红外气体分析器的发展及工程应用研究

红外气体分析器的发展及工程应用研究发布时间：10-12-14来源：点击量：1755字段选择：大中小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：◇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CO4.5～4.74.66二氧化碳CO22.75～2.84.26～4.314.25～14.54.27甲烷CH43.25～3.47.4～7.93.33二氧化硫SO24.0～4.177.25～7.57.32.2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：(1)(2)式中和分别表示红外频率为的光线入射时和经过压力、浓度和光程的气体后的光强，表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数表征该吸收谱线的形状。当气体的吸收较小(吸收率低、浓度低或光程较短)，可用公式(2)来近似表达气体的吸收。这些关系表明气体浓度越大，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对红外光线的衰减来测量气体浓度。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，最短的为0.3mm;当浓度低时，测量气室较长，最长的为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。宽谱光源的谱带宽度通常在几个微米，如2～5μm就是其中的一种。(1)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。(2)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，参比气室完全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。基于模拟元件的分段线性化设计无法彻底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。二十世纪八十年代末九十年代初，红外气体分析器出现数字化的技术升级。信号经放大滤波之后送入微处理器，由微处理完成模数转换、线性化、浓度分析、温度补偿、压力补偿和输出显示，采用分段线性或其它软件算法实现线性化，很好解决了非线性问题。环境温度和大气压力的补偿也容易实现，减小了外部环境对分析过程的影响。液晶显示和菜单操作实现良好的人机接口，提供丰富的显示信息，操作简单方便。数字式通信功能更方便了系统集成，数字化、智能化和网络化为分析器增添了强大的功能，是未来分析器发展的趋势。在线红外气体分析器常用的有五种类型：薄膜微音红外气体分析器，微流量红外气体分析器;气体滤波相关红外气体分析器，半导体红外气体分析器，傅立叶红外气体分析器。它们的原理结构、性能特点和国内外主要生产厂家分别予以阐述。所述原理结构的内容来源于参考文献[1,3-8]。4.1薄膜微音红外气体分析器薄膜微音红外气体分析器的检测器由钛金属薄膜片动极和定极组成，当接收气室内的气体压力受红外辐射能的影响而变化时，推动电容片相对定极移动，把被测组分浓度转变成电容量变化。薄膜微音红外气体分析器在在线气体分析领域得到广泛应用，大约占在线红外分析器50%的份额。4.1.1原理结构北京北分麦哈克公司QGS-08B型薄膜微音红外气体分析器的原理结构如图1。图1QGS-08B薄膜微音红外气体分析器原理图该仪器采用单光源和薄膜电容检测器，测量气室和参比气室采用“单筒隔半”型结构，接收气室属于串联型，有前、后两室，二者之间用晶片隔开。在检测器的内腔中位于两个接收室的一侧装有薄膜电容检测器，通过参比气室和测量气室的两路光束交替地射入检测器的前、后吸收室。在较短的前室充有被测气体，这里辐射的吸收主要是发生在红外光谱带的中心处，在较长的后室也充有被测气体，由于后室采用光锥结构，它吸收谱带两侧的边缘辐射。当测量气室通入不含待测组分的混合气体(零点气)时，它不吸收待测组分的特征波长，红外辐射被前、后接收气室内的待测组分吸收后，室内气体被加热，压力上升，检测器内电容器薄膜两边压力相等，接收气室的几何尺寸和充入气体的浓度都是按上述原则设计的。当测量气室通入含有待测组分的混合气体时，因为待测组分在测量气室已预先吸收了一部分红外辐射，使射入检测器的辐射强度变小。此辐射强度的变化主要发生在谱带的中心处，主要影响前室的吸收能量，使前室的吸收能量减小。被待测组分吸收后的红外辐射把前、后室的气体加热，使其压力上升，但能量平衡已被破坏，所以前、后室的压力就不相等，产生了压力差，此压力差使电容器膜片位置发生变化，从而改变了电容器的电容量，因为辐射光源已被调制，因此电容的变化量通过电气部件转换为交流的电信号，经放大后处理后得到待测组分的浓度。4.1.2性能特点(1)稳定性好，非常适合在线使用。(2)灵敏度高，既可以分析常量气体，又可以分析微量气体，适用量程范围广。例如：分析器的微量量程0-10×10-6CO2，0-30×10-6CO。(3)抗背景气体干扰能力强，只有被检测器内气体吸收所对应的气体才有灵敏度。(4)环境温度影响小。环境温度的变化对气体吸收及检测器的灵敏度有一定影响，但是如果对光学部件恒温(45～50℃)，且用软件补偿后，在工作温度范围内影响误差可以控制在±1%以内。(5)当仪器剧烈振动时对测量会有一定影响。4.1.3国内外主要生产厂家(1)北京北分麦哈克公司的QGS-08B为模拟式微量分析器;QGS-08D为模拟式常量分析器;QGS-08C为宽屏LED显示智能化分析器。(2)川仪九厂的PA200-GXH型红外分析器。(3)ABB公司红外分析器Uras26型(原H&B公司红外分析器)。(4)SICK公司S700红外分析器的MULTOR红外模块(原麦哈克公司红外分析器)。4.2微流量红外气体分析器微流量检测是一种利用敏感元件的热敏特性测量微小气体流量变化的气体测量方法。传感元件是两个微型热丝电阻镍镉栅和另外两个辅助电阻组成惠斯通电桥。热丝电阻通电加热至一定温度，当有气体流过时，带走部分热量使热丝元件冷却，电阻变化，通过电桥转变成电压信号。4.2.1原理结构西门子公司ULTRAMAT23型微流量红外气体分析器的原理结构如图2。1-毛细管气流通道，2-第二层接收气室，3-微流量传感器，4-测量气室，5-切光片，6-切光片马达，7-红外光源，8-反射镜，9-光学窗口，10-可调滑片，11-第一层接收气室，12-第三层接收气室图2微流量检测器的单光路红外分析器光学系统示意图红外光源7被加热到600℃时发射出红外线，由切光片5调制成频率为25/3Hz的间断光束，经测量气室4进入检测器的接收气室。接收气室由填充了待测组分的多层串联气室组成，第一层吸收红外辐射波带中间位置的能量，第二层吸收边界能量，二者之间通过微流量传感器3连接在一起。当切光片处于“接通”位置时，第一层接收气室11填充的待测组分吸收红外辐射能量后，受热膨胀，压力增大，气流经毛细管通道流向第二层接收气室2;当切光片处于“遮断”位置时，第一层气室填充气体冷却收缩，压力减小，第二层气室的气流经毛细管通道反向流回第一层气室。切光片交替通断，气流往返流经微流量传感器，便在检测器电桥两端产生了交流信号，信号幅度大小与流经传感器的气体流量成正比，而与待测组分的浓度成反比。微流量传感器中有两个被加热到大约120℃的镍格栅，这两个镍格栅电阻和两个辅助电阻形成惠斯通电桥。脉冲气流反复流经微流量传感器，导致镍格栅电阻阻值发生变化。接收气室采用串联型结构是为了消除干扰组分对测量结果的影响。在接收气室中，除填充待测组分外，还根据被测气体的组成填充一定比例的干扰组分。干扰组分在第一、二两层气室中对红外辐射的吸收，产生的压力作用方向相反，相互抵消。在ULTRAMAT23产品中，还设有第三层接收气室12，其功能是延长二层气室的光程长度，吸收红外辐射边缘能量，并可通过滑片调整三层气室的透光孔径大小，改变红外吸收，最大限度地减少某个干扰组分的影响，作用相当于一个可调光锥。4.2.2性能特点(1)双光路的微流量红外气体分析器稳定性好，可以在线使用。(2)灵敏度高，可以分析微量气体。(3)检测器结构简单，成本低廉。(4)检测器可以串联使用，适合同时分析多种组分。(5)检测器不怕振动，振动对仪器测量无影响。4.2.3国内外主要生产厂家(1)武汉四方光电子有限公司的微流量红外气体分析器Gasboard-3000型(新产品)，检测器为该公司自主研发，可以实现多组分测量。(2)西门子公司的ULTRAMAT6型红外气体分析器，双光路结构，适合在线使用;ULTRAMAT23型红外气体分析器，单光路结构，检测器可以串联，实现多组分测量。(3)富