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红外连续气体分析仪的光学系统部件丨气体分析仪

2017-11-06

红外气体分析仪主要由发送器和测量电路两大部分构成,发送器可算作红外气体分析仪的“心脏”,它将被测组分的浓度变化转化为某种电参数的变化,再通过相应的测量电路转换成电压或电流输出。发送器又由光学系统和检测器两部分组成,光学系统的构成部件主要有:红外辐射光源组件,包括红外辐射光源、反射体和切光(频率调制)装置;气室和滤光元件,包括测量气室、参比气室、滤波气室和干涉滤光片。

按发光体的种类分,红外辐射光源有合金丝光源、陶瓷光源、半导体光源等;按光能输出形式分,有连续光源和断续光源两类;按辐射光谱的特征分,有广谱(宽谱)光源和干涉光源两类;从光路结构考虑,又有单光源和双光源之分。

在不同发光体的红外辐射光源中,合金丝光源多采用镍铬丝,绕制成螺旋形或锥形。镍铬丝被加热到700℃左右,其辐射光谱的波长主要集中在2~12μm范围内。合金丝光源的优点是光谱波长非常稳定,能长时期高稳定性工作。缺点是长期工作会产生微量气体挥发。

陶瓷光源是通过对两片陶瓷夹层之间印刷在上面的黄金加热丝加热,使得陶瓷片受热后发射出红外光。陶瓷光源的优点是寿命长,物理性能特别稳定,不产生微量气体,是密封式安全隔爆的。缺点是易受温度影响,对控制它的电气参数敏感。

半导体光源包括红外发光二极管(IRLED)和半导体激光光源两类。半导体光源的谱线宽度很窄,可将其集束成焦平面阵列以形成多谱带光谱,再使用二极管阵列检测器检测,发射波长与半导体材料有关。半导体光源的优点是可以工业化生产,价格便宜。缺点是对温度极为敏感,光谱波长稳定性较差。

以光能输出形式分类的光源中,连续光源是指其发出的光能量(辐射)是连续不断的,即辐射光能量不随时间发生变化。断续光源是随时间变化的,如脉冲光源。

以辐射光谱特征分类的光源中,广谱光源的覆盖波长是从1μm到15~20μm,宽谱光源通常在2~5μm。干涉光源以激光为典型,是一种高度单色性的相干光,其谱线宽度极小,通常只有几个nm,优点是背景干扰可以忽略不计。

以光路结构分类的光源中,单光源用于单光路和双光路两种光学系统,优点是避免了双光源性能不一致带来的误差,但缺点是要做到两束光的能量基本相等,在安装和调试上难度很大。双光源仅用于双光路系统,其优缺点恰好与单光源相反,安装、调试容易,但调整两路光的平衡难度较大。

在反射体和切光(频率调制)装置中,反射体主要是保证红外光以平行光形式发射,减少因折射造成的能量损失。因此,对反射体的反射面要求很高,表面不易氧化且反射效率高。切光(频率调制)装置包括切光片和切光马达,切光片由切光马达带动,其作用是把红外光变成断续的光,即对红外光进行频率调制。使的检测器产生的信号成为交流信号,便于放大器放大。

在气室和滤光元件中,测量气室和参比气室的结构基本相同,外形都是圆筒形,筒的两端用晶片密封。测量气室连续地通过待测气体,参比气室完全密封并充有中性气体(多为N2)。气室的主要技术参数有:长度、直径和内壁粗糙度。而气室的窗口材料(晶片)通常安装在气室端头,既要保证整个气室的气密性,同时要具有高的透光率,还能起到部分滤光的作用。因此要求晶片应有高的机械强度,对特定波长有高的“透明度”,还要耐腐蚀、潮湿,抗温度变化等。窗口材料所使用的晶片材料有多种,如:ZnS(硫化锌)、ZnSe(硒化锌)、BaF2(氟化钡)、CaF2(氟化钙,萤石)、LiF2 (氟化锂)、NaCl(氯化钠)、KCl(氯化钾)、SiO2(熔融石英)、蓝宝石等。其中氟化钙和熔融石英晶片使用最广泛。

红外线气体分析仪中常用的滤光元件有两种,一种是早期采用且现在仍在使用的滤波气室,一种是现在普遍采用的干涉滤光片。滤波气室的结构和参比气室一样,只是长度较短。滤波气室内部充有干扰组分气体,吸收其相对应的红外能量以抵消被测气体中干扰组分的影响。滤光片则是一种形式简单的波长选择器,它是基于各种不同的光学现象(吸收、干涉、选择性反射、偏振等)而工作的。从应用上看,滤光片是一种待测组分选择器,而滤波气室是一种干扰组分过滤器。

检测器

薄膜电容检测器又称薄膜微音检测器,由金属薄膜片动极和定极组成电容器,当接收气室内的气体压力受红外辐射能的影响而变化时,推动电容动片相对于定片移动,把被测组分浓度变化转变成电容量变化。结构如图3所示,薄膜电容检测器结构简图。薄膜材料以前多为铝镁合金,厚度为5~8μm,近年来则多采用钛膜,其厚度仅为3μm。定片与薄膜间的距离为0.1~0.03mm,电容量为40~100pF ,两者之间的绝缘电阻>105MΩ。

接收气室的结构有并联型(左、右气室并联)和串联型(前、后气室并联)两种,图3所示为并联型。薄膜电容检测器是红外线气体分析仪长期使用的传统检测器。

优点是温度变化影响小、选择性好、灵敏度高,但须密封并按交流调制方式工作。缺点是薄膜易受机械振动的影响,接收气室漏气即使有微漏也会导致检测器失效,调制频率不能提高,放大器制作比较困难,体积较大等。

微流量检测器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检测器。其传感元件是两个微型热丝电阻,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。

微流量传感器中的热丝元件有两种,一种是栅状镍丝电阻,简称镍格栅,它是把很细的镍丝编织成栅栏状制成的。这种镍格栅垂直装配于气流通道中,微气流从格栅中间穿过。另一种是铂丝电阻,在云母片上用超微技术光刻上很细的铂丝制成。这种铂丝电阻平行装配于气流通道中,微气流从其表面通过。

测量管内装有两个栅状镍丝电阻,和另外两个辅助电阻组成惠斯通电桥。镍丝电阻由恒流电源供电加热至一定温度。当流量为零时,相对于测量管中心的上下游是对称的,电桥处于平衡状态。当气体流过时,气流将上游的部分热量带给下游,导致温度分布变化如实线所示,由电桥测出两个镍丝电阻阻值的变化,得到其温度差ΔT,然后利用质量流量与气体含量的关系计算出被测
气体的实际浓度。

当使用某一特定范围的气体时,质量流量qm可理解为与镍丝电阻之间的温度差ΔT成正比,Oa段为仪表正常测量范围,测量管出口处气流不会带走热量;超过a点后,流量增大到有部分热量被带走时呈现非线性,流量超过b点时则大量热量被带走。

半导体检测器是利用半导体的光电效应原理制成的,当红外光照射到半导体元件上时,半导体元件会吸收光子能量后使非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带,从而降低半导体的电阻,引起电导率的改变,所以又称其为光电导检测器或光敏电阻检测器。

半导体检测器使用的材料主要有锑化铟(InSb)、硒化铅(PbSe)、硫化铅(PbS)、碲镉汞(HgCdTe)等。红外气体分析仪大多采用锑化铟检测器,也有采用硒化铅、硫化铅检测器的。锑化铟检测器在红外波长3~7μm范围内具有高响应率,在此范围内CO、CO2、CH4、C2H2、NO、SO2、NH3等几种气体均有吸收带,其响应时间仅为5×10-6 s 。

半导体检测器的结构简单、成本低、体积小、寿命长、响应迅速。与气动检测器相比,它采用更高的调制频率,使信号的放大处理更为容易。它与窄带干涉滤光片配合使用,可以制成通用性强、快速响应的红外气体分析仪。缺点是半导体元件受温度变化影响大。

热释电检测器是基于红外辐射产生的热效应为原理的检测器,分为把多支热电偶串联在一起形成的热电堆检测器和以热电晶体的热释电效应为原理的热释电检测器两类。热电堆检测器的优点是长期稳定性好,但它对温度非常敏感,不适合作为精密仪器的检测器,多用在红外型可燃气体检测器。热释电检测器的优点是波长响应范围广、检测精度较高、反应快,可在室温的条件下工作。以前多用在傅里叶变换红外分析仪中,响应速度很快,实现高速扫描。现在也已广泛用在红外气体分析仪中。

在晶体的两个端面上加直流电场,晶体内部的正负电荷向阴极和阳极表面移动,使得晶体的一个表面带正电,另一个表面带负电,出现极化现象。对大多数晶体来说,当去掉外加电场后,极化状态就会消失,但有一类叫“铁电体”的晶体例外,外加电场去掉后,它仍能保持原来的极化状态。铁电体的特性是温度愈高则极化强度愈低,温度愈低则极化强度愈高,当温度升高到一定值时,极化状态会突然消失。利用已极化的铁电体,随着温度升高其表面积聚电荷降低,即相当于释放电荷,利用极化强度随温度转移这一现象制成的检测器称为热释电检测器。

热释电检测器常用的晶体材料是硫酸三苷肽(NH2CH2COOH)3H2SO4 (TGS)、氘化硫酸三苷肽(DTGS)和钽酸锂(LiTaO3 )。为减小机械振荡和热传导的损失,检测器被封装成管,管内抽真空或充氪等气体。


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