紅外線氣體分析儀

第第頁紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀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(yuǎn)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(diǎn)間的距離稱為波長。波數(shù)——波數(shù)是描述紅外輻射的一個參量，是指每厘米長度內(nèi)所含紅外波的數(shù)目。頻率——單位時間內(nèi)光波振動的周數(shù)。光子能量——光波以輻射的形式發(fā)射、傳播或接受的能量，用E表示，單位為J。特征汲取波長——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，而只能被樣品分子汲取，引起分子振動能級的躍遷，所以紅外汲取光譜也稱分子振動光譜。當(dāng)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，才會被該種分子汲取，并產(chǎn)生相應(yīng)的振動能級躍遷，這一波長便稱為該種分子的特征汲取波長。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汲取。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(xù)不斷的通過肯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(cè)入射一束紅外光，然后在另一個端面測定紅外線的輻射強(qiáng)度，然后依據(jù)紅外線的汲取與吸光物質(zhì)的濃度成正比就可知道被測氣體的濃度。本項目中采納的是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(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時,其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及汲取層厚度成正比。這就是紅外線氣體分析儀的測量依據(jù)。2.2紅外線氣體分析儀的特點(diǎn)1、能測量多種氣體除了單原子的惰性氣體和具有對稱結(jié)構(gòu)無極性的雙原子分子氣體外，CO、CO2、NO、NO2、NH3等無機(jī)物、CH4、C2H4等烷烴、烯烴和其他烴類及有機(jī)物都可用紅外分析器進(jìn)行測量；2、測量范圍寬可分析氣體的上限達(dá)100%，下限達(dá)幾個ppm的濃度。進(jìn)行精細(xì)化處理后，還可以進(jìn)行痕量分析；3、靈敏度高具有很高的監(jiān)測靈敏度，氣體濃度有微小變化都能辨別出來；4、測量精度高一般都在+/—2%FS,不少產(chǎn)品達(dá)到+/—1%FS。與其他分析手段相比，它的精度較高且穩(wěn)定性好；5、反應(yīng)快響應(yīng)時間一般在10S以內(nèi)6、有良好的選擇性紅外分析器有很高的選擇性系數(shù)，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(dāng)混合氣體中一種或幾種組分的濃度發(fā)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(jié)構(gòu)及重要部件紅外線氣體分析儀一般由氣路和電路兩部分構(gòu)成，它的氣路和電路的聯(lián)系部件也是核心部分是發(fā)送器，發(fā)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(zhuǎn)為某種電參數(shù)的變化，并通過相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。發(fā)送器由光學(xué)系統(tǒng)和檢測器兩部分構(gòu)成，重要構(gòu)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。兩室通過切光板以肯定周期同時或交替開閉光路。在測量室中導(dǎo)入被測氣體后，具有被測氣體特有波長的光被汲取，從而使透過測量室這一光路而進(jìn)入紅外線接收氣室的光通量削減。氣體濃度越高，進(jìn)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肯定的，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量也肯定。因此，被測氣體常見紅外線氣體發(fā)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肯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(nèi)封有濃度較大的被測組分氣體，在汲取波長范圍內(nèi)能將射入的紅外線全部汲取，從而使脈動的光通量變?yōu)闇囟鹊闹芷谧兓?，再可依?jù)氣態(tài)方程使溫度的變化轉(zhuǎn)換為壓力的變化，然后用電容式傳感器來檢測，經(jīng)過放大處理后指示出被測氣體濃度。2.4發(fā)送器重要部件光源按光源的結(jié)構(gòu)分類，可分為單光源和雙光源兩種。按發(fā)光體分類，重要有以下幾種：合金發(fā)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(xù)的光，即對紅外光進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制的目的是使檢測器產(chǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)基本相同，都是圓筒形，兩端都是用晶片密封。氣室要求內(nèi)壁干凈度高，不汲取紅外線，不吸附氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定。氣室的材料采納黃銅鍍金、玻璃鍍金或鋁合金，內(nèi)壁表面都要求拋光。金的化學(xué)性能極為穩(wěn)定，氣室的內(nèi)壁永久也不氧化，所以能保持很高的反射系數(shù)。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(lán)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，采納橡膠密封，注意維護(hù)和定期更換，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(diǎn)漂移增大，因此必需保持晶片的清潔，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(xué)濾波元件。它是基于各種不同的光學(xué)現(xiàn)象（汲取、干涉、選擇性反射、偏振等）而工作的。采納濾光片可以更改測量氣室的輻射能量和光譜成分，可除去或削減散射和干擾組分汲取輻射的影響，可以使具有特征汲取波長的紅外輻射通過。干涉濾光片是一種帶通濾光片，依據(jù)光線通過薄膜時發(fā)生干涉現(xiàn)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(diào)整。檢測器薄膜電容檢測器、半導(dǎo)體檢測器、微流量檢測器。薄膜電容檢測的工作原理,特點(diǎn).薄膜電容檢側(cè)器又稱薄膜微音器,由金屬薄膜動極和定極構(gòu)成電容器,當(dāng)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變化成電容量變化.特點(diǎn):溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高。缺點(diǎn)是薄膜易受機(jī)械振動的影響，調(diào)制頻率不能提高，放大器制作比較困難，體積較大等。半導(dǎo)體檢測器的工作原理，特點(diǎn)半導(dǎo)體檢測器是利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)的原理制成的，當(dāng)紅外光照射到半導(dǎo)體上時，它汲取光子能量使電子狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生自由電子或自由孔穴，引起電導(dǎo)率的變化，即電阻值的變化，所以又稱為光電導(dǎo)率檢測器或光敏電阻。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、制造簡單、體積小、壽命長、響應(yīng)快速。可采納更高的調(diào)制頻率，使放大器的制作更為簡單。它與窄帶干涉濾光片搭配使用，可以制成通用性強(qiáng)快速響應(yīng)的紅外檢測器，更改測量組分時，只需改換干涉濾光片的通過波長和儀表刻度即可。其缺點(diǎn)是銻化銦受溫度變化影響大。微流量檢測器原理、特點(diǎn)微流量檢測器是一種測量微小氣體流量的新型檢測器件，其傳感元件是兩個微型熱絲電阻，和另外兩個輔佑襄助電阻構(gòu)成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱至肯定溫度，當(dāng)氣體流過時，帶走部分熱量使熱絲冷卻，電阻變化，通過電橋變化成電壓信號。特點(diǎn)：價格便宜、光學(xué)系統(tǒng)體積縮小、牢靠性、耐振性等性能都提高。2.5紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：選擇性好、靈敏度高；缺點(diǎn)是分光后能量小，分光系統(tǒng)任一元件的微小位移都會影響分光的波長。不分光型的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、具有叫高的信號/噪聲比和良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是待測樣品各組分間有重疊的汲取峰時會給測量帶來干擾。從光學(xué)系統(tǒng)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**調(diào)配的一個光源，發(fā)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(jìn)入檢測器。單光路從光源發(fā)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(nèi)到達(dá)檢測器而已，它是利用調(diào)治盤的旋轉(zhuǎn)，將光源發(fā)出的光調(diào)制成不同波長的紅外光束，輪番通過分析氣室送往檢測器，實(shí)現(xiàn)時間上的雙光路。從采納的檢測器類型來劃分，目前重要有薄膜電容檢測器、半導(dǎo)體檢測器、微流量檢測器。2.6紅外線氣體分析儀調(diào)校的重要內(nèi)容和要求相位平衡調(diào)整調(diào)整切光片軸心位置，使其處在兩束紅外光的對稱點(diǎn)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(cè)窗口上的光面積相等。光路平衡的調(diào)整調(diào)整參比光路上的偏心遮光片，更改參比光路的光通量，使測量、參比兩光路的光能量相等。零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)分別通零點(diǎn)氣和量程氣，反復(fù)校準(zhǔn)儀表零點(diǎn)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(xiàn)象原因處理方法儀表指示回零切光馬達(dá)啟動力矩不足切光馬達(dá)壞電源未接通檢測器電容短路檢查切光馬達(dá)和切光片更換切光馬達(dá)檢查通電檢查確認(rèn)，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**儀表靈敏度下降元件老化電壓下降前置放大器接觸**檢測器漏氣光源老化光路透鏡污染更換檢查電源穩(wěn)壓清潔接插件并使接觸良好返廠修理更換發(fā)熱絲擦拭透鏡或拋光儀表零點(diǎn)連續(xù)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顯現(xiàn)搖擺干擾馬達(dá)和切光片嚙合不好切光片松動電路系統(tǒng)濾波電容壞穩(wěn)壓電源不穩(wěn)定電路系統(tǒng)接地**重新嚙合減速齒輪檢查緊固更換濾波電容檢查并修理穩(wěn)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(yù)熱后通入氮?dú)鈺r，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(diào)整相位調(diào)整選鈕使輸出達(dá)到小，再調(diào)整光路平衡選鈕使輸出*小即可。然后同零點(diǎn)氣和量程氣，反復(fù)校準(zhǔn)儀表零點(diǎn)和量程。水分干擾：零點(diǎn)氣中若有水分，紅外線氣體分析器標(biāo)定后，會引起負(fù)誤差，在近紅外區(qū)域，水有連續(xù)的特征汲取波譜，若標(biāo)定用的零點(diǎn)氣中含有水分時，將造成儀器的零位的負(fù)偏，標(biāo)定后儀器示值必定比實(shí)際值偏低，從而起負(fù)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(jìn)行。環(huán)境溫度發(fā)生變化將直接影響紅外光源的穩(wěn)定，影響紅外輻射的強(qiáng)度，影響測量氣室連續(xù)流動的氣樣密度，還將直接影響檢測器的正常工作。假如溫度大大超過正常狀態(tài)，檢測器的輸出阻抗下降，導(dǎo)致儀器不能正常工作，甚至損壞檢測器