四方光電長期專注于氣體傳感器以及高端氣體分析儀器的研發和產業化,逐步建立了包括紅外、紫外、熱導、激光拉曼、TDLAS、超聲波、電化學、MEMS金屬氧化物半導體等原理的氣體傳感器技術平臺。

在第一臺激光器誕生60多年后的今天, 隨著激光光源、探測技術、實驗裝置和數據處理等各方面技術的飛躍發展, 激光光譜技術作為微觀感知領域的核心技術, 已經成為物理、化學、生物、環境以及天文學等領域中研究光與物質相互作用的重要手段, 從實驗室基礎研究到各領域應用第一線都扮演著無可替代的角色。

拉曼光譜技術早有布局,突破工業過程氣體分析技術瓶頸

在工業過程氣體監測領域,傅里葉紅外(FITR)、質譜(MS)、氣相色譜(GC)等原理的氣體分析儀各有優點。傅里葉紅外技術一個氣室很難適合不同的量程,也無法分析H2、02、N2甚至不同的碳氫化合物;質譜分析技術對于同質量的氣體分子識別度很低;氣相色譜分析需要載氣,對于不同類型氣體需要切換不同的分離柱。而得益于激光技術的普及以及各種高精度光譜分析模塊的出現,激光拉曼光譜氣體分析技術發展迅速。該產品主要定位于石油天然氣、頁巖氣、石化、大型煤化工等工業過程高端市場。

四方光電副總經理、高級工程師石平靜向記者介紹:隨著我國對大型能源裝備國產化要求的提高,針對高端氣體分析儀器領域進口替代需求,為加快解決激光拉曼光譜氣體分析儀在不同行業的應用問題,公司早在2012年就開始著手激光拉曼光譜氣體分析儀的研究,并作為牽頭單位實施國家重大科學儀器設備開發專項“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發與應用”項目。通過開發專項的研發,四方光電形成了包括光路及光譜分析、拉曼信號增強、拉曼分析測控軟件、智能算法等技術,解決了激光器功率、溫度、壓力等外部因素的波動對測量精度的影響問題。通過拉曼信號增強的技術突破及自主研制寬光譜范圍的拉曼光譜分析模塊,四方光電激光拉曼光譜氣體分析儀可以滿足天然氣多組分快速同步分析。分析時間由原先行業的100秒至幾十分鐘縮短為10秒,提高了10倍以上;可快速測量CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O、CH3OH、CH3-NO、NO等十余種氣體,用一臺激光拉曼光譜氣體分析儀,配套采用不同應用場景的行業應用軟件,就可以解決天然氣頁巖氣成分、煤氣化、高爐轉爐焦爐、石油煉化等工業流程多組分氣體在線監測的行業難點。

圖1:四方光電激光拉曼光譜氣體分析儀

(左:實驗室臺式分析儀 右:在線防爆型分析系統)

深耕TDLAS技術,筑就氣體分析產業高地

近紅外和中紅外光譜區域新激光器的可用性又推動了氣體測量傳感器的發展,這些傳感器現在廣泛應用于工業過程?；诳烧{諧二極管激光吸收光譜 (TDLAS) 分子,如 O2、CH4、H2O、CO、CO2、NH3、HCI和HF,可以在連續、實時操作中以高選擇性和靈敏度進行原位檢測。使用波長調制光譜 (WMS) 等靈敏的檢測技術,通常可以在1秒的積分時間內進行低 ppb和ppm濃度測量。檢測限值可以通過使用抽取式采樣和長的多通道池來提高。當前TDLAS 已成為工業過程中用于困難測量任務的公認技術,因為它與高溫、高壓、粉塵水平和腐蝕性介質兼容,可以確定氣體濃度、溫度、速度和壓力。

石平靜表示,基于四方光電氣體傳感技術平臺,打造高端氣體分析科學儀器是公司重要的長期戰略。公司深耕激光TDLAS技術研究多年,旨在提升基于激光光譜測量技術的專業能力,進一步聚焦實驗室和過程分析領域,實現業務可持續性發展,為工業客戶提供從產品研發和工藝流程設計,到生產制造和質量控制的全方位專業支持。

基于對TDLAS技術及激光器的自主研發,公司推出了GasTDL-3100高性能原位激光過程氣體分析儀,采用對射式設計,響應時間快速,在原位式測量中以秒計算,可在線及時反應被測氣體O2、CO、CO2或者CH4濃度,避免了采樣式測量帶來的時間延遲;在高溫、高粉塵、高水分、高腐蝕性、高流速等惡劣測量環境下具有良好的適應性;氣體濃度不易失真,測量精度高。可以廣泛用于冶金、石化、水泥、電力、環保等行業。

圖2:四方光電TDLAS原位激光過程氣體分析儀

依托激光核心技術積累,發力環境氣體監測正當時

在環境監測煙氣排放領域,基于TDLAS可調諧半導體激光吸收光譜技術,公司開發了GasTDL-3000激光氨逃逸氣體分析儀,適用于在線監測脫硝工藝出口NH3的濃度,采用高溫伴熱抽取技術,可以有效降低氣體冷凝損耗,實時準確地反應逃逸氨的變化,為環保監測提供可靠數據支持。

圖3:四方光電TDLAS激光氨逃逸氣體分析儀

“近年來,TDLAS激光氣體檢測技術以其高效、方便和卓越的通用性也正成為目前解決煤礦瓦斯、燃氣報警等環境問題的研究熱點”,石平靜還告訴記者,在工業領域和日常生活中甲烷一直被廣泛應用 ,是典型的易燃易爆氣體,及時精準檢測,對工礦安全運行、人身安全及環境保護有著十分重要的作用。TDLAS全光學設計、靈敏度高、電絕緣性好、不受電磁干擾、易于微機連接、能實現遠距離傳輸,在易燃易爆物集散地、高溫等極端環境中具有獨特優勢,是目前較有前景的一種甲烷監測傳感技術。目前國內外市場上的甲烷傳感器種類繁多,TDLAS調諧激光式方法相比于催化燃燒和氧化物半導體三種方法,是一種比較高端的甲烷測量方法,具有精度高、范圍大、響應速度快、抗干擾、穩定性好,環境適應性高。近日,四方光電研發推出的一款激光甲烷氣體傳感器,按管廊標準要求進行設計,可應用于地下管廊(網)、地下井室石油化工、燃氣生產運輸等有甲烷氣體的環境。

圖4:四方光電TDLAS激光甲烷傳感器

十年厚積,以激光光譜技術夯實高端醫療呼吸機用氧氣傳感器市場占位

四方光電堅持“1+3”發展戰略,醫療健康氣體傳感器領域成果轉化能力進一步提高,目前有制氧機超聲波氧氣傳感器(取代傳統的氧化鋯氧氣傳感器)、激光氧氣傳感器(取代電化學和順磁氧氣傳感器)、超聲波肺功能檢查儀等。

氧氣傳感器是呼吸機、麻醉機的重要關鍵部件,開發高性能的醫用氧氣傳感器,打破國外主流呼吸機企業和國外傳感器供應商的技術壟斷非常必要,是實現高端醫療呼吸機、麻醉機真正國產化的必要條件。呼吸機用氧氣傳感器國內目前主要采取電化學與順磁測量氧氣濃度,前者使用壽命短,通常使用一年就需要更換,且用一段時間會有偏差,需要不定期校準;后者價格昂貴,對氣體壓力比較敏感,需要進行壓力補償。

針對目前呼吸機用氧氣傳感器存在的缺陷和技術難點,四方光電基于TDLAS可調諧激光光譜技術原理,就激光器選型與封裝技術、氧氣傳感器控溫及驅動電路設計、快速響應微小型氣室設計以及信號解調及算法處理等多個方面進行研究,研制出具有較高精度、高穩定性、快速響應的激光氧氣傳感器,該產品替代同類進口產品,加快補齊我國高端醫療裝備的短板,實現自主可控。

圖5:四方光電快速激光氧氣傳感器

寫在結尾

四方光電長期專注于氣體傳感器以及高端氣體分析儀器的研發和產業化,依托省級技術中心、湖北省氣體儀器儀表工程中心兩個技術平臺,四方光電積極融入國家技術創新體系,先后獲得國家科技部創新基金重點項目、國家重大科學儀器專項、工信部物聯網發展專項、湖北省重大技術創新項目、武漢市重大科技成果轉化項目等多個項目的支持,逐步建立了包括紅外、紫外、熱導、激光拉曼、TDLAS、超聲波、電化學、MEMS金屬氧化物半導體等原理的氣體傳感器技術平臺,這個平臺為四方光電的高端氣體分析儀器國產化提供了強有力的動力。最新發展的激光拉曼光譜、可調諧半導體激光吸收光譜TDLAS 等氣體分析技術,配合公司常年發展積累的紅外、熱導、順磁等原理的氣體分析儀器技術,四方光電已經形成我國自有自主知識產權的高、中端完整的氣體分析儀器應用解決方案,將大力推動鋼鐵冶金、煤化工、石油煉化、天然氣等國家戰略產業以及醫療健康等領域高端裝備的國產化。

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