by / sumaart
1 總述
在線分析儀器作為分析儀器的重要組成部分，可直接安裝在工業(yè)生產(chǎn)流程或其他源流體現(xiàn)場(chǎng)，是用于在過程工藝中，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分或物性參數(shù)連續(xù)或周期性的自動(dòng)在線分析和過程監(jiān)測(cè)的分析儀器，即對(duì)于物質(zhì)成分或物性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)測(cè)量，并將檢測(cè)到的物質(zhì)成分或物性參數(shù)信息用于工藝過程產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)或過程設(shè)備安全高效運(yùn)行的自動(dòng)控制。
按照在線分析儀器的檢測(cè)方法及測(cè)量信息的處理輸出形式，我們對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體成分或物性參數(shù)連續(xù)不間斷測(cè)量，并實(shí)時(shí)做信息處理及傳輸?shù)脑诰€氣體分析儀稱之為連續(xù)氣體分析儀。在連續(xù)氣體分析儀中，我們根據(jù)其安裝方式的不同，可分為原位式和取樣式。在連續(xù)氣體分析儀中，我們根據(jù)其測(cè)量原理的不同，可分為在線光譜氣體分析儀、在線熱學(xué)式氣體分析儀、在線順磁式氧氣分析儀、在線電化學(xué)式氣體分析儀及其他在線連續(xù)氣體分析儀。
在線光譜氣體分析儀（又稱之為在線光學(xué)式氣體分析儀）是通過電磁輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生輻射的吸收，引起原子、分子內(nèi)部量子化能級(jí)之間的躍遷，從而測(cè)量輻射波長(zhǎng)或強(qiáng)度變化的一類光學(xué)分析方法。按照被分析物質(zhì)（分子或是原子）的吸收光譜或發(fā)射光譜分類，在線光譜氣體分析儀可分為分子吸收光譜法，分子發(fā)射光譜法，原子吸收/發(fā)射光譜法及其他光譜類分析法。在使用分子吸收光譜法的在線光譜氣體分析儀中，依據(jù)分子吸收光譜的不同波長(zhǎng)范圍，可分為紅外光譜分析儀，近紅外光譜分析儀，傅里葉紅外光譜分析儀，激光光譜分析儀，紫外光譜分析儀及紫外-可見光光譜分析儀。
本文將針對(duì)在線光譜連續(xù)氣體分析儀中的紅外分子吸收光譜，即在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀的技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)做出闡述。
2 測(cè)量原理
電磁輻射是以極快速度通過空間傳播的光量子流，是一種能量的形式，電磁輻射具有波動(dòng)性與微粒性。按照頻率分類，從低頻率到高頻率，電磁輻射波譜包括無線電波，微波，紅外線，可見光，紫外線，X射線和伽馬射線等，如圖1-11-1，電磁波頻譜示意圖。
圖1-11-1 電磁波頻譜示意圖
電磁輻射通常以頻率，波長(zhǎng)或光子能量這3種物理量中的任意一種來描述，即通過普朗克方程式表達(dá)。E=hv=hc/λ [ E:光子能量，v：頻率，h：普朗克常數(shù)，c：光速，λ：波長(zhǎng)（波長(zhǎng)λ在不同范圍內(nèi)采用不同的單位表示，γ射線，x射線，可見光和紫外光采用nm，紅外光采用μm，微波采用mm，射頻采用m）]。由此可見，波長(zhǎng)與能量成反比，波長(zhǎng)越短，能量越大；頻率與能量成正比，頻率越高，能量越大。
分子由原子和外層電子組成，各外層電子處在不同的能級(jí)中，而分子本身還有組成分子的各個(gè)原子間的振動(dòng)能級(jí)及分子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。當(dāng)從外界吸收電磁輻射能時(shí)，電子、分子、原子受到激發(fā)，會(huì)從較低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。分子振動(dòng)能級(jí)的基頻位于中紅外波段，因此中紅外吸收能力強(qiáng)，靈敏度高。因此在線光譜分析技術(shù)以中紅外光譜分析（2.5～15μm）應(yīng)用最為成熟，特別是采用紅外線的在線紅外氣體分析技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。
紅外線是電磁波譜中的一段，介于可見光區(qū)和微波區(qū)之間，因?yàn)樗诳梢姽庾V紅光界限之外，所以得名紅外光譜。在整個(gè)電磁波譜中紅外波段的熱功率最大，紅外輻射主要是熱輻射。在紅外氣體分析器中，使用的波長(zhǎng)范圍通常在2.5～15μm之內(nèi)，主要集中在2.5～12μm 之間。紅外線通過裝在一定長(zhǎng)度容器內(nèi)的被測(cè)氣體，然后測(cè)定通過氣體后的紅外線輻射強(qiáng)度I，依據(jù)比爾－朗伯特吸收定律 （I0：射入被測(cè)組分的光強(qiáng)度，I：經(jīng)被測(cè)組分吸收后的光強(qiáng)度， k：被測(cè)組分對(duì)光能的吸收系數(shù)， c：被測(cè)組分的摩爾百分濃度， l：光線通過被測(cè)組分的長(zhǎng)度），可以得到被測(cè)組分的摩爾百分濃度，從而完成測(cè)量應(yīng)用。當(dāng)某一波長(zhǎng)紅外輻射的能量恰好等于某種分子振動(dòng)能級(jí)的能量之差時(shí)，就會(huì)被該種分子吸收，并產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)能級(jí)躍遷，這一波長(zhǎng)便稱為該種分子的特征吸收波長(zhǎng)，如圖1-11-2，常見氣體的紅外吸收光譜圖。
圖1-11-2 常見氣體的紅外吸收光譜圖
3 分類及特點(diǎn)
紅外氣體分析儀按照光源發(fā)出的光是否經(jīng)過分光分為分光型和非分光型紅外氣體分析儀。固定分光型（CDIR）采用分光系統(tǒng)，使通過氣室的輻射光譜與待測(cè)組分的特征吸收光譜吻合，其優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，缺點(diǎn)是光束能量會(huì)減小，靈敏度不高。非分光型（NDIR）是指光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部投射到待測(cè)樣品上，待測(cè)組分吸收其各個(gè)特征波長(zhǎng)譜帶的紅外光，吸收具有積分性質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，高信噪比和良好的穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是待測(cè)樣品中的其他組分的重疊吸收峰會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。
紅外氣體分析儀按照光學(xué)系統(tǒng)不同分為雙光路和單光路紅外氣體分析儀。雙光路是從兩個(gè)相同的光源或從精確分配的一個(gè)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(cè)器。單光路是從光源發(fā)出單束紅外光，只通過一個(gè)幾何光路。但對(duì)于檢測(cè)器，接收到的是兩個(gè)不同波長(zhǎng)的紅外光束，只是它們到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間不同。即利用調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)，將光源發(fā)出的光調(diào)制成不同波長(zhǎng)的紅外光束，輪流通過分析氣室送往檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的雙光路。
紅外氣體分析儀按照檢測(cè)器類型的不同分為薄膜電容檢測(cè)器、微流量檢測(cè)器、半導(dǎo)體檢測(cè)器、熱釋電檢測(cè)器四種。而根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的差別，又可以分成兩類，前兩種屬于氣動(dòng)檢測(cè)器，后兩種屬于固體檢測(cè)器。氣動(dòng)檢測(cè)器靠氣動(dòng)壓力差工作，薄膜電容檢測(cè)器中的薄膜振動(dòng)靠這種壓力差驅(qū)動(dòng)，微流量檢測(cè)器中的流量波動(dòng)也是由這種壓力差引起。不分光紅外（NDIR）源自氣動(dòng)檢測(cè)器，只對(duì)待測(cè)氣體特征吸收波長(zhǎng)的光譜有靈敏度，不需要分光就能得到很好的選擇性。半導(dǎo)體檢測(cè)器和熱釋電檢測(cè)器的檢測(cè)元件均為固體器件，固體檢測(cè)器直接對(duì)紅外輻射能量有響應(yīng)，對(duì)紅外輻射光譜無選擇性，這種紅外分析屬于固定分光型（CDIR）。從優(yōu)點(diǎn)上看，氣動(dòng)檢測(cè)器的檢出限和靈敏度很好，而固體檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整容易。
紅外氣體分析儀按照檢測(cè)組分?jǐn)?shù)量的不同分為單組分和多組分。紅外氣體分析儀按照結(jié)構(gòu)形式的不同分為防爆和非防爆。紅外氣體分析儀按照安裝結(jié)構(gòu)的不同分為機(jī)架式、臺(tái)式、壁掛式、柜式及便攜式。
紅外氣體分析儀的主要特點(diǎn)有：
1）能測(cè)量多種氣體。除惰性氣體和具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)無極性的雙原子分子氣體外，CO、CO2、NO、SO2、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(cè)量。
2）測(cè)量范圍寬。可分析氣體的上限達(dá)100％，下限達(dá)幾個(gè)ppm濃度。甚至精細(xì)化處理后，還可進(jìn)行痕量（ppb）分析。
3）靈敏度高。具有很高的檢測(cè)靈敏度，氣體濃度的微小變化都能分辨出來。
4）測(cè)量精度高。一般在±2％F.S.，也有達(dá)到或優(yōu)于±1％F.S.。分析精度較高且穩(wěn)定性好。
5）反應(yīng)快。響應(yīng)時(shí)間T90一般在10s以內(nèi)。
6）具有良好的選擇性。紅外氣體分析儀具有很高的選擇性系數(shù)，因此它特別適用于對(duì)多組分混合氣體中某一待分析組分的測(cè)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(shí)，并不影響對(duì)待分析組分的測(cè)量。因此，紅外氣體分析儀只要求背景氣體的干燥、清潔和無腐蝕性，而對(duì)背景氣體的組成及各組分的變化要求不嚴(yán)。
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