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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：668 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，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列有四種常見氣體分析方法的劣勢(shì),。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(yīng)用領(lǐng)域：
紅外線氣體分析器主要應(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組成的吸收帶,，用高精度的分光儀檢測(cè)可以展開成獨(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為常見氣體的特征吸收波長(zhǎng),。
表2 常見氣體的特征吸收波長(zhǎng)
| 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(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)紅外線波長(zhǎng)與被測(cè)氣體吸收譜線相吻合時(shí)，紅外能量被吸收,。紅外光線穿過被測(cè)氣體后的光強(qiáng)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(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、通過樣氣的測(cè)量氣室,、紅外檢測(cè)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(shí)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(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)馐遥皇胶烷_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)通過氣室的紅外光能,，檢測(cè)器分為兩種類型：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(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元件的分段線性化設(shè)計(jì)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,。