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紅外氣體分析器的發(fā)展及工程應(yīng)用研究
閱讀：672 發(fā)布時(shí)間：2011-5-30
紅外氣體分析器的發(fā)展及工程應(yīng)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(qiáng)度與氣體濃度成正比例關(guān)系。據(jù)此原理設(shè)計(jì)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(cè)氣體組分的濃度，是一類(lèi)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(dòng)能級(jí)的基頻吸收譜線(xiàn)，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(shí)現(xiàn)背景氣體對(duì)測(cè)量分析基本沒(méi)有影響。精心設(shè)計(jì)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(xiàn)測(cè)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(diǎn)。表1列有四種常見(jiàn)氣體分析方法的劣勢(shì)。紅外氣體分析儀器沒(méi)有這些不足之處，更適合在線(xiàn)氣體分析。
紅外線(xiàn)氣體分析器主要應(yīng)用領(lǐng)域：
紅外線(xiàn)氣體分析器主要應(yīng)用領(lǐng)域：
◇ 石油、化工、發(fā)電廠、冶金焦碳等工業(yè)過(guò)程控制
◇ 大氣及污染源排放監(jiān)測(cè)等環(huán)保領(lǐng)域
◇ 飯店、大型會(huì)議中心等公共場(chǎng)所的空氣監(jiān)測(cè)
◇ 農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科研等領(lǐng)域
例如：（1）合成氨流程的醇化塔進(jìn)（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(cè)，用紅外氣體分析器分析SO2和NOx。
2 紅外氣體分析器的測(cè)量原理
被測(cè)氣體對(duì)中紅外光線(xiàn)的吸收是紅外氣體分析器分析氣體的基礎(chǔ)，吸收規(guī)律符合朗伯-比爾定律。
2.1 吸收光譜法
當(dāng)分子從外界吸收電磁輻射能時(shí)，電子、原子、分子受到激發(fā)，會(huì)從較低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，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(jí)和較低能級(jí)（躍遷前后的能級(jí)）的能量;v—輻射光的頻率;h—普朗克常數(shù)，4.136×10-15eV·s 。
當(dāng)某一波長(zhǎng)電磁輻射的能量E恰好等于某兩個(gè)能級(jí)的能量之差E2-E1時(shí)，便會(huì)被某種粒子吸收并產(chǎn)生相應(yīng)的能級(jí)躍遷，該電磁輻射的波長(zhǎng)和頻率稱(chēng)為某種粒子的特征吸收波長(zhǎng)和特征吸收頻率。
振動(dòng)能級(jí)的基頻位于中紅外波段，近紅外波段主要是各種基團(tuán)振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。中紅外吸收能力強(qiáng)，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(xiàn)組成的吸收帶，用高精度的分光儀檢測(cè)可以展開(kāi)成獨(dú)立的吸收峰。
每種氣體都有各自對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)，表2為常見(jiàn)氣體的特征吸收波長(zhǎng)。
表2 常見(jiàn)氣體的特征吸收波長(zhǎng)
| 氣體名稱(chēng) | 分子式 | 紅外線(xiàn)特征吸收波段范圍（μm） | 分析器常用波長(zhǎng)（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(dāng)紅外線(xiàn)波長(zhǎng)與被測(cè)氣體吸收譜線(xiàn)相吻合時(shí)，紅外能量被吸收。紅外光線(xiàn)穿過(guò)被測(cè)氣體后的光強(qiáng)衰減滿(mǎn)足朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律：
式中
為了保證讀數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)待測(cè)組分濃度大時(shí)，分析器的測(cè)量氣室較短，zui短的為0.3mm;當(dāng)濃度低時(shí)，測(cè)量氣室較長(zhǎng)，zui長(zhǎng)的為>200mm。經(jīng)吸收后剩余的光能用紅外檢測(cè)器檢測(cè)。
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(xué)部件和測(cè)量電路構(gòu)成，測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)由光學(xué)部件及系統(tǒng)功能決定。光學(xué)部件通常由紅外輻射光源、通過(guò)樣氣的測(cè)量氣室、紅外檢測(cè)器等構(gòu)成，通常稱(chēng)為紅外三大部件。
3.1 紅外輻射光源
上海澤滔實(shí)業(yè)有限公司 在線(xiàn)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(zhǎng)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(gè)微米，如2～5μm就是其中的一種。
?。?）連續(xù)光源
發(fā)出的光能量是連續(xù)不斷的。由電機(jī)帶動(dòng)的切光片對(duì)光線(xiàn)調(diào)制，產(chǎn)生特定頻率的紅外輻射光。
采用同步電機(jī)作為切光電機(jī)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(huì)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(shí)間變化的，例如脈沖光源。通過(guò)控制輸入光源的電信號(hào)（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(cè)量的紅外儀器需要?dú)馐?，而原位式和開(kāi)放式紅外氣體分析器可以不需要?dú)馐?。雙光路分析器的氣室分為測(cè)量氣室和參比氣室，測(cè)量氣室連續(xù)地通過(guò)待測(cè)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(cè)量氣室，沒(méi)有參比氣室。
3.3 紅外檢測(cè)器
紅外氣體分析器的檢測(cè)器用于檢測(cè)通過(guò)氣室的紅外光能，檢測(cè)器分為兩種類(lèi)型：氣動(dòng)檢測(cè)器和固體檢測(cè)器。氣動(dòng)檢測(cè)器主要有薄膜微音檢測(cè)器和微流量檢測(cè)器;固體檢測(cè)器主要有光電導(dǎo)檢測(cè)器、熱釋電檢測(cè)器和熱電堆檢測(cè)器。
4 在線(xiàn)紅外氣體分析器的發(fā)展
在線(xiàn)紅外氣體分析器早在二十世紀(jì)七十年代就已經(jīng)在工業(yè)流程中廣泛應(yīng)用，當(dāng)時(shí)的分析器都是模擬式儀表?；谀M元件的分段線(xiàn)性化設(shè)計(jì)無(wú)法*解決紅外分析的非線(xiàn)性問(wèn)題（朗伯-比爾定律表明紅外分析存在非線(xiàn)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。