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红外气体分析器的发展及工程应用研究
阅读：675 发布时间：2011-5-30
红外气体分析器的发展及工程应用研究
1 引 言
光谱吸收法表明许多气体分子在红外波段存在特征吸收;根据朗伯-比尔定律，特征吸收强度与气体浓度成正比例关系。据此原理设计而成的红外气体分析器可用于分析混合气体中某种或某几种待测气体组分的浓度，是一类非常重要、非常经典的气体分析器[1,2]。基于气体的红外吸收光谱特性，非单元素的极性气体分子在中红外（2.5～25μm）波段存在着分子振动能级的基频吸收谱线，因此红外气体分析器灵敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析;且选择性好，可以实现背景气体对测量分析基本没有影响。精心设计的红外气体分析器具有很好的稳定性，能用于连续分析气体浓度，适合在线测量。
和其它原理的气体分析器比较，红外气体分析器具有显著的优点。表1列有四种常见气体分析方法的劣势。红外气体分析仪器没有这些不足之处，更适合在线气体分析。
红外线气体分析器主要应用领域：
红外线气体分析器主要应用领域：
◇ 石油、化工、发电厂、冶金焦碳等工业过程控制
◇ 大气及污染源排放监测等环保领域
◇ 饭店、大型会议中心等公共场所的空气监测
◇ 农业、医疗卫生和科研等领域
例如：（1）合成氨流程的醇化塔进（出）口，用红外气体分析器分析CO和CO2;（2）甲醇生产流程的脱碳工段，用红外气体分析器分析CO和CO2;（3）环保排放监测，用红外气体分析器分析SO2和NOx。
2 红外气体分析器的测量原理
被测气体对中红外光线的吸收是红外气体分析器分析气体的基础，吸收规律符合朗伯-比尔定律。
2.1 吸收光谱法
当分子从外界吸收电磁辐射能时，电子、原子、分子受到激发，会从较低能级跃迁到较高能级，跃迁前后的能量之差为：
E2 - E1 = hv
式中 E2,E1—分别表示较高能级和较低能级（跃迁前后的能级）的能量;v—辐射光的频率;h—普朗克常数，4.136×10-15eV·s 。
当某一波长电磁辐射的能量E恰好等于某两个能级的能量之差E2-E1时，便会被某种粒子吸收并产生相应的能级跃迁，该电磁辐射的波长和频率称为某种粒子的特征吸收波长和特征吸收频率。
振动能级的基频位于中红外波段，近红外波段主要是各种基团振动的倍频和合频吸收。中红外吸收能力强，灵敏度高;近红外吸收弱，灵敏度低。
气体的吸收光谱是由许多带宽很窄的吸收线组成的吸收带，用高精度的分光仪检测可以展开成独立的吸收峰。
每种气体都有各自对应的吸收波长，表2为常见气体的特征吸收波长。
表2 常见气体的特征吸收波长
| 气体名称 | 分子式 | 红外线特征吸收波段范围（μm） | 分析器常用波长（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-比尔定律
当红外线波长与被测气体吸收谱线相吻合时，红外能量被吸收。红外光线穿过被测气体后的光强衰减满足朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律：
式中
为了保证读数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析器的测量气室较短，zui短的为0.3mm;当浓度低时，测量气室较长，zui长的为>200mm。经吸收后剩余的光能用红外检测器检测。
3 红外气体分析器的基本结构
红外气体分析器由光学部件和测量电路构成，测量电路的结构由光学部件及系统功能决定。光学部件通常由红外辐射光源、通过样气的测量气室、红外检测器等构成，通常称为红外三大部件。
3.1 红外辐射光源
上海泽滔实业有限公司 在线红外气体分析器主要使用广谱（宽谱）光源。广谱光源的光谱覆盖波长从1μm到15～20μm，通常使用范围为2-12um?？砥坠庠吹钠状矶韧ǔＴ诩父鑫⒚?，如2～5μm就是其中的一种。
?。?）连续光源
发出的光能量是连续不断的。由电机带动的切光片对光线调制，产生特定频率的红外辐射光。
采用同步电机作为切光电机的分析器要求电源频率在较窄范围，如50±0.5Hz，超出规定的范围，会产生电源频率影响误差。
?。?）断续光源
发出的光能量是随时间变化的，例如脉冲光源。通过控制输入光源的电信号（电压或电流）的频率，可以产生特定频率的红外辐射光。
3.2 气室
抽取式测量的红外仪器需要气室，而原位式和开放式红外气体分析器可以不需要气室。双光路分析器的气室分为测量气室和参比气室，测量气室连续地通过待测样气，参比气室*密封并充有中性气体（多为N2）。单光路分析器的气室只有测量气室，没有参比气室。
3.3 红外检测器
红外气体分析器的检测器用于检测通过气室的红外光能，检测器分为两种类型：气动检测器和固体检测器。气动检测器主要有薄膜微音检测器和微流量检测器;固体检测器主要有光电导检测器、热释电检测器和热电堆检测器。
4 在线红外气体分析器的发展
在线红外气体分析器早在二十世纪七十年代就已经在工业流程中广泛应用，当时的分析器都是模拟式仪表?；谀Ｄ庠姆侄蜗咝曰杓莆薹?解决红外分析的非线性问题（朗伯-比尔定律表明红外分析存在非线性），分析器指针式显示，不具有通信功能，常只具有电流环输出功能。