同一根管道两块氧气表指示不一致的分析

1、概述：云南云为股份有限公司大为制焦甲醇分厂，是利用煤气生产甲醇的分厂，对测量煤气管道的氧气含量严格，对测量氧含量的仪表要求精高，可靠性也非常高，如果管道含氧量超标，在压缩机的作用下，将煤气压缩时，煤气的温度升高，若氧含量超规定值,容易发生燃气爆炸。管道中的气体成分有甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、焦油、硫等等。

煤气管道上两块激光红外线气体分析仪（氧气表）的安装如图1：

照片如下：

    

2、 激光红外线气体分析仪（氧气表）的工作原理和结构：

工作原理：是基于管道内气体分子对测量光的吸收量，每一种气体会吸收一种波长的光。当被测量气体的固有频率的波长在700～2400nm之间时使用二极管激光器，大部分物质在红外线区域都有吸收峰，是基于郎伯--比尔定律，

被测量气体浓度很低时，可写成

     I=I₀(1-ucL)

u: 被测量气体吸收光线吸收系数

c:  被测气体的浓度

L: 测量光路的长度

比尔定律是一个有限的定律，条件是被测量物体为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起光的散射；入射光为单色光。

    激光红外线气体分析仪（氧气表）是半导体激光吸收光谱技术，也称DLAS,半导体激光器发射出的一定频率激光（红外线）穿过被测气体时，气体吸收红外线能量，使其能量减少，不受被测气体的背景的影响，同时能修正温度和压力对测量的影响。半导体激光光谱宽度小于气体的吸收谱线的展宽。也就是半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，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。

调节光谱检测：调控激光频率，使其被测气体的频率共振，用相敏整流测量被测气体穿透光线的谐波分类的吸收量。

是基于可调二极管激光器吸收光谱技术，在管道气体进行连续在线气体监测的光学仪表。激光气体分析仪是利用一个发射器/接收器配置 （彼此安装完全相反）去测量通过瞄准线路径的平均气体浓度。

激光波长穿过一条选定的待测气体的吸收线被扫描，吸收线认真地选择，避免其他（背景）气体的交叉干扰。发射器和接收器之间光路上的目标气体分子的吸收不同，激光波长不同，探测光强随激光波长而变化。为增加其敏感性，采用了波长调制技术。扫描到吸收光线时，激光波长会被轻微调节。第二谐波信号用于测量吸收气体的浓度。线振幅和线宽都是从第二谐波线形状中析取的，这使得测得的浓度对于由背景气体导致的线形状变化（线增宽效应）不敏感。

谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

第二谐波信号：谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率二倍的波称为二次谐波，基波频率5倍的波称为五次谐波，不管几次谐波，都是正弦波。

第二谐波信号是计算气体浓度的信号，该信号用来对吸收光谱吸收的检查和分析，故障诊断，激光器作用的验证。

气体的浓度：测量的是体积浓度，与体积、压力、温度有关。遵循气态方程，

      　　　　　 ＰＶ＝ｎＲＴ

状态参量 、体积Ｖ、压强Ｐ和 绝对温度Ｔ之间的关系

　　　　　　　　　Ｐ＝ＲＮＴ／ＶＮ_Ａ＝ ｎｋＴ

　　　　　　　　　Ｐ＝２/３*ｎｑ

　　　　　　　　　ｑ＝３/２*ｋＴ　　　　　　　　　

n是理想气体 物质的量

Ｒ是 气体常量，不同状况下数值有所不同．

Ｐ为理想气体压强，单位P_a　　

Ｖ为气体体积，单位m³　

Ｔ为体系温度，单位K　

原理示意图如下：

     从图中看到，激光红外线气体分析仪电路与其它测量仪表一样，有数据釆集、数据处理电源电路、输出电路，不同的是有一个半导体激光电路。

    氮气分为二路，一路经二极管进入工艺管道，吹扫工艺介质防止沾在镜片上，另一路进入有电路板的盒中，防止可燃气体进入盒中，发生爆炸。

　　　结构：激光红外线气体分析仪包括三个独立的单元：带有吹扫的发射单元；带有吹扫的接收单元；电源供应。

发射单元包括带有温度稳定二极管激光器的激光模块，校准模块。包括接收器电缆和输入/输出端子，接收单元包括一个聚焦透镜，光电探测器。发射单元和接收单元和最大能够承受5bar压力（绝压）的标准光学视窗。分析仪是通过所提供的吹扫或校准单元来装配发射单元和接收单元的，光学校准非常容易而且很可靠，同时吹扫防止灰尘和其它污染物落在光学视窗上。电源供应盒子通过Ex-p控制系统连接到发射器盒子上。气体温度/压力传感器上的4-20 mA 输入信号被连接到发射单元里面的端子上，

发射单元与接收单元用一根电缆连接。从光电探测器探测到的吸收信号是增强的，并且通过这条电缆输送到发射单元，同时也是一条供电电缆。发射器包含了CPU板执行板、仪器的控制和气体浓度的计算。主板上合并有仪表操作所需要电子单元，比如二极管激光电流和温度控制和模拟数字信号转换，LCD显示器连续地显示气体浓度、激光束传输和仪表状态。RS-232端口可用于与个人电脑直接串行通信，用于以太网板通过局域网提供TCP/IP 通信，这样它就可以用来代替串行通信。辅助板提供输出选择，如气体浓度测量和激光束传输（后者可选）的4-20mA电流输出。

氮气的作用：吹扫气是通过安装正压气流经由法兰进入管道从而保持仪表视窗清洁。吹扫阻止颗粒沉淀在光学视窗上污染视窗，吹扫气体必须是干燥、干净的，达到足够的测量准确性必须把待测气体从内部的测量路径上去掉。否则会使测量结果偏高或波动増大。防爆气是加在发射端和接收端电子单元的正压氮气，一是防空气进入两端金属盒中，防电气火花和影响测量精度，二是对激光器降温。

    3、原理的解释，任何物体的分子、原子等各种粒子都在做布郎运动（运动都是力的作用的结果），分子、原子都是带电的、运动的，带电粒子运动就产生电磁波。若原子、分子不带电的运动就是引力波，实验和受力分析证明原子、分子是带电的，都是电磁波，红外线也是电磁波，根据波相互干扰的定律，两种电磁波相遇会产生干扰波峰、波谷相叠加的效应。

 以氢原子为例说明原子的带电性，氢原子是由一个氢原子核（带正电）和一个核外电子（带负电）组成，那么氢原子核有一个正电场（+E），电子有一个负电场（-E），如图2所示：

                

         

按现有理论，正 负电荷抵消是AB区域，其它区域是不会扺消，则是带电的，何况原子核的电场方向向外，电子的电场方向向内，那么AB区域内的C点的电场强度：

   Ec = +E₊c – (-E-c)  是一推一拉效果

 则：  Ec = +E₊c +E-c     

Ec：C点的电位   +E+c：正电场C点的电位   -E-c：负电场C点的电位

C点的电位是原子核正电场与负电场相加，故原子对外显电性。正、负电场是一种物质，抵消作用是有新的物质产生，就象打雷一样，消耗能量和物质，那么电子还会自由地绕原子核运行吗。

原子核带正电荷，电子带负电荷，电荷是一种物质，根据物质不灭定律，那么，正、负电荷能抵消吗，答案是不会，故原子、分子是带电的，由原子、分子组成的物质、物体也是带电的。由于电子是绕原子核自由的、无规则的运动，若在某一位置正、负电荷抵消了，那么电子离开某一位置到一新位置，又抵消了，如果电子绕原子核转360度，电子本身也在自转，都抵消了，最终原子核和电子的电荷都抵消了，那么原子核还带正荷和电子还带负电荷吗？抵消了就沒有电荷了，所以原子核和电子就不再带电荷了，那么下一时刻原子核还带正电荷吗？电子还会带负电荷吗？若抵消了，还有电荷可带，是谁补充的呢？你说对不对的。

原子、分子是带电的，那么原子之间、分子之间的力则电磁力，万有力是微小的电磁力，电磁力是大的万有力。原子、分子是一个电磁场，由原子、分子组成的物质、物体才是一个电磁场，由物质、物体组成的地球才会是一个大的电磁场，宇宙是一个电磁场。若原子、分子不是一个电磁场，地球、宇宙也不会是一个电磁场。

磁铁的南、北极（异性）在一定距离范内，它们之相的引力开始有，距离越来越小，引力越来越大，最后南、北两极吸紧沾在一起，成为一体，南、北之间的磁性抵消了吗？没有吧。若抵消了，就没有了磁性吗，你用铁钉试一下，一定有磁性吧，证明磁性没有抵消。

电荷也一样，正、负电荷也是不能抵消的，可用任何一种毫伏电压表（电位差、示波器等）测量任何自然物体、任何两点的电压，均有几十毫伏到五百毫伏示值，有过零点，不是永久（1秒左右）零点，而且是随时变化的。毫伏电压表是有两个表笔，则一个参考电位点，另一个则是测量点，参考电位点的电位到底是多少，都不知道。零电位是定义的，是定义无限远处的电位为零，测量处的电位不为零，那么，无限远处也可定义测量处为零，实际上测量处不为零，固定的不变化零电位处是不存在的。大家（教课书）定义大地的电位为零，大地也没有真零点的点。

即然没有不变化零点，那么就没有不带电的物质和物体，带电粒子的运动，则有电磁波，所以，任何物质和物体运动就有电磁波。    

    当电子由远靠近原子核时，正、负电荷的电场重叠部分越来越多，电场物质的密度越来越大，弹簧压缩了单位长度的圈数越多，弹簧对外的斥力就越来越大，原子核对电子的排斥力越来越大，引力越来越小，使电子远离原子核，反之，电子远离原子核时，排斥力越来越小，引力越来越大，使电子靠近原子核，原子核与电子不能相吸成一体，电子也不能离原子核远去，电子在离原子核一定的区域内次数最多，弹簧拉伸了单位长度的圈数越少，弹簧对外的引力就越来越大。在正常工作时，弹簧相邻两圈是不可能粘在一起，或远离而去，超过正常范围就有非正常的工作过程。

摩擦是生活、工作中常见的一些现象，摩擦使噪音增大，热量增大，电磁力或波形增大。

4、 安装：安装示意图如图3，在图3中， 

图3中，L是测量有效距离，发射端与接收端是在同一水平上，经过管道真经，管经减有效测量距离L是小管道，小管道中的测量气体用吹扫氮气吹岀，保征了测量精度和发射头和接收头不被测量气体污涂。

图3中，阀门是不锈钢的球阀，防爆气、吹扫氮气气管用直经为8mm的不锈钢管，少于8mm，氮气的压力不够（少于0.18MPa）氮气的功率不够，吹不了小管道中的被测量气体，等效测量距离加长，使被测量气体中的氧气含量偏高。若发射端和接收端不在经管经同一水平线上，被测量气体的流动状态不是层流，产生摩擦，使附加误差增大。两块测量仪表的氮气是一根管道里的氮气，没有分枝管道。

当然，各接头处更不能漏气。

5、调校：调校零位接线图如图4，是通99.99%的氮气，输岀为4mA  

调校量程的接线图如图5，通入量程气使仪表输岀为20mA   

两块激光（红外线）气体分析仪（氧气表）调校合格。

    在使用过程中，红外线发射头（二极管）和红外线接收头易氮气在杂质（油）污涂，用酒精清洗即可，发射头和接收头的玻璃易被测量气体（焦油）污涂，用肥皂水清洗。

6、故障现象：

故障现象是同一正压管道、同一种煤气表2的指示值比表1的指示值偏高。表1的记录曲线如下照片所示：红色记录曲线

 

正常时表2的指示值如下照片所示：兰色记录曲线

 

若稍开一下气柜的联通阀门时，表1沒有变化，而表2却有变化，其波动幅度加大，蓝色记录曲线，如下照片所示：

 

在该照片上画一根红线，是氧含量的平稳线

在该曲线中看到，前面的记录曲线是平稳的，而开阀门时，平稳线以上是氧含量增加了，平稳线以下是氧含量减了，増加、减少的波动，增加的氧量从何而来，那减少的氧量又去那里了，是在密闭的管中，而且是正压的情况下，空气是进不了管道中间，氧气也是跑不管道的，没有漏点。

若表2处煤气积液时，记录曲线照片如下所示：

 

从波动曲线前、后比较看，表2曲线中氧气高岀的氧气从何而来，少的氧气又去那里了？工艺人员只开了一下联通阀门，让装红外线激光气体（氧气）分析仪的后管的液体通过该联通阀门的一些开度流向导淋管影响测量结果（偏高或石稳定）。

炭黑的激光（红外线）气体分析仪（氧表）与甲醇压缩机入口的激光（红外线）气体分析仪（氧表）是同一个型号，安装位置如下所示：

 安装位置

 样气处理装置，处理样气中水和炭粉。

工艺介质（煤气）若水份稍多一些，指示偏高和波动，如下照片所示

 

左边是取样装置中水份、炭粉多，波动大，且偏高。右边是排水、炭粉后的情况。若进气量小（取样阀堵），指示偏低，排水、排炭粉后指示正常，与手动分析相符合。

7、分析：波的干涉，是一种物理现象，频率相同的两列波叠加，使一些区域的振动加强，另一些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。当两列波的波峰和波峰（波谷和波谷）相遇时，振动加强，当波峰和波谷相遇时振动减弱。气体中（被测量气体）的气体分子到两波源（一个发射头，一个是摩擦处）的距离之差为波长的整数倍，则该气体分子的振动是加强的；氧气体分子到两波源的距离是半波长的奇数倍，则该质点的振动是减弱的。 

煤气（含氧分子）不论是静止还是流动的，气体分子总是运动的（热运动），运动时气体分子频率和幅值比静止时大，带电粒子运动有电磁波。由于分子和原子都是带电的，故它们运动时的电磁波都增大，

红外线是电磁波，一切波都能发生干涉，包括水波、声波、光波等等。干涉是波特有的现象。两个波相遇时，就会产生干涉和衍涉现象，在这只说干涉，共振是干涉的一种。频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。

产生干涉的条件是，两列波的频率必须相同并且有固定的相位差。如果两列波的频率不同或者两个波没有固定的相位差（相差），相互叠加时波上各个质点的振幅是随时间而变化的

设有两个频率相同的波源S₁和S₂，振幅分别为A₁和A₂，初周相分别为φ₁和φ₂其振动表达式为Y1和Y2：

　　Y₁(S₁，t)=A₁cos(ωt+φ₁)

　　Y₂(S_2，t)=A₂cos(ωt+φ₂)

　　传到某一点B引起的振动为：

　　Y₁(B，t) = A₁cos(ωt+φ₁)

　　Y₂(B，t) = A₂cos(ωt+φ₂)

　　在B点的合成振动为：

　　Y=Y₁±Y₂

= A₁cos(ωt+φ₁) ±A₂cos(ωt+φ₂)

=( A₁±A₂ ) cos(ωt+△φ)

=Acos(ωt±△φ) 

同频率的两波源在同种介质中产生的两列波，波长相同。这两列波的波峰和波峰（波谷和波谷）相遇处，振动加强；波峰和波谷相遇处振动减弱。

开一下气柜的联通阀门时，气体的流动状态发生更大的改变，摩擦更大，分子运动更加激裂，温度升高更快，红外线的变化幅度变大，氧气分子的波动幅度更大，若与外加的红外线频率一致，则会共振，示意图如下

  

若波形1为外加波（红外线）的波形，波形2为氧气分子的波形，二者波形的频率相等时，波形相遇时，则会共振，幅值变大了，成为合成波形。电气、电子电路中，共振现象称为“谐振，工艺上有呛振的，幅值加大，所以从波的幅值看，氧含量是增加和减少了，而实际上煤气中的氧含量并沒有增多，只是煤气的摩擦加大，导致煤气中的氧含增多的假像。

由于氧气体分子的运动是随机的，那么氧气分子的频率是在一定范围内变化的，运动就有摩擦，摩擦使氧气分子电磁波的幅值变大。

表1是装在层流的管道上，而表2则装在紊流的管道上，表2前面的直管沒有大于5倍管径距离，后面也沒有大于2倍管径距离。由于两块测氧表的管道互相成90度角，则气体的流动由层流（表1）转换成紊流（表2），使气体的摩擦加剧，氧气分子的电磁波频谱加宽，振幅加大，当流体改变时，测量氧表的指示值就变化，实际煤气管道中的氧气含量（正压）是没有发生任何改变的，氧气即不可能增加，更不可能消失。

激光红外线测氧表发出是红外线电磁波，用来测量的是氧气分子的电磁波，是氧气分子带电粒子的运动状态（即电磁波状态），根据波的干涉性质，所以在管道中氧气的含量没有改变的，测氧表的指示值增加或减少，是因为氧气运动的状态发生改变。

若氮气中的氧气含量增加时，从上面的结构得知，红外线激光氧分析仪的输岀值也会增加。

镜片上有异物,如焦油、萘、蒸汽，透光就会下降，指示偏高。

若氮气管路漏，氧含量指示则偏高，氮气流量越大，指示偏得越高。做一个实验，在瓶装氮气瓶出气口旁放细线，如细聚四氟乙烯丝发带丝，当开启氮气阀门时（高压），高压氮气从出气口喷射而出，可观察到细聚四氟乙烯丝发带丝，会被高压氮气吸入出气口内也上。当然也就能吸入空气，所以氧气指示值偏高。

若氮气的功率不能达到要求时，如压力小于0.25MPa，而氮气管的管径是六毫米，指示值就会偏高。

样气中含液多，指示也偏高。

安装不正，发射端与接收没有对正，红外线的透光就会偏低。调整螺杆螺帽的松紧度，但不能漏气。

如果管道是南、北走向，那么仪表则是东、西安装，由于地球的转向，西边的沉积物会比东边多。

若氮气中含油时（常见现象，是氮压机中带油所致）油是会吸收红外线的能量，故显示偏高。郎伯--比尔定律：

     I=I₀(1-ucL)

 氮气中的油吸收系数u变大力，红外线的能量吸收增多，表现为氧含增多。

当红外线测氧表工作时，氧分子运动的电磁波与红外线激光（电磁波）相遇时，根波相互干忧性质可知，二者的电磁波就互相干涉，当也就产生谐波，谐波有二次、三次、五次等。波有频率、幅值和相位三要素。若二者频率相同则会共振，幅值则相加，若相位相反时，幅值相减。反之、相位相同幅值相加，所以外加光线频率与元素的原子、分子的共振频率一致，就吸收光线的能量。发射端发射红外线的能量一定时，被测量的气体吸收了红外线的能量后，到接收端的能量就要减少。如果气体运动状态改变，氧分子运动加剧（摩擦所致），氧分子的电磁波幅度加大，频率升高，故有上述变化曲线。

氮气的过滤减压阀不能漏，若漏，指示值会偏高。