红外线气体分析仪测量原理、误差分析及故障处理

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1、返回红外线气体分析仪测量原理、误差分析及故障处理张根生中国石化股份公司安庆分公司电仪部（246001）摘要：全面阐述了红外线分析仪的测量原理、结构类型和特点，结合生产装置实际应用，详细分析了仪器误差产生的原因、维护要点和故障处理方法。一、概述红外线是电磁波谱中的一段，介于可见光区和微波区之间，红外线的波长大于可见光线，其波长为0.75～1000µm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50µm之间；中红外线，波长为1.50～6.0µm之间；远红外线，波长为6.0～l000µm之间。当它通过介质时，能被某些分子和原子所吸收，吸收的波带取决于分子和原子的结构。在整个电磁波谱

2、中红外波段的热功率最大，红外辐射主要是热辐射，在红外线分析仪中，使用的波长范围通常在1~16µm之内。由于各种物质的分子本身都有一个特定的振动和转动频率，只有在红外线光谱的频率与分子本身的特有频率一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能，该红外辐射的波长称为该种分子的特征吸收波长。（其实所谓特征吸收波长就是指特征吸收峰处的波长。）下图为部分常见气体的红外吸收光谱图：从图中可以看出，所有碳氢化合物对波长大约为3.4µm处的红外线都表现出吸收特性，成为C-H键化合物谱振频率的集中点，所以不能从这个波长去辨别碳氢化合物，而要从其他波长去辨认。二、红外线分析仪测量原理红外线分析仪是基于被测介质对

3、红外光有选择性吸收而建立的一种分析方法，属于分子吸收光谱分析法。使红外线通过装在一定长度容器内的被测气体，然后通过测定通过气体后的红外线辐射强度来测量被测气体浓度。根据朗伯-比尔吸收定律-kclΙ=Ι0e（2-1）式中Ι0——射入被测组分的光强度Ι——经被测组分吸收后的光强度k——被测组分对光能的吸收系数c——被测组分的摩尔百分比浓度l——光线通过被测组分的长度（气室长度）（2-1）式表明待测组分是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的，当kcl很小时，上式可简化为线性吸收定律Ι=Ι0（1-kcl)（2-2）（2-2）式表明，当cl很小时，辐射能量的衰减与待测组分的浓度成线性关系。为了保

4、证读数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析仪的测量气室较短；当浓度低时，测量气室较长。经吸收后的光能用检测器检测，转换为被测浓度的变化。下面以采用微音检测器的不分光型红外分析仪为例介绍红外线分析仪的基本结构和工作原理。1-光源；2-切光片；3-同步电机；4-测量气室；5-参比气室；6-滤光气室；7-检测气室；8-前置放大器；9-主放大器；10-指示仪表由光源发出一定波长范围的红外光，切光片在同步电机的带动下做周期性旋转，将红外线按一定的周期切割（即连续地周期性地遮断光源），使红外光变成脉冲式红外线辐射，通过测量气室和参比气室后到达检测器，在检测器内腔中位于两个接受室的一侧装有薄膜电容检

5、测器，通过参比气室和测量气室的两路光束交替的射入检测器的前、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，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N2）时，它不吸收待测组分的特征波长，参比气室也充有N2，红外辐射被前、后接受气室内的待测组分吸收后，室内气体被加热，压力上升，检测器内电容薄膜两边压力相等，电容量不变。当测量气室通入含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。测量气室里的被测气体主要吸收谱带中心处的辐射强度，主要影响前室的吸收能

6、量，使前室的吸收能量变小。被测量气室里的被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，经放大处理后得到待测组分的浓度。三、红外线分析仪的类型和特点（一）红外线分析仪的类型按是否把红外光变成单色光来划分，分为不分光型（非色散型）和分光型（色散型）两种。不分光型（NDIR）：光源发出的连续光谱全部投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸收波带的红外光。固定分光型（CDIR）：采用一套分光系

7、统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组分的特征吸收光谱相吻合。按光学系统来划分，可分为双光路和单光路两种。双光路：从两个相同的光源或者分配精确的一个光源，发出两路彼此平行的红外光束，分别通过几何光路相同的分析气室、参比气室后进入检测器。单光路：从光源发出单束红外光，只通过一个几何光路，但是对检测器而言，接受到的是两个不同波长的红外光束只是它们到达检测器的时间不同而已。按使用的检测器类型来划分，分为气动检测器和固体检测器。气动检测器有薄膜电容、微流