摘 要 紅外氣體分析器是一類應(yīng)用廣泛、代表性的在線氣體分析器，靈敏度高、穩(wěn)定性好，常見非單元素氣體都有可能適用。本文簡述了紅外氣體分析器的測量原理，基本結(jié)構(gòu)以及發(fā)展趨勢(shì)。介紹了幾類常用紅外分析器及國內(nèi)外主要廠家產(chǎn)品。實(shí)際現(xiàn)場使用時(shí)，背景氣體及工作環(huán)境復(fù)雜多變，本文深入分析了測量誤差的復(fù)雜影響因素，研究了提高分析器現(xiàn)場應(yīng)用能力的若干方法，以增強(qiáng)紅外氣體分析器工程應(yīng)用的適應(yīng)性和力度。在線分析工程技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，必需有在線分析器這一牢固強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞 紅外氣體分析器 吸收光譜法 氣體吸收 氣體測量 檢測器 在線分析 影響誤差 工程應(yīng)用

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]。基于氣體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)測量分析基本沒有影響。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。

表1 其它四種常見氣體分析方法的劣勢(shì)

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)測等環(huán)保領(lǐng)域

◇ 飯店、大型會(huì)議中心等公共場所的空氣監(jiān)測

◇ 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，用紅外氣體分析器分析SO₂和NO_x。

2 紅外氣體分析器的測量原理

被測氣體對(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，該電磁輻射的波長和頻率稱為某種粒子的特征吸收波長和特征吸收頻率。

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，表2為常見氣體的特征吸收波長。

表2 常見氣體的特征吸收波長

2.2 朗伯－比爾定律

當(dāng)紅外線波長與被測氣體吸收譜線相吻合時(shí)，紅外能量被吸收。紅外光線穿過被測氣體后的光強(qiáng)衰減滿足朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律：

（1）

（2）

式中和分別表示紅外頻率為的光線入射時(shí)和經(jīng)過壓力、濃度和光程的氣體后的光強(qiáng)，表示氣體吸收譜線的譜線強(qiáng)度，線形函數(shù)表征該吸收譜線的形狀。當(dāng)氣體的吸收較?。ㄎ章实?、濃度低或光程較短），可用公式(2)來近似表達(dá)氣體的吸收。這些關(guān)系表明氣體濃度越大，對(duì)光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對(duì)紅外光線的衰減來測量氣體濃度。

為了保證讀數(shù)呈線性關(guān)系，當(dāng)待測組分濃度大時(shí)，分析器的測量氣室較短，zui短的為0.3mm；當(dāng)濃度低時(shí)，測量氣室較長，zui長的為＞200mm。經(jīng)吸收后剩余的光能用紅外檢測器檢測。

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)部件和測量電路構(gòu)成，測量電路的結(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、通過樣氣的測量氣室、紅外檢測器等構(gòu)成，通常稱為紅外三大部件。

3.1 紅外輻射光源

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。

（1）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。

（2）斷續(xù)光源

發(fā)出的光能量是間變化的，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

抽取式測量的紅外儀器需要?dú)馐?，而原位式和開放式紅外氣體分析器可以不需要?dú)馐摇ｋp光路分析器的氣室分為測量氣室和參比氣室，測量氣室連續(xù)地通過待測樣氣，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量氣室，沒有參比氣室。

3.3 紅外檢測器

紅外氣體分析器的檢測器用于檢測通過氣室的紅外光能，檢測器分為兩種類型：氣動(dòng)檢測器和固體檢測器。氣動(dòng)檢測器主要有薄膜微音檢測器和微流量檢測器；固體檢測器主要有光電導(dǎo)檢測器、熱釋電檢測器和熱電堆檢測器。

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。基于模擬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。

二十世紀(jì)八十年代末九十年代初，紅外氣體分析器出現(xiàn)數(shù)字化的技術(shù)升級(jí)。信號(hào)經(jīng)放大濾波之后送入微處理器，由微處理完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化、濃度分析、溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償和輸出顯示，采用分段線性或其它軟件算法實(shí)現(xiàn)線性化，很好解決了非線性問題。環(huán)境溫度和大氣壓力的補(bǔ)償也容易實(shí)現(xiàn)，減小了外部環(huán)境對(duì)分析過程的影響。液晶顯示和菜單操作實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)接口，提供豐富的顯示信息，操作簡單方便。數(shù)字式通信功能更方便了系統(tǒng)集成，數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為分析器增添了強(qiáng)大的功能，是未來分析器發(fā)展的趨勢(shì)。

在線紅外氣體分析器常用的有五種類型：薄膜微音紅外氣體分析器，微流量紅外氣體分析器；氣體濾波相關(guān)紅外氣體分析器，半導(dǎo)體紅外氣體分析器，傅立葉紅外氣體分析器。它們的原理結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和國內(nèi)外主要廠家分別予以闡述。所述原理結(jié)構(gòu)的內(nèi)容來源于參考文獻(xiàn)^[1,3-8]。

4.1 薄膜微音紅外氣體分析器

薄膜微音紅外氣體分析器的檢測器由鈦金屬薄膜片動(dòng)極和定極組成，當(dāng)接收氣室內(nèi)的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時(shí)，推動(dòng)電容片相對(duì)定極移動(dòng)，把被測組分濃度轉(zhuǎn)變成電容量變化。薄膜微音紅外氣體分析器在在線氣體分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大約占在線紅外分析器50％的份額。

4.1.1 原理結(jié)構(gòu)

北京北分麥哈克公司QGS-08B型薄膜微音紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 QGS-08B薄膜微音紅外氣體分析器原理圖

該儀器采用單光源和薄膜電容檢測器，測量氣室和參比氣室采用“單筒隔半”型結(jié)構(gòu)，接收氣室屬于串聯(lián)型，有前、后兩室，二者之間用晶片隔開。

在檢測器的內(nèi)腔中位于兩個(gè)接收室的一側(cè)裝有薄膜電容檢測器，通過參比氣室和測量氣室的兩路光束交替地射入檢測器的前、后吸收室。在較短的前室充有被測氣體，這里輻射的吸收主要是發(fā)生在紅外光譜帶的中心處，在較長的后室也充有被測氣體，由于后室采用光錐結(jié)構(gòu)，它吸收譜帶兩側(cè)的邊緣輻射。

當(dāng)測量氣室通入不含待測組分的混合氣體(零點(diǎn)氣)時(shí)，它不吸收待測組分的特征波長，紅外輻射被前、后接收氣室內(nèi)的待測組分吸收后，室內(nèi)氣體被加熱，壓力上升，檢測器內(nèi)電容器薄膜兩邊壓力相等，接收氣室的幾何尺寸和充入氣體的濃度都是按上述原則設(shè)計(jì)的。當(dāng)測量氣室通入含有待測組分的混合氣體時(shí)，因?yàn)榇郎y組分在測量氣室已預(yù)先吸收了一部分紅外輻射，使射入檢測器的輻射強(qiáng)度變小。此輻射強(qiáng)度的變化主要發(fā)生在譜帶的中心處，主要影響前室的吸收能量，使前室的吸收能量減小。被待測組分吸收后的紅外輻射把前、后室的氣體加熱，使其壓力上升，但能量平衡已被破壞，所以前、后室的壓力就不相等，產(chǎn)生了壓力差，此壓力差使電容器膜片位置發(fā)生變化，從而改變了電容器的電容量，因?yàn)檩椛涔庠匆驯徽{(diào)制，因此電容的變化量通過電氣部件轉(zhuǎn)換為交流的電信號(hào)，經(jīng)放大后處理后得到待測組分的濃度。

4.1.2 性能特點(diǎn)

（1）穩(wěn)定性好，非常適合在線使用。

（2）靈敏度高，既可以分析常量氣體，又可以分析微量氣體，適用量程范圍廣。例如：分析器的微量量程0-10×10-6CO2，0-30×10-6CO。

（3）抗背景氣體干擾能力強(qiáng)，只有被檢測器內(nèi)氣體吸收所對(duì)應(yīng)的氣體才有靈敏度。

（4）環(huán)境溫度影響小。環(huán)境溫度的變化對(duì)氣體吸收及檢測器的靈敏度有一定影響，但是如果對(duì)光學(xué)部件恒溫（45～50℃），且用軟件補(bǔ)償后，在工作溫度范圍內(nèi)影響誤差可以控制在±1％以內(nèi)。

（5）當(dāng)儀器劇烈振動(dòng)時(shí)對(duì)測量會(huì)有一定影響。

4.1.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）北京北分麥哈克公司的QGS-08B為模擬式微量分析器；QGS-08D為模擬式常量分析器；QGS-08C為寬屏LED顯示智能化分析器。

（2）川儀九廠的PA200-GXH型紅外分析器。

（3）ABB公司紅外分析器Uras26型（原H&B公司紅外分析器）。

（4）SICK公司S700紅外分析器的MULTOR紅外模塊（原麥哈克公司紅外分析器）。

4.2 微流量紅外氣體分析器

微流量檢測是一種利用敏感元件的熱敏特性測量微小氣體流量變化的氣體測量方法。傳感元件是兩個(gè)微型熱絲電阻鎳鎘柵和另外兩個(gè)輔助電阻組成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱一定溫度，當(dāng)有氣體流過時(shí)，帶走部分熱量使熱絲元件冷卻，電阻變化，通過電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。

4.2.1 原理結(jié)構(gòu)

西門子公司ULTRAMAT23型微流量紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖2。

1－毛細(xì)管氣流通道，2－第二層接收氣室，3－微流量傳感器，4－測量氣室，

5－切光片，6－切光片馬達(dá)，7－紅外光源，8－反射鏡，9－光學(xué)窗口，

10－可調(diào)滑片，11－*層接收氣室，12－第三層接收氣室

圖2 微流量檢測器的單光路紅外分析器光學(xué)系統(tǒng)示意圖

紅外光源7被加熱到600℃時(shí)發(fā)射出紅外線，由切光片5調(diào)制成頻率為25/3Hz的間斷光束，經(jīng)測量氣室4進(jìn)入檢測器的接收氣室。

接收氣室由填充了待測組分的多層串聯(lián)氣室組成，*層吸收紅外輻射波帶中間位置的能量，第二層吸收邊界能量，二者之間通過微流量傳感器3連接在一起。當(dāng)切光片處于“接通”位置時(shí)，*層接收氣室11填充的待測組分吸收紅外輻射能量后，受熱膨脹，壓力增大，氣流經(jīng)毛細(xì)管通道流向第二層接收氣室2；當(dāng)切光片處于“遮斷”位置時(shí)，*層氣室填充氣體冷卻收縮，壓力減小，第二層氣室的氣流經(jīng)毛細(xì)管通道反向流回*層氣室。切光片交替通斷，氣流往返流經(jīng)微流量傳感器，便在檢測器電橋兩端產(chǎn)生了交流信號(hào)，信號(hào)幅度大小與流經(jīng)傳感器的氣體流量成正比，而與待測組分的濃度成反比。

微流量傳感器中有兩個(gè)被加熱到大約120℃的鎳格柵，這兩個(gè)鎳格柵電阻和兩個(gè)輔助電阻形成惠斯通電橋。脈沖氣流反復(fù)流經(jīng)微流量傳感器，導(dǎo)致鎳格柵電阻阻值發(fā)生變化。

接收氣室采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)是為了消除干擾組分對(duì)測量結(jié)果的影響。在接收氣室中，除填充待測組分外，還根據(jù)被測氣體的組成填充一定比例的干擾組分。干擾組分在*、二兩層氣室中對(duì)紅外輻射的吸收，產(chǎn)生的壓力作用方向相反，相互抵消。在ULTRAMAT23產(chǎn)品中，還設(shè)有第三層接收氣室12，其功能是延長二層氣室的光程長度，吸收紅外輻射邊緣能量，并可通過滑片調(diào)整三層氣室的透光孔徑大小，改變紅外吸收，zui大限度地減少某個(gè)干擾組分的影響，作用相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)光錐。

4.2.2 性能特點(diǎn)

（1）雙光路的微流量紅外氣體分析器穩(wěn)定性好，可以在線使用。

（2）靈敏度高，可以分析微量氣體。

（3）檢測器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

（4）檢測器可以串聯(lián)使用，適合同時(shí)分析多種組分。

（5）檢測器不怕振動(dòng)，振動(dòng)對(duì)儀器測量無影響。

4.2.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）武漢四方光電子有限公司的微流量紅外氣體分析器Gasboard-3000型（新產(chǎn)品），檢測器為該公司，可以實(shí)現(xiàn)多組分測量。

（2）西門子公司的ULTRAMAT6型紅外氣體分析器，雙光路結(jié)構(gòu)，適合在線使用；ULTRAMAT23型紅外氣體分析器，單光路結(jié)構(gòu)，檢測器可以串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多組分測量。

（3）富士電機(jī)的ZRE型微流量紅外氣體分析器；橫河電機(jī)的IR100型和IR200型微流量紅外氣體分析器。

（4）Rosemount的X-Stream通用型氣體分析器X2GP。

（5）德國BUHLER公司，北京雪迪龍公司和成都倍誠公司也微流量紅外氣體分析器，微流量檢測器采用西門子產(chǎn)品。

4.3 氣體濾波相關(guān)（GFC）紅外氣體分析器

氣體濾波相關(guān)檢測是通過將透過相關(guān)輪上參比氣室和分析氣室的紅外光線的比較得出被分析氣體濃度的方法。

4.3.1 原理結(jié)構(gòu)

1－光源，2－濾波氣室輪，3－同步信號(hào)發(fā)生器，4－干涉濾光片，

5－測量氣室，6－接收氣室，7－銻化銦檢測元件

圖3 采用GFC技術(shù)的紅外分析器原理結(jié)構(gòu)圖

圖3 是一種采用GFC技術(shù)的紅外分析器原理結(jié)構(gòu)圖。濾波氣室輪2上裝有2個(gè)濾波氣室，其中一個(gè)是分析氣室S，充入氮?dú)?，另外一個(gè)是參比氣室R，充入高濃度的待測組分氣體。兩種濾波氣室間隔設(shè)置，當(dāng)濾波氣室輪在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，分析氣室和參比氣室輪流進(jìn)入光路系統(tǒng)，形成時(shí)間上分割的測量、參比雙光路。

當(dāng)分析氣室,S進(jìn)入光路時(shí)，由于S中充的是氮?dú)?，?duì)紅外光不吸收的，光束全部通過，進(jìn)入光路系統(tǒng)形成測量光路。當(dāng)參比氣室R進(jìn)入光路時(shí)，由于R中充的是待測組分氣體，紅外光中的特征吸收波長部分幾乎被*吸收，其余部分進(jìn)入光路系統(tǒng)形成參比光路。

光源發(fā)出的紅外光中能被待測組分吸收的僅僅是一小部分，為了提高儀器的選擇性，加入了窄帶干涉濾光片4，其通帶中心波長選擇在待測組分的特征吸收峰上，只有特征吸收波長附近的一小部分的紅外光能通過濾光片進(jìn)入測量氣室5。接收氣室6是一個(gè)光錐縮孔，其作用是將光路中的紅外光全部會(huì)聚到檢測元件上。

4.3.2 性能特點(diǎn)

（1）水蒸氣或其它干擾組分對(duì)透過兩氣室的紅外光線的吸收相同，因此檢測器接收到的能量差值只與被測氣體濃度有關(guān)，抗干擾性能良好。

（2）適合小量程測量，可以測量0-30×10^-6CO。

（3）濾波氣室輪上參比氣室的作用主要是波長參比，消除不同紅外吸收波長氣體的影響。參比氣室不起能量參比作用，因此通常穩(wěn)定性不好，受環(huán)境溫度影響大。不加能量參比邊時(shí)不適合在線使用。

（4）測量小量程氣體時(shí)，氣室為多次反射池，腔體內(nèi)容積大，響應(yīng)時(shí)間長。若要減小響應(yīng)時(shí)間，需加大氣體流量。

4.3.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）北京華云分析儀器研究所

（2）英國Servomex公司Xentra4100系列中的Gfx

（2）EDYNE公司的MODEL GFC7000E/7001E/7002E

4.4 半導(dǎo)體紅外氣體分析器

半導(dǎo)體紅外氣體分析器是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的氣體分析器。

4.4.1 原理結(jié)構(gòu)

北分麥哈克公司QGS-08E型半導(dǎo)體紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 QGS-08E紅外線分析器原理結(jié)構(gòu)圖

脈沖紅外光源發(fā)射特定頻率的輻射光，輻射光通過氣室被檢測器接收。該儀器所采用的檢測器是熱釋電檢測器，具有兩個(gè)檢測通道：分析檢測通道和參比檢測通道。當(dāng)氣室通入N₂時(shí)，紅外光在氣室內(nèi)不被吸收，分析檢測通道輸出信號(hào)zui大。當(dāng)氣室通以待測組分時(shí)，紅外光線在氣室內(nèi)被吸收，分析檢測通道輸出信號(hào)減小。分析檢測通道輸出信號(hào)由于氣室中待測組分的吸收而發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)與待測組分濃度成比例的輸出信號(hào)。參比檢測通道的輸出信號(hào)不受被測氣體及其濃度影響，用于反映光源光強(qiáng)的變化，以補(bǔ)償分析檢測通道的輸出信號(hào)。

光源可以采用電調(diào)制脈沖光源，也可以采用傳統(tǒng)的電機(jī)切光廣譜光源。

半導(dǎo)體紅外檢測器有：光電檢測器、熱電堆檢測器和熱釋電檢測器等三大類。光電檢測器具有很高的響應(yīng)率和探測率，但對(duì)紅外光線具有選擇性吸收的特性。一種光電檢測器只能檢測位于可檢測波長范圍的紅外線，例如銻化銦檢測器的檢測波長范圍為2-7um，因此能檢測CO和CO₂，但不能檢測NH₃和SO₂。熱電堆對(duì)溫度非常敏感，溫度影響系數(shù)較大，不適合作為精密儀器的檢測器。熱釋電檢測器具有波長響應(yīng)范圍廣、檢測精度高、反應(yīng)快的特點(diǎn)，溫度影響系數(shù)比熱電堆要小，因此適合用于高精度測量的氣體分析儀器。

4.4.2 性能特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，和維修方便。

（2）適合常量氣體分析。

（3）只通過干涉濾光片區(qū)分氣體，選擇性不好，容易受背景氣體中干擾組分的影響。但加濾波氣室后可以增強(qiáng)抗干擾能力。

（4）增加檢測器的通道數(shù)目就可實(shí)現(xiàn)多組分測量。

（5）半導(dǎo)體檢測器受溫度影響很大。檢測器必須恒溫控制或軟件溫度補(bǔ)償。

4.4.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）北京北分麥哈克公司的QGS-08E型紅外氣體分析器。

（2）西克麥哈克公司的S700型紅外氣體分析器可以配備半導(dǎo)體分析模塊。MCS100E是一種采用熱釋電檢測器的紅外分析器，可在高溫下分析，zui多能測量8種氣體組分。

4.5 傅立葉紅外氣體分析器

傅立葉紅外氣體分析器采用干涉分光方法，屬于分光型儀器。

4.5.1 原理結(jié)構(gòu)

傅里葉變換紅外分析器光學(xué)部分由光源、邁克爾遜干涉儀、樣品室、檢測器(熱釋電檢測器)組成。其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

S－光源，M l一定鏡，M 2一動(dòng)鏡，BS一分束分離器，D－檢測器，Sa一樣品室

圖5 傅立葉紅外氣體分析器原理結(jié)構(gòu)圖

紅外光源S發(fā)出的紅外光經(jīng)準(zhǔn)直為平行光束進(jìn)入干涉儀。干涉儀由定鏡M1、動(dòng)鏡M2和與M1、M2分別成45°角的光束分離器BS組成。定鏡M1固定不動(dòng)，動(dòng)鏡M2可沿入射光方向作平行移動(dòng)。光束分離器BS可讓入射的紅外光一半透過，另一半被反射。

光源S發(fā)出的紅外光進(jìn)入干涉儀后，通過BS的光束Ⅰ入射到動(dòng)鏡M2表面，另一半被BS反射到定鏡M1構(gòu)成光束Ⅱ；光束Ⅰ、Ⅱ又被動(dòng)鏡M2和定鏡M1反射回到BS，并通過樣品室Sa再被反射到檢測器D。當(dāng)兩束光Ⅰ、Ⅱ到達(dá)D時(shí)，其光程差將隨動(dòng)鏡M2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期性地變化，從而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

信號(hào)經(jīng)過放大器、濾波器、AD采樣之后送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。經(jīng)傅立葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)化為吸收光譜，再掃描光譜圖庫，找尋與吸收光譜匹配的譜圖，通過比較計(jì)算，得出每種待測組分的濃度。

在線傅立葉氣體分析器已用于污染源排放的連續(xù)監(jiān)測，其優(yōu)勢(shì)之一是使用一臺(tái)儀器可以同時(shí)測量多種氣體組分。這一特點(diǎn)適用于燃燒源、有毒廢物焚燒爐以及工業(yè)過程。這種儀器測量低分子量化合物（分子量＜50）。

4.5.2 性能特點(diǎn)

（1）大大提高了譜圖的信噪比。所用光學(xué)元件少，無狹縫和光柵分光鏡，因此到達(dá)檢測器的輻射強(qiáng)度高，信噪比大。

（2）波數(shù)測量精度高。

（3）峰形分辨能力強(qiáng)。

（4）掃描速度快。在1秒之內(nèi)完成光譜的掃描。

（5）對(duì)于某種新的應(yīng)用對(duì)象，增加或更改某種測量組分時(shí)，不需要設(shè)計(jì)新分析器，只需使用新的譜圖即可。

4.5.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）ABB公司的9200型傅立葉變換紅外分析器。

（2）西克麥哈克公司的傅立葉紅外分析器。

（3）英國ADC公司傅立葉紅外氣體分析器。

5 在線紅外氣體分析器的工程應(yīng)用研究

紅外氣體分析器在工程上在線使用，必須考慮現(xiàn)場背景氣體及工作環(huán)境條件對(duì)儀器分析過程的影響，并通過各種方法消除或減小這些影響。文獻(xiàn)[9]提出了廣義干擾的定義、特征和起源，并給出了干擾影響誤差的定量分析和抗干擾的措施，為保障和提高分析器計(jì)量的準(zhǔn)確度提供了非常有效的方法。本文分析和研究紅外分析器現(xiàn)場工程應(yīng)用中可能受到的各種影響因素，并對(duì)此提出一些可行的解決方法。

5.1 參比邊的作用

按照朗伯－比爾定律，紅外氣體分析器只要單氣室或單通道就可以測量氣體濃度。但實(shí)際使用時(shí)，紅外光源和檢測器穩(wěn)定性不好，測量信號(hào)會(huì)出現(xiàn)很大漂移。在線紅外氣體分析器的光路通常設(shè)計(jì)參比氣室或參比通道。參比氣室通常充有氮?dú)饣驖舛纫阎臍怏w，通過參比氣室的紅外能量與被分析氣體的吸收無關(guān)，僅反映了光學(xué)部件的穩(wěn)定狀況。與通過分析氣室的能量作比較而測量出氣體濃度，可以大大提高分析器測量的穩(wěn)定性。北分麥哈克公司的QGS-08B、QGS-08D和QGS-08C的氣室為單筒隔半氣室，一半為分析器氣室，另一個(gè)為參比氣室，該類分析器具有非常好的穩(wěn)定性。西門子公司的ULTRAMAT6也是雙光路結(jié)構(gòu)，具有參比氣室。參比通道的作用類似參比氣室，參比通道對(duì)應(yīng)的紅外波長范圍通常不存在氣體吸收，僅與光學(xué)部件有關(guān)，反映光學(xué)部件的穩(wěn)定狀況。通過分析通道和參比通道的比較而測量出氣體濃度，可以有效提高分析器測量的穩(wěn)定性。北分麥哈克公司的QGS-08E紅外氣體分析器的檢測器具有參比通道。西克麥哈克公司的MCS100E也具有參比通道。這類分析器穩(wěn)定性良好。

薄膜微音和微流量的在線紅外氣體分析器具有參比氣室，半導(dǎo)體在線紅外氣體分析器具有參比通道，從而具有很好的穩(wěn)定性。西門子公司的ULTRAMAT23紅外氣體分析器沒有參比氣室和參比通道，但有時(shí)也在線使用，如使用于CEMS系統(tǒng)。ULTRAMAT23定時(shí)切換采樣泵，抽取新鮮空氣，作為零點(diǎn)氣標(biāo)定零點(diǎn)。通過自動(dòng)通氣標(biāo)零實(shí)現(xiàn)分析器的長期穩(wěn)定。自動(dòng)標(biāo)零的過程中氣室內(nèi)充有零點(diǎn)氣而非樣氣，不能進(jìn)行正常測量，因此在工業(yè)流程使用時(shí)，需要考慮這個(gè)因素。

當(dāng)樣氣中含有微小灰塵顆粒時(shí)，參比通道和分析通道輸出信號(hào)都有所衰減，抵扣處理后測量基本不受影響。但參比氣室沒有這種作用，無法消除此影響。

在線紅外氣體分析器有時(shí)也存在電氣參比，例如，通過零點(diǎn)輸入或固定信號(hào)輸入，測量模擬通道的輸出，以提高電氣的穩(wěn)定性。

5.2 背景氣體

5.2 背景氣體

工程應(yīng)用中的背景氣體往往非常復(fù)雜，包含其它對(duì)測量造成影響的干擾組分和水蒸氣。干擾組分和水蒸氣的濃度經(jīng)常是不確定和隨機(jī)變化的。為消除或減小此影響，通常有以下處理方法：

（1）樣氣處理系統(tǒng)通過物理或化學(xué)方法除去干擾組分，通過制冷，減小水蒸氣濃度（露點(diǎn)）。

（2）如果確定干擾組分和水蒸氣的濃度是不變的，可以用軟件直接扣除影響量。

（3）如果干擾組分是變化的，在光路中加裝濾波氣室。氣室中充有高濃度的干擾組分，將干擾組分對(duì)應(yīng)的紅外能量全部吸收，從而檢測器不受干擾組分影響。但該方法降低了分析靈敏度。

（4）光路加裝干擾組分和水蒸氣濃度分析部件，檢測干擾組分和水蒸氣濃度，軟件實(shí)時(shí)扣除變化的影響量。

5.3 標(biāo)定氣體

在線分析器的技術(shù)指標(biāo)和測量準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)氣制約^[10]。如果校準(zhǔn)用的標(biāo)定氣體純度或準(zhǔn)確度不夠，會(huì)對(duì)測量造成影響，尤其是微量分析。

不是分析二氧化碳的氣體分析器，有時(shí)直接抽取空氣作為零點(diǎn)校準(zhǔn)氣。但在有些工程應(yīng)用現(xiàn)場，空氣中含有被測氣體組分和水蒸氣，這些都會(huì)造成零點(diǎn)不準(zhǔn)確而影響測量。測量二氧化碳的氣體分析器，大量程（5%以上）有時(shí)也采用空氣作為零點(diǎn)校準(zhǔn)氣。同樣水蒸氣會(huì)造成零點(diǎn)不準(zhǔn)確。以前大氣環(huán)境中的二氧化碳含量大約300×10^-6，但由于大氣被污染，現(xiàn)在大氣環(huán)境中二氧化碳含量大于400×10^-6。如果是密閉小屋內(nèi)，空氣中二氧化碳的含量甚會(huì)＞0.1%。

微量分析時(shí)，更需要注意標(biāo)氣的純度和準(zhǔn)確度。例如甲醇脫碳后使用量程0-100×10^-6的CO和CO₂氣體分析器，零點(diǎn)和量程標(biāo)定后，通入流程氣測量，往往發(fā)現(xiàn)讀數(shù)為負(fù)值。造成此現(xiàn)象的原因是：零點(diǎn)氣通常使用99.999%N₂，該零點(diǎn)氣體中含有大約10×10^-6的CO和CO₂，而流程氣體中CO和CO₂含量特別低，甚比零點(diǎn)氣體中的含量還低。解決此問題的方法是通零點(diǎn)氣體加“過濾”，用堿石棉和霍加拉特除去零點(diǎn)氣體中的CO和CO₂。

5.4 軟件處理

在線紅外氣體分析器要求分析器的軟件適合在線分析，滿足在線工程應(yīng)用的需要。

紅外氣體分析器存在零點(diǎn)漂移和量程漂移現(xiàn)象，有可能正向漂移，也有可能負(fù)向漂移。分析器零點(diǎn)和終點(diǎn)處不能加限制，低于零點(diǎn)和高于終點(diǎn)的示值都須顯示，這樣才能反映儀器的漂移。4～20mA電流環(huán)輸出也是如此，低于4mA和高于20mA都須能提供輸出信號(hào)。

分析器的分辨率不能太高，也不能太低，應(yīng)處于合適范圍。一般分辨率設(shè)為線性誤差的1/2-1/10比較合適。如果分辨率過高，分析器的示值就會(huì)頻繁跳動(dòng)。如果分辨率過低，分析器的示值連續(xù)性差，且很難保證線性誤差、漂移等技術(shù)指標(biāo)。

5.5 溫 度

溫度對(duì)紅外氣體分析器的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是被分析氣體溫度對(duì)測量的影響；二是環(huán)境溫度對(duì)測量的影響。

被分析氣體溫度越高，則氣樣密度越低，且氣體對(duì)紅外的吸收率越低，進(jìn)而所測氣體濃度就越低。紅外分析器的恒溫控制可有效控制此項(xiàng)影響誤差。

環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)部件（紅外光源，紅外檢測器）和電氣模擬通道都有影響。通過較高溫度的恒溫控制，選用低溫漂元件和軟件補(bǔ)償可以消除環(huán)境溫度對(duì)測量的影響。

紅外氣體分析器要求陽光不直射分析器，保證殼體外空氣流通，避免強(qiáng)烈空氣對(duì)流的擾動(dòng)。陽光直射和大流速風(fēng)的流動(dòng)都會(huì)改變機(jī)箱內(nèi)的熱平衡而引起測量誤差。

5.6 大氣壓力

大氣壓力對(duì)紅外氣體分析器的影響主要體現(xiàn)在大氣壓力對(duì)被分析氣體的影響。

樣氣直接放空的紅外氣體分析器，測量結(jié)果受大氣壓力影響。大氣壓力的變化改變樣氣密度，且壓力改變氣體對(duì)紅外的吸收率，從而對(duì)測量造成影響。每1％大氣壓力的變化會(huì)引起大于1％的影響誤差，對(duì)于抑零量程的紅外氣體分析器，壓力變化的影響就更大些。消除壓力影響的方法是加裝壓力測量元件或裝置，通過測量大氣壓力而補(bǔ)償壓力影響，將誤差降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

多臺(tái)儀器氣路串聯(lián)測量時(shí)，由于氣體壓力與單臺(tái)儀器不同，測量值會(huì)有所偏差，儀器重新校準(zhǔn)可克服這一影響。

樣氣流速會(huì)對(duì)測量造成影響。例如流速越快，測量值越大。但流速對(duì)測量不是直接的影響，朗伯－比爾定律中也沒有講述流速對(duì)濃度測量的影響量。如果大氣壓力保持不變，流速的變化會(huì)造成樣氣壓力的變化，進(jìn)而影響分析器的測量。

5.7 電磁兼容

工程應(yīng)用中，除分析器本身外，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外包括大量的其它電氣設(shè)備，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，這就要求分析器的運(yùn)行不但不對(duì)其它設(shè)備造成干擾，也要求分析器能抵抗住其它干擾源的干擾，具有較強(qiáng)的魯棒性。

電磁干擾形成電磁干擾必須具備三個(gè)基本要素：（1）電磁干擾源；（2）耦合途徑；（3）敏感設(shè)備。采用有效的技術(shù)手段，抑制干擾源、消除或減弱干擾的耦合，降低敏感設(shè)備對(duì)干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。

電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，采用分層與綜合設(shè)計(jì)的方法^[11]。例如先分層設(shè)計(jì)，*層為有源器件的選擇和印刷板設(shè)計(jì)；第二層為接地設(shè)計(jì)；第三層為屏蔽設(shè)計(jì)；第四層為濾波設(shè)計(jì)。然后再綜合設(shè)計(jì)。

電路板布局布線，包括元件的選擇都要考慮電磁兼容性。電氣走線回路面積遵行zui小化原則。

正確和良好的接地可以減小相互間干擾，屏蔽和濾波又可以阻斷干擾途徑。

抗擾度試驗(yàn)花費(fèi)很大，但決不可以省去。要求滿足GB/T 18268-2000附錄A^[12]，性能判據(jù)，參照GB/T 18268-2000中6.5。

具體試驗(yàn)方法參照^[13-19]：

1、靜電放電抗擾度：GB/T 17262.2-2006；

2、射頻電磁場輻射抗擾度：GB/T 17262.3-2006；

3、電快速瞬變脈沖群抗擾度：GB/T 17262.4-1998；

4、浪涌（沖擊）抗擾度：GB/T 17262.5-2008；

5、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)干擾抗擾度：GB/T 17262.6-2008；

6、工頻磁場抗擾度：GB/T 17262.8-2006；

7、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度：GB/T 17262.11-2006。

5.8 多組分分析

工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要多個(gè)組分同時(shí)測量，多組分分析器可以一臺(tái)儀器分析多個(gè)組分，以減少儀器數(shù)量，方便使用，降低使用成本。

多組分分析器的構(gòu)成模式主要有以下幾種：

（1）多套完整的單組分光學(xué)部件并聯(lián)，氣室串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成多組分同時(shí)測量。

（2）單光源、單氣室和多通道的檢測器構(gòu)成多組分同時(shí)或串行測量。同時(shí)測量時(shí)需要多套模擬放大和濾波部件；串行測量使用一套模擬放大和濾波部件，通過模擬開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)多組分測量。北分麥哈克公司QGS-08F紅外氣體分析器就是這類多組分串行測量分析器。

（3）單光源、單氣室和多檢測器構(gòu)成多組分分析器。西門子ULTRAMAT23和ABB的紅外氣體分析器可以實(shí)現(xiàn)這類多組分氣體分析器。

（4）單光源、單氣室、單檢測器和切光輪（切光片）構(gòu)成多組分分析器。相關(guān)紅外、薄膜微音和半導(dǎo)體紅外可以采用這種方式實(shí)現(xiàn)多組分串行測量。西克麥哈克公司S700和MCS100E就是這類多組分氣體分析器。

（5）傅立葉紅外氣體分析器。配置一套光路，通過分析紅外干涉光譜，可以同時(shí)測量許多種氣體組分濃度。

多組分分析器的各個(gè)組分之間可能存在干擾，或受背景氣體干擾影響?？梢酝ㄟ^測量干擾組分濃度和干擾影響率，軟件扣除干擾組分的影響。例如MCS100E測量水蒸氣濃度，從而扣除水蒸氣對(duì)其它氣體測量的影響。

如果多組分分析器中只有一個(gè)氣室，就需要綜合考慮各個(gè)組分濃度和吸收率，選擇合適的氣室長度。有時(shí)還需要調(diào)整干涉濾光片的透過波長，以方便氣室的選取。例如同時(shí)分析高濃度CO₂和低濃度CO時(shí)，CO₂干涉濾光片就需要選擇具有較低吸收率的波長。

6 結(jié)束語

由于靈敏度高、穩(wěn)定性好、簡單可靠的特性，在線紅外氣體分析器在各工業(yè)、環(huán)保及科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過對(duì)幾種常用紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)及國內(nèi)外主要廠家相關(guān)產(chǎn)品的介紹，闡述了紅外氣體分析器的發(fā)展?fàn)顩r。數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化給紅外氣體分析器增添了強(qiáng)大的功能，是未來紅外分析器發(fā)展的趨勢(shì)。針對(duì)紅外氣體分析器在線應(yīng)用的特點(diǎn)，本文分析了測量誤差的多種影響因素，提出了能夠減小測量誤差、適合在線分析、并提高分析器現(xiàn)場應(yīng)用能力的若干方法，進(jìn)而提高測量準(zhǔn)確度，更好滿足在線工程應(yīng)用的需要。