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红外连续气体分析仪技术应用及发展丨气体分析仪

2017-11-03

1 总述

在线分析仪器作为分析仪器的重要组成部分,可直接安装在工业生产流程或其他源流体现场,是用于在过程工艺中,实现对物质成分或物性参数连续或周期性的自动在线分析和过程监测的分析仪器,即对于物质成分或物性参数进行实时的连续测量,并将检测到的物质成分或物性参数信息用于工艺过程产品质量的自动监测或过程设备安全高效运行的自动控制。

按照在线分析仪器的检测方法及测量信息的处理输出形式,我们对能够实现气体成分或物性参数连续不间断测量,并实时做信息处理及传输的在线气体分析仪称之为连续气体分析仪。在连续气体分析仪中,我们根据其安装方式的不同,可分为原位式和取样式。在连续气体分析仪中,我们根据其测量原理的不同,可分为在线光谱气体分析仪、在线热学式气体分析仪、在线顺磁式氧气分析仪、在线电化学式气体分析仪及其他在线连续气体分析仪。

在线光谱气体分析仪(又称之为在线光学式气体分析仪)是通过电磁辐射与物质相互作用时产生辐射的吸收,引起原子、分子内部量子化能级之间的跃迁,从而测量辐射波长或强度变化的一类光学分析方法。按照被分析物质(分子或是原子)的吸收光谱或发射光谱分类,在线光谱气体分析仪可分为分子吸收光谱法,分子发射光谱法,原子吸收/发射光谱法及其他光谱类分析法。在使用分子吸收光谱法的在线光谱气体分析仪中,依据分子吸收光谱的不同波长范围,可分为红外光谱分析仪,近红外光谱分析仪,傅里叶红外光谱分析仪,激光光谱分析仪,紫外光谱分析仪及紫外-可见光光谱分析仪。

本文将针对在线光谱连续气体分析仪中的红外分子吸收光谱,即在线红外光谱连续气体分析仪的技术现状、应用及发展趋势做出阐述。


2 测量原理

电磁辐射是以极快速度通过空间传播的光量子流,是一种能量的形式,电磁辐射具有波动性与微粒性。按照频率分类,从低频率到高频率,电磁辐射波谱包括无线电波,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线和伽马射线等,如图1-11-1,电磁波频谱示意图。

图1-11-1 电磁波频谱示意图

电磁辐射通常以频率,波长或光子能量这3种物理量中的任意一种来描述,即通过普朗克方程式表达。E=hv=hc/λ [ E:光子能量,v:频率,h:普朗克常数,c:光速,λ:波长(波长λ在不同范围内采用不同的单位表示,γ射线,x射线,可见光和紫外光采用nm,红外光采用μm,微波采用mm,射频采用m)]。由此可见,波长与能量成反比,波长越短,能量越大;频率与能量成正比,频率越高,能量越大。

分子由原子和外层电子组成,各外层电子处在不同的能级中,而分子本身还有组成分子的各个原子间的振动能级及分子自身的转动能级。当从外界吸收电磁辐射能时,电子、分子、原子受到激发,会从较低能级跃迁到较高能级。分子振动能级的基频位于中红外波段,因此中红外吸收能力强,灵敏度高。因此在线光谱分析技术以中红外光谱分析(2.5~15μm)应用最为成熟,特别是采用红外线的在线红外气体分析技术应用最为广泛。

红外线是电磁波谱中的一段,介于可见光区和微波区之间,因为它在可见光谱红光界限之外,所以得名红外光谱。在整个电磁波谱中红外波段的热功率最大,红外辐射主要是热辐射。在红外气体分析器中,使用的波长范围通常在2.5~15μm之内,主要集中在2.5~12μm 之间。红外线通过装在一定长度容器内的被测气体,然后测定通过气体后的红外线辐射强度I,依据比尔-朗伯特吸收定律 (I0:射入被测组分的光强度,I: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浓度, l:光线通过被测组分的长度),可以得到被测组分的摩尔百分浓度,从而完成测量应用。当某一波长红外辐射的能量恰好等于某种分子振动能级的能量之差时,就会被该种分子吸收,并产生相应的振动能级跃迁,这一波长便称为该种分子的特征吸收波长,如图1-11-2,常见气体的红外吸收光谱图。


图1-11-2 常见气体的红外吸收光谱图



3 分类及特点

红外气体分析仪按照光源发出的光是否经过分光分为分光型和非分光型红外气体分析仪。固定分光型(CDIR)采用分光系统,使通过气室的辐射光谱与待测组分的特征吸收光谱吻合,其优点是选择性好,缺点是光束能量会减小,灵敏度不高。非分光型(NDIR)是指光源发出的连续光谱全部投射到待测样品上,待测组分吸收其各个特征波长谱带的红外光,吸收具有积分性质,其优点是灵敏度高,高信噪比和良好的稳定性,缺点是待测样品中的其他组分的重叠吸收峰会对测量产生干扰。

红外气体分析仪按照光学系统不同分为双光路和单光路红外气体分析仪。双光路是从两个相同的光源或从精确分配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。单光路是从光源发出单束红外光,只通过一个几何光路。但对于检测器,接收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。即利用调制盘的旋转,将光源发出的光调制成不同波长的红外光束,轮流通过分析气室送往检测器,实现时间上的双光路。

红外气体分析仪按照检测器类型的不同分为薄膜电容检测器、微流量检测器、半导体检测器、热释电检测器四种。而根据结构和工作原理的差别,又可以分成两类,前两种属于气动检测器,后两种属于固体检测器。气动检测器靠气动压力差工作,薄膜电容检测器中的薄膜振动靠这种压力差驱动,微流量检测器中的流量波动也是由这种压力差引起。不分光红外(NDIR)源自气动检测器,只对待测气体特征吸收波长的光谱有灵敏度,不需要分光就能得到很好的选择性。半导体检测器和热释电检测器的检测元件均为固体器件,固体检测器直接对红外辐射能量有响应,对红外辐射光谱无选择性,这种红外分析属于固定分光型(CDIR)。从优点上看,气动检测器的检出限和灵敏度很好,而固体检测器的结构简单,调整容易。

红外气体分析仪按照检测组分数量的不同分为单组分和多组分。红外气体分析仪按照结构形式的不同分为防爆和非防爆。红外气体分析仪按照安装结构的不同分为机架式、台式、壁挂式、柜式及便携式。

红外气体分析仪的主要特点有:

1)能测量多种气体。除惰性气体和具有对称结构无极性的双原子分子气体外,CO、CO2、NO、SO2、NH3等无机物、CH4、C2H4等烷烃、烯烃和其他烃类及有机物都可用红外分析器进行测量。

2)测量范围宽。可分析气体的上限达100%,下限达几个ppm浓度。甚至精细化处理后,还可进行痕量(ppb)分析。

3)灵敏度高。具有很高的检测灵敏度,气体浓度的微小变化都能分辨出来。

4)测量精度高。一般在±2%F.S.,也有达到或优于±1%F.S.。分析精度较高且稳定性好。

5)反应快。响应时间T90一般在10s以内。

6)具有良好的选择性。红外气体分析仪具有很高的选择性系数,因此它特别适用于对多组分混合气体中某一待分析组分的测量,而且当混合气体中一种或几种组分的浓度发生变化时,并不影响对待分析组分的测量。因此,红外气体分析仪只要求背景气体的干燥、清洁和无腐蚀性,而对背景气体的组成及各组分的变化要求不严。


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