爆炸，氧含量超标时，易超　Ｔｄ×Ｔｇ。因此，激光气体分析系统通过在一个激光频　过爆炸下限，发生危险，因此为保证电捕焦油器的安　率扫描周期内对“Ｉ”、“Ⅱ”两区的同时测量可以准　全运行，及时准确地监测焦炉煤气中的氧含量，并在　确获得被测气体的透光率Ｔｇ＝Ｔｇｄ／Ｔｄ，从而自动修　氧含量过高时及时联锁停车意义重大。　正粉尘和视窗污染产生的光强衰减对气体测量浓度　的影响。　在焦化行业，传统的测量方法是采用顺磁氧分析　仪测量Ｏ，含量，顺磁氧分析仪通过测量｝昆合气的体　积磁化率得到氧气浓度值，对分析气体有较高的要　求，需要配套复杂、昂贵的采样装置和预处理系统以　保证进入分析仪表的气体洁净、干燥、稳定。与传统　的氧分析仪相比，基于ＴＤＬＡＳ技术的ＬＧＡ－４５００激光　分析仪，可以实现现场原位测量，不需要复杂的预处　理系统，测量准确，响应速度快，测量焦炉煤气中的氧　气含量具有明显的优势。　１　ＬＧＡ４５Ｏ０激光分析仪的测量原理　ＬＧＡ－４５００激光气体分析仪是基于可调谐半导体　激光吸收光谱（ＴＤＬＡＳ）技术，利用激光能量被气体分　子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓　度。由半导体激光器发射出仅能被被测气体吸收的　激光束，当穿过被测气体时，激光强度的衰减与被测　气体的浓度成一定的函数关系，因此，通过测量激光　强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度　。　１．１单线光谱技术　“单线光谱”测量技术利用激光的光谱比较窄，　远小于被测气体的吸收谱线的特性，选择某一特定波　长的吸收光谱线，在所选吸收谱线波长附近没有测量　环境中其它气体组分的吸收谱线，避免这些背景气体　组分对该被测气体的交叉吸收干涉，图１是“单线光　谱”测量原理图。　褫翠　一被删气体■翼它气外　图１“单线光谱”测量原理图　１．２激光频率扫描技术　激光分析仪通过调制激光频率，周期性地扫描过　被测气体吸收谱线，把激光频率的扫描范围设置成大　２８　ＥｌＣ　Ｖ０１．１９　２０１２　ＮＯ．２　１．３谱线展宽自动修正技术　在气体温度和压力发生变化时，被测气体谱线的　展宽及高度会发生相应的变化，从而影响测量的准确　性。通过输人４－２０ｍＡ方式的温度和压力信号，分析　仪能自动修正温度和压力变化对测量的影响，从而保　证了测量数据的精确性。　２　系统组成　ＬＧＡ－４５００激光气体分析仪主要由发射单元和接　收单元组成。该系统最大的特点是没有中央处理单　元，中央处理单元的功能被整合到发射单元中，整套　系统显得很紧凑、简单，并且所有组成单元均集中安　装在测量现场，安装、调试和维护都比较方便，同时大　大减少了单元间连接电缆的长度。系统组成框图如　图２所示。　图２系统组成框图　２．１发射单元　发射单元由人机界面、激光器驱动模块、中央处　理模块、半导体激光器和精密光学元件等器件组成，　主要实现半导体激光发射、数据处理和人机交互等　功能。　２．２接收单元　接收单元由光电传感器、信号处理模块、电源模　块和精密光学元件等部分组成，主要功能是接收传感　欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｉｃ．ｃｏｍ．ｃａ　墨　壹旦　信号，并将光谱吸收信号传输至发射单元进行处理。　２．３吹扫单元　现场测量环境较为恶劣，为了能够保证分析仪长　期连续运行，需用吹扫气体对发射和接收单元上的光　学视窗进行吹扫，避免测量环境中粉尘或其它污染物　对视窗造成严重污染。吹扫单元由过滤器、减压阀和　稳流装置等组成，可为分析仪的吹扫气体和正压气体　提供稳定流量的吹扫气源。　２．４正压单元　图３吹扫示惫图　１）玻片吹扫：吹扫气体从仪器法兰上的吹扫单元　进入维护球阀，在玻片前形成一个气幕（图３中浅灰　由于激光分析仪应用于存在爆炸可能的危险场　色部分），保证了过程气体不会进入吹扫内棒和球阀，　合，需要进行专门的防爆设计，以达到危险性环境的　应用要求。防爆型的激光气体分析仪的接收单元上　内嵌了正压控制模块，该模块采用隔爆设计，内置压　力传感器、信号处理、电源控制和信息显示等模块，可　对发射和接收单元内部的正压防爆气体的压力情况　进行实时检测和控制，确保分析仪在危险场合的安全　使用。　２．５安装法兰和维护切断阀　发射、接收单元通过连接锁箍与连接单元（或标　定单元）连接，连接单元由吹扫接口、光路调整机构、　维护切断阀门和安装法兰等组成。在对发射单元进　行清洁或其他维护时，维护切断阀门可起到隔绝过程　管道和操作环境，防止危险气体泄漏的作用。　３现场安装应用　３．１测量点的选择　通常液体流体流过弯头、三通、阀门时，流速分布　湍急而紊乱，称为紊流状态，通过直管段时，流速趋于　稳定。基于流体力学理论，足够的直管段可确保流速　分布较稳定，可获得较高的测量精度。因此测量点前　应选用至少五个管道直径，测量点之后两个管道直径　的管段上。　３．２分析仪的安装布局　激光分析仪安装时只需将发射单元和接收单元　标准法兰对准固定在被测管道的两侧，即可以实时分　析。【３　发射单元发出的激光束穿过被测气体，被安装　在管道相对方的接收单元接收，获得的测量信号经过　分析处理得到气体的浓度信息。测量结果可以用４－　２０ｍＡ的标准电流信号或通过ＲＳ４８５接口以数字信　号的形式输出。　分析仪要求两侧开孔位置相对，位于管道的两　侧，发射单元和接收单元用接收器专用的电缆连接。　３．３氮气吹扫　吹扫气体必须用干净干燥的氮气进行吹扫，示意　图如图３所示。我公司有专门的空分装置，可提供吹　扫用的氮气，不需要额外投资。　欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息　保证玻片的清洁，防止过程气体的粉尘和杂质沉淀下　来，造成堵塞，使激光不能正常通过。　２）正压防爆作用：在仪器的发射单元引入吹扫气　体，并引入接收单元，通过接收单元排空，使仪器内腔　相对外界来说是保持正压，保证外界可能出现的可燃　气体无法进入仪器内腔，从而起到正压防爆的作用。　正压压力必须大于等于５００Ｐａ，并保持１５分钟以上，　分析仪才正常上电工作。　４突出优势　激光分析仪从根本上解决了采样预处理带来的　滞后、维护量大、易堵易漏、运行费用高等问题，具有　明显的优势：　１）原位测量，省去了复杂地预处理环节，响应速　度快，便于现场维护。　２）可自动补偿温度、压力的变化对测量结果的影　响，检测灵敏度高。　３）安装标定简单，响应速度快。　４）系统整体的模块化设计，便于故障诊断。　５）配有安全防爆的正压吹扫单元，保证设备的安　全运行。　５结束语　ＬＧＡ－４５００激光气体分析仪采用可调谐半导体激　光吸收光谱（ＴＤＬＡＳ）技术，从根本上解决了采样预处　理带来诸如Ⅱ向应滞后、维护频繁、易堵易漏、易损件多　和运行费用高等问题，特别适合高温、高粉尘、强腐蚀　等恶劣环境，并具有检测灵敏度高，响应速度快，可现　场更换所有功能模块，操作、维护方便等优点，对电捕　焦油器的安全运行具有非常积极的作用。口　参考文献　［１］李芳升，王邦广．电捕焦油器的工作原理和结构设计　［Ｊ］．燃料与化工，１９９８，２９（３）：１４９－１５４．　［２］张进伟，陈生龙，程银平．可调谐半导体激光吸收光　谱技术在脱硝微量氨检测系统中的应用［Ｊ］．中国仪　器仪表，２０１１，（３）：２６－２９．　ＥｌＣ　ＶＯＩ．１９　２０１２　Ｎｏ．２　２９　口科研设计成果口　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－１０４１．２０１２．０２．０１　１　墨　麦用　基于激光散斑的多普勒效应实验装置设计　韩定安，杨明生，曾亚光　（佛山科学技术学院电子与信息工程学院光信息工程系，佛山５２８０００）　摘要：本系统基于散斑干涉技术。通过ＬａｂＶＩＥＷ和Ｍａｆｌａｂ混合编程。设计了处理数字散斑的系统。通过Ｍａｔｌａｂ实现图像　处理程序调用。在ＬａｂＶＩＥＷ下进行散斑图像采集和图像处理参数的设定。完成散斑图的处理。本系统设计理念新颖。采用　了基于ＣＣＤ的非接触测量。能够实现实时测量。该系统的原理可以应用于生物医学光学成像、微小粒子测量等领域。　关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；Ｍａｆｌａｂ；激光散斑　中图分类号：ＴＮ９１１．７　文献标志码：Ａ　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｏｐｐｌｅｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ＨＡＮ　Ｄｉｎｇ—ａｎ，ＹＡＮＧ　Ｍｉｎｇ—Ｓｈｅｎｇ，ＺＥＮＧ　Ｙａ—ｇｕａｎｇ　（Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｆｏｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｏｓｈａｎ，５２８０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｃｏｎｈｅｒｅｎｃｅ，ｗｉｔｈ　ＬａｂＶＩＥＷ　ａｎｄ　Ｍａｔｌａｂ，ａ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｈａｎｄｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｕｓｉｎｇ　Ｍａｔｌａｂ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｇａｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｉｍａｇｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｉｔ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＣＯＤ，ｗｅ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｂｉｏｍｅｄ－　ｉｃａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ，ｔｉｎｙ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶｌＥＷ；Ｍａｔｌａｂ；ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｋｌｅ　Ｏ　引言　本实验设计一种激光散斑应用系统，尤其是设计　一流速多普勒效应的实时观测。　种可以对图像数据采集和处理的系统。当激光入　１　动态激光散斑的多普勒基本原理　利用ＬａｂＶＩＥＷ的数据采集系统将不同流速下散　射到散射液体中时，由于散射液体存在微小气泡或者　空隙，产生散射液体的内干涉，导致空间光强不均　匀¨ｊ。当散射体没有运动时，这种内干涉是不随时　间变化的，也就是空间的光强不会变化。通过ＣＣＤ　斑图的信息记录下来，通过使用Ｍａｔｌａｂ处理信息的　功能，对相同像素点下的散斑图信息进行处理　。　在静止的情况下，基频的频谱有一个明显的峰值。在　运动的情况下，频谱峰值出现移动，频谱移动的距离　对应着液体的运动速度，进而从处理的图像上可了解　到多普勒效应。　散斑是干涉图像的一种情况¨ｊ。当光入射到散　采集一定时问序列的信号，再将它进行傅里叶变换，　其频域信号位于零频处；当散射体运动时，内干涉的　信号将随时间变化，即空间的光强会发生变化，变化　的快慢跟液体流速存在一定的关系。通过将采集到　的时序信号进行傅里叶变换，其频域信号会从零频移　出，频移的大小对应于液体流速。本实验正是利用激　光散斑的特性来演示多普勒效应。本实验采用基于　ＣＣＤ的非接触测量，结合计算机技术，实现了对液体　［３］孙红．在线氧气分析监测系统在５０ＭＷ燃气蒸汽联合循　环发电机组［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２０１０，（１）：１５３—１５５．　［４］乐嘉谦主编．仪表工手册［Ｍ］．第２版．北京：北京化工出　版社，２００３．　射液体中，由于液体中存在微小气泡和空隙，产生内　干涉，导致光强在空间分布不均匀。当散射介质静止　时，干涉光强不会随时间变化。当光入射到运动的散　射液体中，干涉光强随时间变化　Ｊ。按照干涉的基　业出版社，１９９２．　［７］朱明华，胡坪著．仪器分析［Ｍ］．第４版．北京：高等教育　出版社，２００９．　作者简介：张保盛（１９７０．），男，工程师，山西德力信电子科技　有限公司，１９９５年７月毕业于太原工业大学自动化系，学士　［５］王森主编．在线分析仪器手册［Ｍ］．第１版．北京：化学工　业出版社，２００８．　学位，现从事自控仪表系统的技术开发和管理工作。　收稿日期：２０１１—１２—１４　欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｃａ　［６］郭振宇编．自动成分分析仪表［Ｍ］．第２版．北京：化学工　３０　ＥＩＣ　ＶＯＩ．１９　２０１２　Ｎｏ．２