紅外線氣體分析器的類型和特點(diǎn)

  紅外線氣體分析器的類型

目前使用的紅外線氣體分析器類型很多，分類方法也較多。

(1)從是否把紅外光變成單色光來劃分，可分為不分光型(非色散型)和分光型(色散型)兩種。不分光紅外一氧化碳分析儀

不分光型  光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部都投射到待測樣品上，待測組分吸收其特征波長譜帶(有一定波長寬度的輻射帶)的紅外光，就其吸收來說具有積分性質(zhì)。因此不分光型儀器的靈敏度比分光型高得多，并且具有較高的信噪比和良好的穩(wěn)定性。其主要缺點(diǎn)是待測樣品各組分間有重疊的吸收峰時(shí)，會(huì)給測量帶來干擾。

分光型  采用一套分光系統(tǒng)，使通過測量氣室的輻射光譜與待測組分的特征吸收光譜相吻合。其優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，靈敏度較高；缺點(diǎn)是分光后光束能量很小，分光系統(tǒng)任一元件的微小位移，都會(huì)影響分光的波長。因此，分光型儀器一直用在條件較好的實(shí)驗(yàn)室，長期未能用于在線分析。近年來，隨著窄帶干涉濾光片的廣泛使用，分光型儀器開始進(jìn)入在線分析。不過這種借助于干涉濾光片的分光不同于光柵系統(tǒng)的分光，它不能形成連續(xù)光譜，只能對(duì)某個(gè)特定波長附近的狹窄譜帶進(jìn)行選通，因此，將其稱為“準(zhǔn)分光型儀器”也許更為合適。

(2)從光學(xué)系統(tǒng)來劃分，可以分為雙光路和單光路兩種。

雙光路  從兩個(gè)相同的光源分配的一個(gè)光源，發(fā)出兩路彼此平行的紅外光束，分別通過幾何光路相同的分析氣室、參比氣室后進(jìn)入檢測器。

單光路  從光源發(fā)出的單束紅外光，只通過一個(gè)幾何光路。但是對(duì)于檢測器而言，接收到的是兩個(gè)不同波長的紅外光束，只是它們到達(dá)檢測器的時(shí)間不同而已。這是利用濾波輪的旋轉(zhuǎn)(在濾波輪上裝有窄帶干涉濾光片或?yàn)V波氣室)，將光源發(fā)出的光調(diào)制成不同波長的紅外光束，輪流送往檢測器，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的雙光路。

(3)從使用的檢測器類型來劃分。

紅外線氣體分析器中使用的檢測器，目前主要有薄膜電容檢測器、微流量檢測器、半導(dǎo)體檢測器、熱釋電檢測器四種。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理上的差別，我們可以將上述四種檢測器分成兩類，其中前兩種檢測器屬于氣動(dòng)檢測器，后兩種檢測器屬于固體檢測器。

氣動(dòng)檢測器靠氣動(dòng)壓力差工作，薄膜電容檢測器中的薄膜振動(dòng)靠這種壓力差驅(qū)動(dòng)，微流量檢測器中的流量波動(dòng)也是由這種壓力差引起的。這種壓力差來源于紅外輻射的能量差，而這種能量差是由測量光路和參比光路形成的，所以氣動(dòng)檢測器一般和雙光路系統(tǒng)配合使用。

不分光紅外(NDIR)源自氣動(dòng)檢測器。氣動(dòng)檢測器內(nèi)密封的氣體吸收波長和待測氣體的特征吸收波長相同(通常是待測氣體和氬氣的混和氣)，所以光譜光源的連續(xù)輻射到達(dá)檢測器后，它只對(duì)待測氣體特征吸收波長的光譜有靈敏度，不需要分光就能得到很好的選擇性。不分光紅外一氧化碳分析儀

半導(dǎo)體檢測器和熱電檢測器中沒有可移動(dòng)部件，其檢測元件均為固體器件，根據(jù)這一特征我們將其統(tǒng)稱為固體檢測器。固體檢測器直接對(duì)紅外輻射能量有響應(yīng)，與其配用的光學(xué)系統(tǒng)均為單光路結(jié)構(gòu)，靠濾波輪的旋轉(zhuǎn)形成時(shí)間上的雙光路。它對(duì)被測氣體特征吸收光譜的的選擇性是借助于窄帶干涉濾光片實(shí)現(xiàn)的。因此，這種紅外分析器本質(zhì)上是一種分光型儀器，

由上所述可以看出，這兩類檢測器的工作原理不同，配用的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，從是否需要分光的角度來看，二者也是不同的。因此，我們可以由此出發(fā)，將紅外線氣體分析器劃分為兩類：采用氣動(dòng)檢測器的紅外分析器和采用固體檢測器的紅外分析器。

這兩類儀器相比，前者的檢出限和靈敏度明顯優(yōu)于后者，而后者的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整容易又勝過前者。前者是紅外線氣體分析器的傳統(tǒng)產(chǎn)品，也是目前的主流產(chǎn)品。

在整機(jī)工作原理、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)制方式和檢測方法等諸多方面，這兩類儀器均有顯著差別，因此，本章后面將按照這種分類方法，對(duì)這兩類儀器分別加以介紹。不分光紅外一氧化碳分析儀

(4)從檢測組分的數(shù)量來劃分，有單組分和多組分兩種。

需要說明的是，上述類型劃分的敘述不一定確切和嚴(yán)密，隨著各種技術(shù)手段的綜合采用，對(duì)現(xiàn)代紅外線氣體分析器進(jìn)行嚴(yán)格意義上的類型劃分，已經(jīng)變得越來越困難了。

紅外線氣體分析器的特點(diǎn)

(1)能測量多種氣體

除了單原子的惰性氣體(He、Ne、Ar等)和具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)無極性的雙原子分子氣體(N₂、H₂、O₂、 Cl₂等)外，CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂、NH₃等無機(jī)物、CH₄、C₂H₄等烷烴、烯烴和其他烴類及有機(jī)物都可用紅外分析器進(jìn)行測量。

(2)測量范圍寬

可分析氣體的上限達(dá)100％，下限達(dá)幾個(gè)ppm的濃度。當(dāng)采取一定措施后，還可進(jìn)行痕量(ppb級(jí))分析。

(3)靈敏度高

具有很高的檢測靈敏度，氣體濃度有微小變化都能分辨出來。

(4)測量精度高

一般都在±2％FS，不少產(chǎn)品達(dá)到或優(yōu)于±1％FS。與其他分析手段相比，

它的精度較高且穩(wěn)定性好。

(5)反應(yīng)快

響應(yīng)時(shí)間T₉₀一般在10s以內(nèi)。

(6)有良好的選擇性

紅外分析器有很高的選擇性系數(shù)，因此它特別適合于對(duì)多組分混合氣體中某一待分析組分的測量，而且當(dāng)混合氣體中一種或幾種組分的濃度發(fā)生變化時(shí)，并不影響對(duì)待分析組分的測量。因此，用紅外分析器分析氣體時(shí)，只要求背景氣體(除待分析組分外的其它組分都叫背景氣體)干燥、清潔和無腐蝕性，而對(duì)背景氣體的組成及各組分的變化要求不嚴(yán)，特別是采取濾光技術(shù)以后效果更好。這一點(diǎn)與其它分析儀器比較是一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。