红外气体传感器培训讲学Word文件下载.docx

1、半导体激光光源主要用作近红外光源，气体吸收灵敏度低。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

2、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，4.13610-15eVs 。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E2E1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。

3、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（m）分析器常用波长（m）一氧化碳CO4.54.74.66二氧化碳CO22.752.8 4.264.3 14.2514.54.27甲烷CH43.253.4 7.47.93.33二氧化硫SO24.04.17 7.257.57.32.2 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

4、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.

5、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1m到1520m，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25m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500.5Hz，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

6、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

7、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

8、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1 QGS-08B薄

9、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

10、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

11、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。分析器的微量量程0-1010-6CO2，0-3010-6CO。（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（4550），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

12、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

13、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”

14、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

15、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

16、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）富士电机的ZRE型微流量红外气体分析器；横河电机的IR100型和IR200型微流量红外气体分析器。（4）Rosemount的X-Stream通用型气体分析器X2GP。（5）德国BUHLER公司，北京雪迪龙公司和成都倍诚公司也生产微流量红外气体分析器，微流量检测器采用西门子产品。4.3 气体滤波相关（GFC）红外气体分析器气体滤波相关检测是通过将透过相关轮上参比气室和分析气室的红外光线的比较得出被分析气体

17、浓度的方法。4.3.1 原理结构1光源，2滤波气室轮，3同步信号发生器，4干涉滤光片，5测量气室，6接收气室，7锑化铟检测元件图3 采用GFC技术的红外分析器原理结构图图3 是一种采用GFC技术的红外分析器原理结构图。滤波气室轮2上装有2个滤波气室，其中一个是分析气室S，充入氮气，另外一个是参比气室R，充入高浓度的待测组分气体。两种滤波气室间隔设置，当滤波气室轮在马达驱动下旋转时，分析气室和参比气室轮流进入光路系统，形成时间上分割的测量、参比双光路。当分析气室,S进入光路时，由于S中充的是氮气，对红外光不吸收的，光束全部通过，进入光路系统形成测量光路。当参比气室R进入光路时，由于R中充的是待测

18、组分气体，红外光中的特征吸收波长部分几乎被完全吸收，其余部分进入光路系统形成参比光路。光源发出的红外光中能被待测组分吸收的仅仅是一小部分，为了提高仪器的选择性，加入了窄带干涉滤光片4，其通带中心波长选择在待测组分的特征吸收峰上，只有特征吸收波长附近的一小部分的红外光能通过滤光片进入测量气室5。接收气室6是一个光锥缩孔，其作用是将光路中的红外光全部会聚到检测元件上。 4.3.2 性能特点（1）水蒸气或其它干扰组分对透过两气室的红外光线的吸收相同，因此检测器接收到的能量差值只与被测气体浓度有关，抗干扰性能良好。（2）适合小量程测量，可以测量0-30（3）滤波气室轮上参比气室的作用主要是波长参比，消

19、除不同红外吸收波长气体的影响。参比气室不起能量参比作用，因此通常稳定性不好，受环境温度影响大。不加能量参比边时不适合在线使用。（4）测量小量程气体时，气室为多次反射池，腔体内容积大，响应时间长。若要减小响应时间，需加大气体流量。4.3.3 国内外主要生产厂家（1）北京华云分析仪器研究所（2）英国Servomex公司Xentra4100系列中的Gfx（2）TELEDYNE公司生产的MODEL GFC7000E/7001E/7002E 4.4 半导体红外气体分析器半导体红外气体分析器是一种结构非常简单的气体分析器。4.4.1 原理结构北分麦哈克公司QGS-08E型半导体红外气体分析器的原理结构如图

20、4。图4 QGS-08E红外线分析器原理结构图脉冲红外光源发射特定频率的辐射光，辐射光通过气室被检测器接收。该仪器所采用的检测器是热释电检测器，具有两个检测通道：分析检测通道和参比检测通道。当气室通入N2时，红外光在气室内不被吸收，分析检测通道输出信号最大。当气室通以待测组分时，红外光线在气室内被吸收，分析检测通道输出信号减小。分析检测通道输出信号由于气室中待测组分的吸收而发生变化，产生一个与待测组分浓度成比例的输出信号。参比检测通道的输出信号不受被测气体及其浓度影响，用于反映光源光强的变化，以补偿分析检测通道的输出信号。光源可以采用电调制脉冲光源，也可以采用传统的电机切光广谱光源。半导体红外

21、检测器有：光电检测器、热电堆检测器和热释电检测器等三大类。光电检测器具有很高的响应率和探测率，但对红外光线具有选择性吸收的特性。一种光电检测器只能检测位于可检测波长范围的红外线，例如锑化铟检测器的检测波长范围为2-7um，因此能检测CO和CO2，但不能检测NH3和SO2。热电堆对温度非常敏感，温度影响系数较大，不适合作为精密仪器的检测器。热释电检测器具有波长响应范围广、检测精度高、反应快的特点，温度影响系数比热电堆要小，因此适合用于高精度测量的气体分析仪器。4.4.2 性能特点（1）结构简单，成本低廉，生产和维修方便。（2）适合常量气体分析。（3）只通过干涉滤光片区分气体，选择性不好，容易受背

22、景气体中干扰组分的影响。但加滤波气室后可以增强抗干扰能力。（4）增加检测器的通道数目就可实现多组分测量。（5）半导体检测器受温度影响很大。检测器必须恒温控制或软件温度补偿。4.4.3 国内外主要生产厂家（1）北京北分麦哈克公司的QGS-08E型红外气体分析器。（2）西克麦哈克公司的S700型红外气体分析器可以配备半导体分析模块。MCS100E是一种采用热释电检测器的红外分析器，可在高温下分析，最多能测量8种气体组分。4.5 傅立叶红外气体分析器傅立叶红外气体分析器采用干涉分光方法，属于分光型仪器。4.5.1 原理结构傅里叶变换红外分析器光学部分由光源、迈克尔逊干涉仪、样品室、检测器（热释电检测

23、器）组成。其原理结构如图5所示。S光源，M l一定镜，M 2一动镜，BS一分束分离器，D检测器，Sa一样品室图5 傅立叶红外气体分析器原理结构图红外光源S发出的红外光经准直为平行光束进入干涉仪。干涉仪由定镜M1、动镜M2和与M1、M2分别成45角的光束分离器BS组成。定镜M1固定不动，动镜M2可沿入射光方向作平行移动。光束分离器BS可让入射的红外光一半透过，另一半被反射。光源S发出的红外光进入干涉仪后，通过BS的光束入射到动镜M2表面，另一半被BS反射到定镜M1构成光束；光束、又被动镜M2和定镜M1反射回到BS，并通过样品室Sa再被反射到检测器D。当两束光、到达D时，其光程差将随动镜M2的往复

24、运动周期性地变化，从而产生干涉现象。信号经过放大器、滤波器、AD采样之后送入数据处理系统。经傅立叶变换将干涉图转化为吸收光谱，再扫描光谱图库，找寻与吸收光谱匹配的谱图，通过比较计算，得出每种待测组分的浓度。在线傅立叶气体分析器已用于污染源排放的连续监测，其优势之一是使用一台仪器可以同时测量多种气体组分。这一特点适用于燃烧源、有毒废物焚烧炉以及工业生产过程。这种仪器最适合测量低分子量化合物（分子量50）。4.5.2 性能特点（1）大大提高了谱图的信噪比。所用光学元件少，无狭缝和光栅分光镜，因此到达检测器的辐射强度高，信噪比大。（2）波数测量精度高。（3）峰形分辨能力强。（4）扫描速度快。在1秒之

25、内完成光谱的扫描。（5）对于某种新的应用对象，增加或更改某种测量组分时，不需要设计新分析器，只需使用新的谱图即可。4.5.3 国内外主要生产厂家（1）ABB公司的9200型傅立叶变换红外分析器。（2）西克麦哈克公司的傅立叶红外分析器。（3）英国ADC公司傅立叶红外气体分析器。5 在线红外气体分析器的工程应用研究红外气体分析器在工程上在线使用，必须考虑现场背景气体及工作环境条件对仪器分析过程的影响，并通过各种方法消除或减小这些影响。文献9提出了广义干扰的定义、特征和起源，并给出了干扰影响误差的定量分析和抗干扰的措施，为保障和提高分析器计量的准确度提供了非常有效的方法。本文分析和研究红外分析器现场

26、工程应用中可能受到的各种影响因素，并对此提出一些可行的解决方法。5.1 参比边的作用按照朗伯比尔定律，红外气体分析器只要单气室或单通道就可以测量气体浓度。但实际使用时，红外光源和检测器稳定性不好，测量信号会出现很大漂移。在线红外气体分析器的光路通常设计参比气室或参比通道。参比气室通常充有氮气或浓度已知的气体，通过参比气室的红外能量与被分析气体的吸收无关，仅反映了光学部件的稳定状况。与通过分析气室的能量作比较而测量出气体浓度，可以大大提高分析器测量的稳定性。北分麦哈克公司的QGS-08B、QGS-08D和QGS-08C的气室为单筒隔半气室，一半为分析器气室，另一个为参比气室，该类分析器具有非常好

27、的稳定性。西门子公司的ULTRAMAT6也是双光路结构，具有参比气室。参比通道的作用类似参比气室，参比通道对应的红外波长范围通常不存在气体吸收，仅与光学部件有关，反映光学部件的稳定状况。通过分析通道和参比通道的比较而测量出气体浓度，可以有效提高分析器测量的稳定性。北分麦哈克公司的QGS-08E红外气体分析器的检测器具有参比通道。西克麦哈克公司的MCS100E也具有参比通道。这类分析器稳定性良好。薄膜微音和微流量的在线红外气体分析器具有参比气室，半导体在线红外气体分析器具有参比通道，从而具有很好的稳定性。西门子公司的ULTRAMAT23红外气体分析器没有参比气室和参比通道，但有时也在线使用，如使

28、用于CEMS系统。ULTRAMAT23定时切换采样泵，抽取新鲜空气，作为零点气标定零点。通过自动通气标零实现分析器的长期稳定。自动标零的过程中气室内充有零点气而非样气，不能进行正常测量，因此在工业流程使用时，需要考虑这个因素。当样气中含有微小灰尘颗粒时，参比通道和分析通道输出信号都有所衰减，抵扣处理后测量基本不受影响。但参比气室没有这种作用，无法消除此影响。在线红外气体分析器有时也存在电气参比，例如，通过零点输入或固定信号输入，测量模拟通道的输出，以提高电气的稳定性。5.2 背景气体工程应用中的背景气体往往非常复杂，包含其它对测量造成影响的干扰组分和水蒸气。干扰组分和水蒸气的浓度经常是不确定和随机变化的。为消除或减小此影响，通常有以下处理方法：（1）样气处理系统通过物理或化学方法除去干扰组分，通过制冷，减小水蒸气浓度（露点）。（2）如果确定干扰组分和水蒸气的浓度是不变的，可以用软件直接扣除影响量。（3）如果干扰组分是变化的，在光路中加装滤波气室。气室中充有高浓度的干扰组分，将干扰组分对应的红外能量全部吸收，从而检测器不受干扰组分影响。但该方法降低了分析灵敏度。（4）光路加装干扰组分和水蒸气浓度分析部件，检测干扰组分和水蒸气浓度，软件实时扣除变化的影响量。5.3 标定气体在线分析器的技