紅外線氣體分析儀

發布時間：2018-01-19瀏覽次數：1792返回列表

紅外線是一種看不見的光，其波長范圍為0.78—1000微米。它在紅光界限以外，所以得名紅外線。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.75～1.50μm之間；中紅外線，波長為1.50～6.0μm之間；遠紅外線，波長為6.0～l000μm之間。

太陽光譜圖

波長——在光的傳播方向上，相鄰兩光波同相位點間的距離稱為波長。

波數——波數是描述紅外輻射的一個參量，是指每厘米長度內所含紅外波的數目。

頻率——單位時間內光波振動的周數。

光子能量——光波以輻射的形式發射、傳播或接受的能量，用E表示，單位為J。

特征吸收波長——在近紅外波段和中紅外波段，紅外輻射能量較小，不能引起分子中電子能級的躍遷，而只能被樣品分子吸收，引起分子振動能級的躍遷，所以紅外吸收光譜也稱分子振動光譜。當某一波長紅外輻射的能量恰好等于某種分子振動能級的能量之差時，才會被該種分子吸收，并產生相應的振動能級躍遷，這一波長便稱為該種分子的特征吸收波長。

2.1紅外線氣體分析儀的基本原理

其工作原理是基于某些氣體對紅外線的選擇性吸收。紅外線分析儀常用的紅外線波長為2~12μm。簡單說就是將待測氣體連續不斷的通過一定長度和容積的容器，從容器可以透光的兩個端面的中的一個端面一側入射一束紅外光，然后在另一個端面測定紅外線的輻射強度，然后依據紅外線的吸收與吸光物質的濃度成正比就可知道被測氣體的濃度。本項目中采用的是ABBAO2000系列儀表，配以URAR26紅外模塊。

朗伯—比爾定律——其物理意義是當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時,其吸光度與吸光物質的濃度及吸收層厚度成正比。這就是紅外線氣體分析儀的測量依據。

2.2紅外線氣體分析儀的特點

1、能測量多種氣體

除了單原子的惰性氣體和具有對稱結構無性的雙原子分子氣體外，CO、CO2、NO、NO2、NH3等無機物、CH4、C2H4等烷烴、烯烴和其他烴類及有機物都可用紅外分析器進行測量；
2、測量范圍寬
   可分析氣體的上限達，下限達幾個ppm的濃度。進行精細化處理后，還可以進行痕量分析；
3、靈敏度高
    具有很高的監測靈敏度，氣體濃度有微小變化都能分辨出來；
4、測量精度高
   一般都在+/-2%FS,不少產品達到+/-1%FS。與其他分析手段相比，它的精度較高且穩定性好；
5、反應快
    響應時間一般在10S以內
6、有良好的選擇性
   紅外分析器有很高的選擇性系數，因此它特別適合于對多組分混合氣體中某一待分析組分的測量，而且當混合氣體中一種或幾種組分的濃度發生變化時，并不影響對待分析組分的測量。

2.3紅外分析儀基本結構及主要部件

紅外線氣體分析儀一般由氣路和電路兩部分組成，它的氣路和電路的聯系部件也是核心部分是發送器，發送器是紅外分析儀的“心臟”部分，它將被測組分濃度的變化轉為某種電參數的變化，并通過相應的電路轉換成電壓或電流輸出。發送器由光學系統和檢測器兩部分組成，主要構成部件有如下一些，紅外輻射光源、氣室和濾光元件、檢測器

測量原理

一個是測量室，一個是參比室。兩室通過切光板以一定周期同時或交替開閉光路。在測量室中導入被測氣體后，具有被測氣體特有波長的光被吸收，從而使透過測量室這一光路而進入紅外線接收氣室的光通量減少。氣體濃度越高，進入到紅外線接收氣室的光通量就越少；而透過參比室的光通量是一定的，進入到紅外線接收氣室的光通量也一定。因此，被測氣體

常見紅外線氣體發送器示意圖

濃度越高，透過測量室和參比室的光通量差值就越大。這個光通量差值是以一定周期振動的振幅投射到紅外線接收氣室的。接收氣室用幾微米厚的金屬薄膜分隔為兩半部，室內封有濃度較大的被測組分氣體，在吸收波長范圍內能將射入的紅外線全部吸收，從而使脈動的光通量變為溫度的周期變化，再可根據氣態方程使溫度的變化轉換為壓力的變化，然后用電容式傳感器來檢測，經過放大處理后指示出被測氣體濃度。

2.4發送器主要部件

光源

按光源的結構分類，可分為單光源和雙光源兩種。按發光體分類，主要有以下幾種：合金發光源、陶瓷光源、激光光源

切光片

切光片的作用是把輻射光源的紅外光變成斷續的光，即對紅外光進行調制。調制的目的是使檢測器產生的信號成為交流信號，便于放大器放大，同時改善檢測器的響應時間特性。

氣室

紅外分析儀中的氣室包括測量氣室、參比氣室、和濾波氣室，他們的結構基本相同，都是圓筒形，兩端都是用晶片密封。氣室要求內壁光潔度高，不吸收紅外線，不吸附氣體，化學性能穩定。氣室的材料采用黃銅鍍金、玻璃鍍金或鋁合金，內壁表面都要求拋光。金的化學性能為穩定，氣室的內壁永遠也不氧化，所以能保持很高的反射系數。氣室常用的窗口材料有：氟化鋰透射限為6.5μm、氟化鈣透射限為13μm、藍寶石透射限為5.5μm、熔凝石英透射限為4.5μm、氯化鈉透射限為25μm。參比氣室和濾波氣室是密封不可拆的。測量氣室有可能受到污染，采用橡膠密封，注意維護和定期換，晶片上沾染灰塵、污物、起毛都會引起靈敏度下降，測量誤差和零點漂移增大，因此必須保持晶片的清潔，可用檫鏡紙或綢布檫拭，注意不要用手接觸晶片表面。

濾光片

濾光片是一種光學濾波元件。它是基于各種不同的光學現象（吸收、干涉、選擇性反射、偏振等）而工作的。采用濾光片可以改變測量氣室的輻射能量和光譜成分，可消除或減少散射和干擾組分吸收輻射的影響，可以使具有特征吸收波長的紅外輻射通過。干涉濾光片是一種帶通濾光片，根據光線通過薄膜時發生干涉現象而制成。干涉濾光片可以得到較窄的通帶，其透過波長可以通過鍍層材料的折射率、厚度及層次等加以調整。

檢測器

薄膜電容檢測器、半導體檢測器、微流量檢測器。

薄膜電容檢測的工作原理,特點.

薄膜電容檢側器又稱薄膜微音器,由金屬薄膜動和定組成電容器,當接收氣室的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時,推動電容動片相對于定片移動,把被測組分濃度變化轉變成電容量變化.

特點:溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高。缺點是薄膜易受機械振動的影響，調制頻率不能提高，放大器制作比較困難，體積較大等。

半導體檢測器的工作原理，特點

半導體檢測器是利用半導體光電效應的原理制成的，當紅外光照射到半導體上時，它吸收光子能量使電子狀態發生變化，產生自由電子或自由孔穴，引起電導率的變化，即電阻值的變化，所以又稱為光電導率檢測器或光敏電阻。

特點：結構簡單、制造容易、體積小、壽命長、響應迅速。可采用高的調制頻率，使放大器的制作為容易。它與窄帶干涉濾光片配合使用，可以制成通用性強快速響應的紅外檢測器，改變測量組分時，只需改換干涉濾光片的通過波長和儀表刻度即可。其缺點是銻化銦受溫度變化影響大。

微流量檢測器原理、特點

微流量檢測器是一種測量微小氣體流量的檢測器件，其傳感元件是兩個微型熱絲電阻，和另外兩個輔助電阻構成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當氣體流過時，帶走部分熱量使熱絲冷卻，電阻變化，通過電橋轉變成電壓信號。

特點：價格、光學系統體積縮小、可靠性、耐振性等性能都提高。

2.5紅外線氣體分析儀結構類型

從是否把紅外光變成單色光來劃分，可以分為：分光型（色散型）和不分光型（非色散型）。

分光型的優點：選擇性好、靈敏度高；缺點是分光后能量小，分光系統任一元件的微小位移都會影響分光的波長。

不分光型的優點：靈敏度高、具有叫高的信號/噪聲比和良好的穩定性。缺點是待測樣品各組分間有重疊的吸收峰時會給測量帶來干擾。

從光學系統來劃分，可分為雙光路和單光路兩種

雙光路 從兩個相同的光源或者分配的一個光源，發出兩路彼此平行的紅外光束，分別通過幾何光路相同的分析氣室、參比氣室后進入檢測器。

單光路 從光源發出的單束紅外光，只通過一個幾何光路。但是對于檢測器而言，還是接受兩個不同波長的紅外光束，只是在不同的時間內到達檢測器而已，它是利用調治盤的旋轉，將光源發出的光調制成不同波長的紅外光束，輪流通過分析氣室送往檢測器，實現時間上的雙光路。

從采用的檢測器類型來劃分，目前主要有薄膜電容檢測器、半導體檢測器、微流量檢測器。

2.6紅外線氣體分析儀調校的主要內容和要求

相位平衡調整調整切光片軸心位置，使其處在兩束紅外光的對稱點上。要求切光片同時遮擋或同時漏出兩個光源，即所謂同步，使兩個光路作用在檢測器室兩側窗口上的光面積相等。

光路平衡的調整調整參比光路上的偏心遮光片，改變參比光路的光通量，使測量、參比兩光路的光能量相等。

零點和量程校準分別通零點氣和量程氣，反復校準儀表零點和量程。

2.7常見故障及處理

紅外線氣體分析儀種類很多，故障和處理方法也不盡相同，下表列出了一些常見的故障及其處理方法，供參考：

紅外線氣體分析儀常見故障及處理方法

現象	原因	處理方法
儀表指示回零	切光馬達啟動力矩不足切光馬達壞電源未接通檢測器電容短路	檢查切光馬達和切光片換切光馬達檢查通電檢查確認，返廠修理
儀表指示滿度	連接電纜斷路雙光路中的一組光源斷路參比電壓單端與地短路	檢查電纜并修理檢查并修理光路檢查并清除
儀表靈敏度下降	元件老化電壓下降前置放大器接觸不良檢測器漏氣光源老化光路透鏡污染	換檢查電源穩壓清潔接插件并使接觸良好返廠修理換發熱絲擦拭透鏡或拋光
儀表零點連續正漂	測量氣室被污染或腐蝕晶片上有塵埃濾波氣室漏氣測量氣室漏氣	清洗或返廠修理用擦鏡紙擦拭檢查密封并重新充氣檢查密封
儀表指示出現擺動干擾	馬達和切光片嚙合不好切光片松動電路系統濾波電容壞穩壓電源不穩定電路系統接地不良	重新嚙合減速齒輪檢查緊固換濾波電容檢查并修理穩壓電源檢查接插件

光路不平衡干擾：

一臺紅外線氣體分析儀預熱后通入氮氣時，輸出很大，這是由于切光片相位不平衡及光路不平衡引起，因此只要調整相位調節選鈕使輸出達到小，再調整光路平衡選鈕使輸出小即可。然后同零點氣和量程氣，反復校準儀表零點和量程。

水分干擾：

零點氣中若有水分，紅外線氣體分析器標定后，會引起負誤差，在近紅外區域，水有連續的特征吸收波譜，若標定用的零點氣中含有水分時，將造成儀器的零位的負偏，標定后儀器示值必然比實際值偏低，從而起負誤差。

溫度變化的干擾：

紅外線氣體分析儀檢測過程需要在恒定的溫度下進行。環境溫度發生變化將直接影響紅外光源的穩定，影響紅外輻射的強度，影響測量氣室連續流動的氣樣密度，還將直接影響檢測器的正常工作。如果溫度大大超過正常狀態，檢測器的輸出阻抗下降，導致儀器不能正常工作，甚至損壞檢測器。紅外分析儀內部一般有溫控裝置及超溫保護電路，即使如此，有的儀器示值特別是微量分析儀器，亦可觀察出環境溫度變化對檢測的影響，在夏季環境溫度較高時尤為明顯。在這種情況下，需改變環境溫度，設置空調是一種解決辦法。

大氣壓力波動的干擾：

大氣壓力即使在同一個地區、同一天內也是有變化的。若天氣驟變時，變化的幅度較大。大氣壓力的這種變化，對氣樣放空流速有直接影響。經測量氣室后直接放空的氣樣，會隨大氣壓力的變化使氣室中氣樣的密度發生變化，從而造成附加誤差。

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現象	原因	處理方法
儀表指示回零	切光馬達啟動力矩不足切光馬達壞電源未接通檢測器電容短路	檢查切光馬達和切光片換切光馬達檢查通電檢查確認，返廠修理
儀表指示滿度	連接電纜斷路雙光路中的一組光源斷路參比電壓單端與地短路	檢查電纜并修理檢查并修理光路檢查并清除
儀表靈敏度下降	元件老化電壓下降前置放大器接觸不良檢測器漏氣光源老化光路透鏡污染	換檢查電源穩壓清潔接插件并使接觸良好返廠修理換發熱絲擦拭透鏡或拋光
儀表零點連續正漂	測量氣室被污染或腐蝕晶片上有塵埃濾波氣室漏氣測量氣室漏氣	清洗或返廠修理用擦鏡紙擦拭檢查密封并重新充氣檢查密封
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