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紅外氣體分析器的發(fā)展及工程應用研究
閱讀：657 發(fā)布時間：2011-5-30
紅外氣體分析器的發(fā)展及工程應用研究
1 引 言
光譜吸收法表明許多氣體分子在紅外波段存在特征吸收;根據(jù)朗伯-比爾定律，特征吸收強度與氣體濃度成正比例關系。據(jù)此原理設計而成的紅外氣體分析器可用于分析混合氣體中某種或某幾種待測氣體組分的濃度，是一類非常重要、非常經(jīng)典的氣體分析器[1,2]?；跉怏w的紅外吸收光譜特性，非單元素的極性氣體分子在中紅外（2.5～25μm）波段存在著分子振動能級的基頻吸收譜線，因此紅外氣體分析器靈敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析;且選擇性好，可以實現(xiàn)背景氣體對測量分析基本沒有影響。精心設計的紅外氣體分析器具有很好的穩(wěn)定性，能用于連續(xù)分析氣體濃度，適合在線測量。
和其它原理的氣體分析器比較，紅外氣體分析器具有顯著的優(yōu)點。表1列有四種常見氣體分析方法的劣勢。紅外氣體分析儀器沒有這些不足之處，更適合在線氣體分析。
紅外線氣體分析器主要應用領域：
紅外線氣體分析器主要應用領域：
◇ 石油、化工、發(fā)電廠、冶金焦碳等工業(yè)過程控制
◇ 大氣及污染源排放監(jiān)測等環(huán)保領域
◇ 飯店、大型會議中心等公共場所的空氣監(jiān)測
◇ 農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科研等領域
例如：（1）合成氨流程的醇化塔進（出）口，用紅外氣體分析器分析CO和CO2;（2）甲醇生產(chǎn)流程的脫碳工段，用紅外氣體分析器分析CO和CO2;（3）環(huán)保排放監(jiān)測，用紅外氣體分析器分析SO2和NOx。
2 紅外氣體分析器的測量原理
被測氣體對中紅外光線的吸收是紅外氣體分析器分析氣體的基礎，吸收規(guī)律符合朗伯-比爾定律。
2.1 吸收光譜法
當分子從外界吸收電磁輻射能時，電子、原子、分子受到激發(fā)，會從較低能級躍遷到較高能級，躍遷前后的能量之差為：
E2 - E1 = hv
式中 E2,E1—分別表示較高能級和較低能級（躍遷前后的能級）的能量;v—輻射光的頻率;h—普朗克常數(shù)，4.136×10-15eV·s 。
當某一波長電磁輻射的能量E恰好等于某兩個能級的能量之差E2-E1時，便會被某種粒子吸收并產(chǎn)生相應的能級躍遷，該電磁輻射的波長和頻率稱為某種粒子的特征吸收波長和特征吸收頻率。
振動能級的基頻位于中紅外波段，近紅外波段主要是各種基團振動的倍頻和合頻吸收。中紅外吸收能力強，靈敏度高;近紅外吸收弱，靈敏度低。
氣體的吸收光譜是由許多帶寬很窄的吸收線組成的吸收帶，用高精度的分光儀檢測可以展開成獨立的吸收峰。
每種氣體都有各自對應的吸收波長，表2為常見氣體的特征吸收波長。
表2 常見氣體的特征吸收波長
| 氣體名稱 | 分子式 | 紅外線特征吸收波段范圍（μm） | 分析器常用波長（μm） |
| 一氧化碳 | CO | 4.5～4.7 | 4.66 |
| 二氧化碳 | CO2 | 2.75～2.8 4.26～4.3 14.25～14.5 | 4.27 |
| 甲烷 | CH4 | 3.25～3.4 7.4～7.9 | 3.33 |
| 二氧化硫 | SO2 | 4.0～4.17 7.25～7.5 | 7.3 |
2.2 朗伯-比爾定律
當紅外線波長與被測氣體吸收譜線相吻合時，紅外能量被吸收。紅外光線穿過被測氣體后的光強衰減滿足朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律：
式中
為了保證讀數(shù)呈線性關系，當待測組分濃度大時，分析器的測量氣室較短，zui短的為0.3mm;當濃度低時，測量氣室較長，zui長的為>200mm。經(jīng)吸收后剩余的光能用紅外檢測器檢測。
3 紅外氣體分析器的基本結(jié)構(gòu)
紅外氣體分析器由光學部件和測量電路構(gòu)成，測量電路的結(jié)構(gòu)由光學部件及系統(tǒng)功能決定。光學部件通常由紅外輻射光源、通過樣氣的測量氣室、紅外檢測器等構(gòu)成，通常稱為紅外三大部件。
3.1 紅外輻射光源
上海澤滔實業(yè)有限公司 在線紅外氣體分析器主要使用廣譜（寬譜）光源。廣譜光源的光譜覆蓋波長從1μm到15～20μm，通常使用范圍為2-12um。寬譜光源的譜帶寬度通常在幾個微米，如2～5μm就是其中的一種。
（1）連續(xù)光源
發(fā)出的光能量是連續(xù)不斷的。由電機帶動的切光片對光線調(diào)制，產(chǎn)生特定頻率的紅外輻射光。
采用同步電機作為切光電機的分析器要求電源頻率在較窄范圍，如50±0.5Hz，超出規(guī)定的范圍，會產(chǎn)生電源頻率影響誤差。
?。?）斷續(xù)光源
發(fā)出的光能量是隨時間變化的，例如脈沖光源。通過控制輸入光源的電信號（電壓或電流）的頻率，可以產(chǎn)生特定頻率的紅外輻射光。
3.2 氣室
抽取式測量的紅外儀器需要氣室，而原位式和開放式紅外氣體分析器可以不需要氣室。雙光路分析器的氣室分為測量氣室和參比氣室，測量氣室連續(xù)地通過待測樣氣，參比氣室*密封并充有中性氣體（多為N2）。單光路分析器的氣室只有測量氣室，沒有參比氣室。
3.3 紅外檢測器
紅外氣體分析器的檢測器用于檢測通過氣室的紅外光能，檢測器分為兩種類型：氣動檢測器和固體檢測器。氣動檢測器主要有薄膜微音檢測器和微流量檢測器;固體檢測器主要有光電導檢測器、熱釋電檢測器和熱電堆檢測器。
4 在線紅外氣體分析器的發(fā)展
在線紅外氣體分析器早在二十世紀七十年代就已經(jīng)在工業(yè)流程中廣泛應用，當時的分析器都是模擬式儀表?；谀M元件的分段線性化設計無法*解決紅外分析的非線性問題（朗伯-比爾定律表明紅外分析存在非線性），分析器指針式顯示，不具有通信功能，常只具有電流環(huán)輸出功能。