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Image shows a gas refinery production plant at night.
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      HORIBA实时红外气体分析技术助力提升安全性、可持续性和生产力


      很多人都有过这种体验:当打开燃气灶或者在车里闻到一缕废气时,那种刺鼻味道令人十分不快。虽然这些气体在大剂量下很可能有毒,但它们在大多数情况下基本无害,而且很容易探测出来。

      然而在工业制造领域,并不是所有气体都那么容易探测出来,它们的影响甚至会引发更多的危害,包括对生产力和环境产生重大危害。

      在这些情况下,实时红外气体分析是理想的解决方案,并且能够发挥举足轻重的作用。纵观各种领域,包括汽车、能源生产和半导体制造等行业,都可以利用实时红外气体分析和传感技术助力实现高安全性、高生产力和环境保护的目标。

      了解HORIBA集团。

      概览

      企业

      HORIBA集团旗下公司遍布全球,提供广泛的仪器及系统系列产品,应用范围从汽车研发、工艺和环境监测、体外医疗诊断到半导体制造,以及多种科学研发和质量控制测量的计量。

      技术

      HORIBA开发了全新的专有红外气体测量方法,即红外激光吸收调制方法(IRLAM™)*,以满足市场对各种气体测量的速度、准确性和多功能性的需求。作为该解决方案的一部分,HORIBA采用了ADI公司的超低噪声和高速信号处理技术,其中包括超高速模数转换器(ADC)。

      挑战

      在不同的环境中探测微量高挥发性危险气体,同时应对热、风、声音、振动等条件。

      目标

      促进全球环境保护、安全和健康,更进一步改善能源问题。

      约5分钟。
      这是高浓度一氧化碳(CO)致人死亡所需的时间。1
      43%
      天然气用于工业环境。2

      “HORIBA的宗旨是走在行业前列。因此,在开发IRLAM实时气体分析技术时,我们知道我们需要一个能够贡献深刻技术见解的合作伙伴,同时也有能力为实时测量需求设计解决方案。ADI公司满足了所有这些需求。他们是真正的解决方案提供商,而不是单一的芯片制造商!”

      Kyoji Shibuya博士
      IRLAM研发经理

      行业认可的技术:实时红外气体分析

      Graphic image details the three steps of the IRLAM Gas Analyzer; Herriott Cell. Image points to gas inlet and outlet, as well as,  infrared light emitted from the QCL is injected into the Herriott Cell. The gas to be analyzed is introduced into the Herriott Cell, and the infrared light is absorbed by the gas in a long optical path while being reflected many times. The absorbed infrared signal is acquired by the detector, and the concentration of the gas to be analyzed is calculated.
      IRLAM气体分析仪的光学配置
      1. 从QCL发出的红外光注入赫里奥特吸收池(Herriott cell)。
      2. 待分析的气体注入赫里奥特吸收池,并吸收在长光路中经多次反射的红外光。
      3. 探测器获取已吸收的红外信号,并计算出待分析气体的浓度。

      在生产环境中,生产力至关重要。HORIBA了解这一点,深刻认识到改善石化监测过程(包括天然气监测)有助于大幅提高生产力。生产力的提高还能够减少能源和材料的消耗,帮助制造商实现可持续发展计划。

      以此为宗旨,HORIBA在开发和商业化一项名为“IRLAM”的专有技术方面走在了前列。IRLAM可用于监测石油化工工艺气体,包括天然气,并最终提高生产力。

      这种新型的通用实时气体分析仪最大限度地提高了测量过程的效率,并能够分析气体成分,适合众多行业,包括:

      汽车行业

      快速监测和控制废气中含有的环境危害物质。在行业向电动汽车过渡之际,这项重要的技术支持内燃机实现更环保的性能。


      95%
      城市一氧化碳排放可能来自机动车尾气。3

      能源生产

      探测氢能生产中的杂质。同时,对于氢气原料的气化和重整过程,HORIBA实现了针对氢气纯度的气体测量功能、为工厂集成进行工程设计,以及提供用于氢气分离、回收和净化过程的催化剂材料分析技术。

      半导体制造

      IRLAM的高精度、高速测量技术支持半导体工艺气体在线监测。它可以根据实时测量数据对气体浓度进行精细控制,提高工艺精度、制造产量和生产力,同时减少材料和时间损耗。

      IRLAM诞生于长期的坚实合作

      早在IRLAM携先进性能进入市场之前,HORIBA就需要精密信号调理功能,以可靠地探测出极其微量的气体。为了获得相关技术,HORIBA求助于非常熟悉的长期技术合作伙伴,那就是ADI公司的传感解决方案专家们。ADI先进的信号调理技术在现实与数字世界之间架起了桥梁,即使在具有挑战性的环境中出现了难以探测的信号,如制造工厂的有毒气体,ADI技术也能让其无处遁形。

      在长达20年的合作中,ADI一直在为HORIBA的主要应用提供关键器件,包括先进的精密技术。这些技术支持了HORIBA对激光驱动电路的需求,实现了对光源的快速和高级控制。如今,HORIBA对ADI的信任已经成长为更加开放和合作的关系。

      以IRLAM为例,HORIBA利用ADI的超低噪声、高速和高分辨率SAR ADC进行信号处理,从而创建了具有独特功能的解决方案,并成功部署在使用各种气体测量协议的广泛应用中。

      在探测危险气体时,速度至关重要。HORIBA的IRLAM技术实现了兼具高速和高精度的测量,可对各种系统和过程进行实时监测、反馈和控制,而这些系统和过程以前只能分批测量。当人员在一个类似制造厂这样的高吞吐量环境中操作时,这种高速、高精度处理能力可以说是真正的救星。

      HORIBA产品中的ADI解决方案亮点


         

      设计挑战

       

      ADI解决方案

      激光生成与驱动

        浓度计算算法需要创新的HORIBA QCL驱动调制方式   集成的波形发生器实现了灵活的调制方案

      集成的热控制最小化子系统的占用空间

      信号处理

      超敏感的光电探测器需要高速和低噪声的精密信号调理功能(在100MHz时平坦度为–1 dB),以提高气体探测速度 只有ADI公司的精密高速信号链技术能够满足低噪声、高速信号处理的要求

      架构设计

      特别的高速和精密系统设计需要提供商的配合,以确保符合设计规范 利用可信赖的ADI应用工程专业知识,实现信号处理电路架构的并行开发与合作

      借助实时红外气体分析实现高价值目标

      实时红外气体分析是一项不可或缺的技术,惠及众多行业。更重要的是,这项关键技术将在新一代能源的开发中承担日益重要的角色,其中包括全球发展势头越来越猛的氢能开发,这是我们向碳中和迈进的重要一环。随着全球制造业和汽车业为更可持续的未来制定战略,如何测量和分析气体将是确保其工作环境安全的关键,也是其业务增长不可或缺的条件。

      Image shows a gas refinery production plant with bright sky and full specttrum rainbow in the background.
      精密气体测量可提高生产力并减少对环境的影响。

      HORIBA和ADI致力于帮助制造商实现这些高价值目标。HORIBA和ADI联合打造的多项技术是两者合作关系的见证,IRLAM也由此诞生。一些HORIBA的管理者认为IRLAM将成为行业的标准气体分析仪,就像测量大气中碳氧化物浓度的NDIR一样。

      虽然速度不一定总是制造商成功的决定性因素,但就HORIBA的IRLAM实时红外气体探测技术而言,它可以带来变革性的影响。

      *IRLAM是HORIBA, Ltd在日本和其他国家的注册商标或商标。

      1 Divya Jacob和Shaziya Allarakha,“12 Signs There Is Carbon Monoxide in Your House”(屋内是否有一氧化碳的12个迹象),MedicineNet。

      2 “Uses in Industry”(工业用途),NaturalGas.org,2013年9月。

      3 Linda C. Brinson和Francisco Guzman,“How Much Air Pollution Comes From Cars?”(有多少空气污染来自汽车?),HowStuffWorks,2021年7月。