摘 要 紅外氣體分析器是一類應(yīng)用廣泛、代表性的在線氣體分析器，靈敏度高、穩(wěn)定性好，常見非單元素氣體都有可能適用。本文簡述了紅外氣體分析器的測量原理，基本結(jié)構(gòu)以及發(fā)展趨勢。介紹了幾類常用紅外分析器及國內(nèi)外主要廠家產(chǎn)品。實際現(xiàn)場使用時，背景氣體及工作環(huán)境復雜多變，本文深入分析了測量誤差的復雜影響因素，研究了提高分析器現(xiàn)場應(yīng)用能力的若干方法，以增強紅外氣體分析器工程應(yīng)用的適應(yīng)性和力度。在線分析工程技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，必需有在線分析器這一牢固強大的技術(shù)基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞 紅外氣體分析器 吸收光譜法 氣體吸收 氣體測量 檢測器 在線分析 影響誤差 工程應(yīng)用

1 引 言

光譜吸收法表明許多氣體分子在紅外波段存在特征吸收；根據(jù)朗伯－比爾定律，特征吸收強度與氣體濃度成正比例關(guān)系。據(jù)此原理設(shè)計而成的紅外氣體分析器可用于分析混合氣體中某種或某幾種待測氣體組分的濃度，是一類非常重要、非常經(jīng)典的氣體分析器^[1,2]?；跉怏w的紅外吸收光譜特性，非單元素的極性氣體分子在中紅外（2.5～25μm）波段存在著分子振動能級的基頻吸收譜線，因此紅外氣體分析器靈敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析；且選擇性好，可以實現(xiàn)背景氣體對測量分析基本沒有影響。設(shè)計的紅外氣體分析器具有很好的穩(wěn)定性，能用于連續(xù)分析氣體濃度，適合在線測量。

和其它原理的氣體分析器比較，紅外氣體分析器具有顯著的優(yōu)點。表1列有四種常見氣體分析方法的劣勢。紅外氣體分析儀器沒有這些不足之處，更適合在線氣體分析。

表1 其它四種常見氣體分析方法的劣勢

紅外線氣體分析器主要應(yīng)用領(lǐng)域：

◇ 石油、化工、發(fā)電廠、冶金焦碳等工業(yè)過程控制

◇ 大氣及污染源排放監(jiān)測等環(huán)保領(lǐng)域

◇ 飯店、大型會議中心等公共場所的空氣監(jiān)測

◇ 農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科研等領(lǐng)域

例如：（1）合成氨流程的醇化塔進（出）口，用紅外氣體分析器分析CO和CO₂；（2）甲醇流程的脫碳工段，用紅外氣體分析器分析CO和CO₂；（3）環(huán)保排放監(jiān)測，用紅外氣體分析器分析SO₂和NO_x。

2 紅外氣體分析器的測量原理

被測氣體對中紅外光線的吸收是紅外氣體分析器分析氣體的基礎(chǔ)，吸收規(guī)律符合朗伯－比爾定律。

2.1 吸收光譜法

當分子從外界吸收電磁輻射能時，電子、原子、分子受到激發(fā)，會從較低能級躍遷到較高能級，躍遷前后的能量之差為：

E₂ － E₁ = hv

式中 E₂,E₁—分別表示較高能級和較低能級(躍遷前后的能級)的能量；v—輻射光的頻率；h—普朗克常數(shù)，4.136×10^-15eV·s 。

當某一波長電磁輻射的能量E恰好等于某兩個能級的能量之差E2－E1時，便會被某種粒子吸收并產(chǎn)生相應(yīng)的能級躍遷，該電磁輻射的波長和頻率稱為某種粒子的特征吸收波長和特征吸收頻率。

振動能級的基頻位于中紅外波段，近紅外波段主要是各種基團振動的倍頻和合頻吸收。中紅外吸收能力強，靈敏度高；近紅外吸收弱，靈敏度低。

氣體的吸收光譜是由許多帶寬很窄的吸收線組成的吸收帶，用高精度的分光儀檢測可以展開成獨立的吸收峰。

每種氣體都有各自對應(yīng)的吸收波長，表2為常見氣體的特征吸收波長。

表2 常見氣體的特征吸收波長

2.2 朗伯－比爾定律

當紅外線波長與被測氣體吸收譜線相吻合時，紅外能量被吸收。紅外光線穿過被測氣體后的光強衰減滿足朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律：

（1）

（2）

式中和分別表示紅外頻率為的光線入射時和經(jīng)過壓力、濃度和光程的氣體后的光強，表示氣體吸收譜線的譜線強度，線形函數(shù)表征該吸收譜線的形狀。當氣體的吸收較小（吸收率低、濃度低或光程較短），可用公式(2)來近似表達氣體的吸收。這些關(guān)系表明氣體濃度越大，對光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對紅外光線的衰減來測量氣體濃度。

為了保證讀數(shù)呈線性關(guān)系，當待測組分濃度大時，分析器的測量氣室較短，zui短的為0.3mm；當濃度低時，測量氣室較長，zui長的為＞200mm。經(jīng)吸收后剩余的光能用紅外檢測器檢測。

3 紅外氣體分析器的基本結(jié)構(gòu)

紅外氣體分析器由光學部件和測量電路構(gòu)成，測量電路的結(jié)構(gòu)由光學部件及系統(tǒng)功能決定。光學部件通常由紅外輻射光源、通過樣氣的測量氣室、紅外檢測器等構(gòu)成，通常稱為紅外三大部件。

3.1 紅外輻射光源

在線紅外氣體分析器主要使用廣譜（寬譜）光源。廣譜光源的光譜覆蓋波長從1μm到15～20μm，通常使用范圍為2-12um。寬譜光源的譜帶寬度通常在幾個微米，如2～5μm就是其中的一種。

（1）連續(xù)光源

發(fā)出的光能量是連續(xù)不斷的。由電機帶動的切光片對光線調(diào)制，產(chǎn)生特定頻率的紅外輻射光。

采用同步電機作為切光電機的分析器要求電源頻率在較窄范圍，如50±0.5Hz，超出規(guī)定的范圍，會產(chǎn)生電源頻率影響誤差。

（2）斷續(xù)光源

發(fā)出的光能量是間變化的，例如脈沖光源。通過控制輸入光源的電信號（電壓或電流）的頻率，可以產(chǎn)生特定頻率的紅外輻射光。

3.2 氣室

抽取式測量的紅外儀器需要氣室，而原位式和開放式紅外氣體分析器可以不需要氣室。雙光路分析器的氣室分為測量氣室和參比氣室，測量氣室連續(xù)地通過待測樣氣，參比氣室*密封并充有中性氣體（多為N₂）。單光路分析器的氣室只有測量氣室，沒有參比氣室。

3.3 紅外檢測器

紅外氣體分析器的檢測器用于檢測通過氣室的紅外光能，檢測器分為兩種類型：氣動檢測器和固體檢測器。氣動檢測器主要有薄膜微音檢測器和微流量檢測器；固體檢測器主要有光電導檢測器、熱釋電檢測器和熱電堆檢測器。

4 在線紅外氣體分析器的發(fā)展

在線紅外氣體分析器早在二十世紀七十年代就已經(jīng)在工業(yè)流程中廣泛應(yīng)用，當時的分析器都是模擬式儀表?；谀M元件的分段線性化設(shè)計無法*解決紅外分析的非線性問題（朗伯－比爾定律表明紅外分析存在非線性），分析器指針式顯示，不具有通信功能，常只具有電流環(huán)輸出功能。

二十世紀八十年代末九十年代初，紅外氣體分析器出現(xiàn)數(shù)字化的技術(shù)升級。信號經(jīng)放大濾波之后送入微處理器，由微處理完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化、濃度分析、溫度補償、壓力補償和輸出顯示，采用分段線性或其它軟件算法實現(xiàn)線性化，很好解決了非線性問題。環(huán)境溫度和大氣壓力的補償也容易實現(xiàn)，減小了外部環(huán)境對分析過程的影響。液晶顯示和菜單操作實現(xiàn)良好的人機接口，提供豐富的顯示信息，操作簡單方便。數(shù)字式通信功能更方便了系統(tǒng)集成，數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為分析器增添了強大的功能，是未來分析器發(fā)展的趨勢。

在線紅外氣體分析器常用的有五種類型：薄膜微音紅外氣體分析器，微流量紅外氣體分析器；氣體濾波相關(guān)紅外氣體分析器，半導體紅外氣體分析器，傅立葉紅外氣體分析器。它們的原理結(jié)構(gòu)、性能特點和國內(nèi)外主要廠家分別予以闡述。所述原理結(jié)構(gòu)的內(nèi)容來源于參考文獻^[1,3-8]。

4.1 薄膜微音紅外氣體分析器

薄膜微音紅外氣體分析器的檢測器由鈦金屬薄膜片動極和定極組成，當接收氣室內(nèi)的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時，推動電容片相對定極移動，把被測組分濃度轉(zhuǎn)變成電容量變化。薄膜微音紅外氣體分析器在在線氣體分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大約占在線紅外分析器50％的份額。

4.1.1 原理結(jié)構(gòu)

北京北分麥哈克公司QGS-08B型薄膜微音紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 QGS-08B薄膜微音紅外氣體分析器原理圖

該儀器采用單光源和薄膜電容檢測器，測量氣室和參比氣室采用“單筒隔半”型結(jié)構(gòu)，接收氣室屬于串聯(lián)型，有前、后兩室，二者之間用晶片隔開。

在檢測器的內(nèi)腔中位于兩個接收室的一側(cè)裝有薄膜電容檢測器，通過參比氣室和測量氣室的兩路光束交替地射入檢測器的前、后吸收室。在較短的前室充有被測氣體，這里輻射的吸收主要是發(fā)生在紅外光譜帶的中心處，在較長的后室也充有被測氣體，由于后室采用光錐結(jié)構(gòu)，它吸收譜帶兩側(cè)的邊緣輻射。

當測量氣室通入不含待測組分的混合氣體(零點氣)時，它不吸收待測組分的特征波長，紅外輻射被前、后接收氣室內(nèi)的待測組分吸收后，室內(nèi)氣體被加熱，壓力上升，檢測器內(nèi)電容器薄膜兩邊壓力相等，接收氣室的幾何尺寸和充入氣體的濃度都是按上述原則設(shè)計的。當測量氣室通入含有待測組分的混合氣體時，因為待測組分在測量氣室已預(yù)先吸收了一部分紅外輻射，使射入檢測器的輻射強度變小。此輻射強度的變化主要發(fā)生在譜帶的中心處，主要影響前室的吸收能量，使前室的吸收能量減小。被待測組分吸收后的紅外輻射把前、后室的氣體加熱，使其壓力上升，但能量平衡已被破壞，所以前、后室的壓力就不相等，產(chǎn)生了壓力差，此壓力差使電容器膜片位置發(fā)生變化，從而改變了電容器的電容量，因為輻射光源已被調(diào)制，因此電容的變化量通過電氣部件轉(zhuǎn)換為交流的電信號，經(jīng)放大后處理后得到待測組分的濃度。

4.1.2 性能特點

（1）穩(wěn)定性好，非常適合在線使用。

（2）靈敏度高，既可以分析常量氣體，又可以分析微量氣體，適用量程范圍廣。例如：分析器的微量量程0-10×10-6CO2，0-30×10-6CO。

（3）抗背景氣體干擾能力強，只有被檢測器內(nèi)氣體吸收所對應(yīng)的氣體才有靈敏度。

（4）環(huán)境溫度影響小。環(huán)境溫度的變化對氣體吸收及檢測器的靈敏度有一定影響，但是如果對光學部件恒溫（45～50℃），且用軟件補償后，在工作溫度范圍內(nèi)影響誤差可以控制在±1％以內(nèi)。

（5）當儀器劇烈振動時對測量會有一定影響。

4.1.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）北京北分麥哈克公司的QGS-08B為模擬式微量分析器；QGS-08D為模擬式常量分析器；QGS-08C為寬屏LED顯示智能化分析器。

（2）川儀九廠的PA200-GXH型紅外分析器。

（3）ABB公司紅外分析器Uras26型（原H&B公司紅外分析器）。

（4）SICK公司S700紅外分析器的MULTOR紅外模塊（原麥哈克公司紅外分析器）。

4.2 微流量紅外氣體分析器

微流量檢測是一種利用敏感元件的熱敏特性測量微小氣體流量變化的氣體測量方法。傳感元件是兩個微型熱絲電阻鎳鎘柵和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱一定溫度，當有氣體流過時，帶走部分熱量使熱絲元件冷卻，電阻變化，通過電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號。

4.2.1 原理結(jié)構(gòu)

西門子公司ULTRAMAT23型微流量紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖2。

1－毛細管氣流通道，2－第二層接收氣室，3－微流量傳感器，4－測量氣室，

5－切光片，6－切光片馬達，7－紅外光源，8－反射鏡，9－光學窗口，

10－可調(diào)滑片，11－*層接收氣室，12－第三層接收氣室

圖2 微流量檢測器的單光路紅外分析器光學系統(tǒng)示意圖

紅外光源7被加熱到600℃時發(fā)射出紅外線，由切光片5調(diào)制成頻率為25/3Hz的間斷光束，經(jīng)測量氣室4進入檢測器的接收氣室。

接收氣室由填充了待測組分的多層串聯(lián)氣室組成，*層吸收紅外輻射波帶中間位置的能量，第二層吸收邊界能量，二者之間通過微流量傳感器3連接在一起。當切光片處于“接通”位置時，*層接收氣室11填充的待測組分吸收紅外輻射能量后，受熱膨脹，壓力增大，氣流經(jīng)毛細管通道流向第二層接收氣室2；當切光片處于“遮斷”位置時，*層氣室填充氣體冷卻收縮，壓力減小，第二層氣室的氣流經(jīng)毛細管通道反向流回*層氣室。切光片交替通斷，氣流往返流經(jīng)微流量傳感器，便在檢測器電橋兩端產(chǎn)生了交流信號，信號幅度大小與流經(jīng)傳感器的氣體流量成正比，而與待測組分的濃度成反比。

微流量傳感器中有兩個被加熱到大約120℃的鎳格柵，這兩個鎳格柵電阻和兩個輔助電阻形成惠斯通電橋。脈沖氣流反復流經(jīng)微流量傳感器，導致鎳格柵電阻阻值發(fā)生變化。

接收氣室采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)是為了消除干擾組分對測量結(jié)果的影響。在接收氣室中，除填充待測組分外，還根據(jù)被測氣體的組成填充一定比例的干擾組分。干擾組分在*、二兩層氣室中對紅外輻射的吸收，產(chǎn)生的壓力作用方向相反，相互抵消。在ULTRAMAT23產(chǎn)品中，還設(shè)有第三層接收氣室12，其功能是延長二層氣室的光程長度，吸收紅外輻射邊緣能量，并可通過滑片調(diào)整三層氣室的透光孔徑大小，改變紅外吸收，zui大限度地減少某個干擾組分的影響，作用相當于一個可調(diào)光錐。

4.2.2 性能特點

（1）雙光路的微流量紅外氣體分析器穩(wěn)定性好，可以在線使用。

（2）靈敏度高，可以分析微量氣體。

（3）檢測器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

（4）檢測器可以串聯(lián)使用，適合同時分析多種組分。

（5）檢測器不怕振動，振動對儀器測量無影響。

4.2.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）武漢四方光電子有限公司的微流量紅外氣體分析器Gasboard-3000型（新產(chǎn)品），檢測器為該公司，可以實現(xiàn)多組分測量。

（2）西門子公司的ULTRAMAT6型紅外氣體分析器，雙光路結(jié)構(gòu)，適合在線使用；ULTRAMAT23型紅外氣體分析器，單光路結(jié)構(gòu)，檢測器可以串聯(lián)，實現(xiàn)多組分測量。

（3）富士電機的ZRE型微流量紅外氣體分析器；橫河電機的IR100型和IR200型微流量紅外氣體分析器。

（4）Rosemount的X-Stream通用型氣體分析器X2GP。

（5）德國BUHLER公司，北京雪迪龍公司和成都倍誠公司也微流量紅外氣體分析器，微流量檢測器采用西門子產(chǎn)品。

4.3 氣體濾波相關(guān)（GFC）紅外氣體分析器

氣體濾波相關(guān)檢測是通過將透過相關(guān)輪上參比氣室和分析氣室的紅外光線的比較得出被分析氣體濃度的方法。

4.3.1 原理結(jié)構(gòu)

1－光源，2－濾波氣室輪，3－同步信號發(fā)生器，4－干涉濾光片，

5－測量氣室，6－接收氣室，7－銻化銦檢測元件

圖3 采用GFC技術(shù)的紅外分析器原理結(jié)構(gòu)圖

圖3 是一種采用GFC技術(shù)的紅外分析器原理結(jié)構(gòu)圖。濾波氣室輪2上裝有2個濾波氣室，其中一個是分析氣室S，充入氮氣，另外一個是參比氣室R，充入高濃度的待測組分氣體。兩種濾波氣室間隔設(shè)置，當濾波氣室輪在馬達驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，分析氣室和參比氣室輪流進入光路系統(tǒng)，形成時間上分割的測量、參比雙光路。

當分析氣室,S進入光路時，由于S中充的是氮氣，對紅外光不吸收的，光束全部通過，進入光路系統(tǒng)形成測量光路。當參比氣室R進入光路時，由于R中充的是待測組分氣體，紅外光中的特征吸收波長部分幾乎被*吸收，其余部分進入光路系統(tǒng)形成參比光路。

光源發(fā)出的紅外光中能被待測組分吸收的僅僅是一小部分，為了提高儀器的選擇性，加入了窄帶干涉濾光片4，其通帶中心波長選擇在待測組分的特征吸收峰上，只有特征吸收波長附近的一小部分的紅外光能通過濾光片進入測量氣室5。接收氣室6是一個光錐縮孔，其作用是將光路中的紅外光全部會聚到檢測元件上。

4.3.2 性能特點

（1）水蒸氣或其它干擾組分對透過兩氣室的紅外光線的吸收相同，因此檢測器接收到的能量差值只與被測氣體濃度有關(guān)，抗干擾性能良好。

（2）適合小量程測量，可以測量0-30×10^-6CO。

（3）濾波氣室輪上參比氣室的作用主要是波長參比，消除不同紅外吸收波長氣體的影響。參比氣室不起能量參比作用，因此通常穩(wěn)定性不好，受環(huán)境溫度影響大。不加能量參比邊時不適合在線使用。

（4）測量小量程氣體時，氣室為多次反射池，腔體內(nèi)容積大，響應(yīng)時間長。若要減小響應(yīng)時間，需加大氣體流量。

4.3.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）北京華云分析儀器研究所

（2）英國Servomex公司Xentra4100系列中的Gfx

（2）EDYNE公司的MODEL GFC7000E/7001E/7002E

4.4 半導體紅外氣體分析器

半導體紅外氣體分析器是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的氣體分析器。

4.4.1 原理結(jié)構(gòu)

北分麥哈克公司QGS-08E型半導體紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 QGS-08E紅外線分析器原理結(jié)構(gòu)圖

脈沖紅外光源發(fā)射特定頻率的輻射光，輻射光通過氣室被檢測器接收。該儀器所采用的檢測器是熱釋電檢測器，具有兩個檢測通道：分析檢測通道和參比檢測通道。當氣室通入N₂時，紅外光在氣室內(nèi)不被吸收，分析檢測通道輸出信號zui大。當氣室通以待測組分時，紅外光線在氣室內(nèi)被吸收，分析檢測通道輸出信號減小。分析檢測通道輸出信號由于氣室中待測組分的吸收而發(fā)生變化，產(chǎn)生一個與待測組分濃度成比例的輸出信號。參比檢測通道的輸出信號不受被測氣體及其濃度影響，用于反映光源光強的變化，以補償分析檢測通道的輸出信號。

光源可以采用電調(diào)制脈沖光源，也可以采用傳統(tǒng)的電機切光廣譜光源。

半導體紅外檢測器有：光電檢測器、熱電堆檢測器和熱釋電檢測器等三大類。光電檢測器具有很高的響應(yīng)率和探測率，但對紅外光線具有選擇性吸收的特性。一種光電檢測器只能檢測位于可檢測波長范圍的紅外線，例如銻化銦檢測器的檢測波長范圍為2-7um，因此能檢測CO和CO₂，但不能檢測NH₃和SO₂。熱電堆對溫度非常敏感，溫度影響系數(shù)較大，不適合作為精密儀器的檢測器。熱釋電檢測器具有波長響應(yīng)范圍廣、檢測精度高、反應(yīng)快的特點，溫度影響系數(shù)比熱電堆要小，因此適合用于高精度測量的氣體分析儀器。

4.4.2 性能特點

（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，和維修方便。

（2）適合常量氣體分析。

（3）只通過干涉濾光片區(qū)分氣體，選擇性不好，容易受背景氣體中干擾組分的影響。但加濾波氣室后可以增強抗干擾能力。

（4）增加檢測器的通道數(shù)目就可實現(xiàn)多組分測量。

（5）半導體檢測器受溫度影響很大。檢測器必須恒溫控制或軟件溫度補償。

4.4.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）北京北分麥哈克公司的QGS-08E型紅外氣體分析器。

（2）西克麥哈克公司的S700型紅外氣體分析器可以配備半導體分析模塊。MCS100E是一種采用熱釋電檢測器的紅外分析器，可在高溫下分析，zui多能測量8種氣體組分。

4.5 傅立葉紅外氣體分析器

傅立葉紅外氣體分析器采用干涉分光方法，屬于分光型儀器。

4.5.1 原理結(jié)構(gòu)

傅里葉變換紅外分析器光學部分由光源、邁克爾遜干涉儀、樣品室、檢測器(熱釋電檢測器)組成。其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

S－光源，M l一定鏡，M 2一動鏡，BS一分束分離器，D－檢測器，Sa一樣品室

圖5 傅立葉紅外氣體分析器原理結(jié)構(gòu)圖

紅外光源S發(fā)出的紅外光經(jīng)準直為平行光束進入干涉儀。干涉儀由定鏡M1、動鏡M2和與M1、M2分別成45°角的光束分離器BS組成。定鏡M1固定不動，動鏡M2可沿入射光方向作平行移動。光束分離器BS可讓入射的紅外光一半透過，另一半被反射。

光源S發(fā)出的紅外光進入干涉儀后，通過BS的光束Ⅰ入射到動鏡M2表面，另一半被BS反射到定鏡M1構(gòu)成光束Ⅱ；光束Ⅰ、Ⅱ又被動鏡M2和定鏡M1反射回到BS，并通過樣品室Sa再被反射到檢測器D。當兩束光Ⅰ、Ⅱ到達D時，其光程差將隨動鏡M2的往復運動周期性地變化，從而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

信號經(jīng)過放大器、濾波器、AD采樣之后送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。經(jīng)傅立葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)化為吸收光譜，再掃描光譜圖庫，找尋與吸收光譜匹配的譜圖，通過比較計算，得出每種待測組分的濃度。

在線傅立葉氣體分析器已用于污染源排放的連續(xù)監(jiān)測，其優(yōu)勢之一是使用一臺儀器可以同時測量多種氣體組分。這一特點適用于燃燒源、有毒廢物焚燒爐以及工業(yè)過程。這種儀器測量低分子量化合物（分子量＜50）。

4.5.2 性能特點

（1）大大提高了譜圖的信噪比。所用光學元件少，無狹縫和光柵分光鏡，因此到達檢測器的輻射強度高，信噪比大。

（2）波數(shù)測量精度高。

（3）峰形分辨能力強。

（4）掃描速度快。在1秒之內(nèi)完成光譜的掃描。

（5）對于某種新的應(yīng)用對象，增加或更改某種測量組分時，不需要設(shè)計新分析器，只需使用新的譜圖即可。

4.5.3 國內(nèi)外主要廠家

（1）ABB公司的9200型傅立葉變換紅外分析器。

（2）西克麥哈克公司的傅立葉紅外分析器。

（3）英國ADC公司傅立葉紅外氣體分析器。

5 在線紅外氣體分析器的工程應(yīng)用研究

紅外氣體分析器在工程上在線使用，必須考慮現(xiàn)場背景氣體及工作環(huán)境條件對儀器分析過程的影響，并通過各種方法消除或減小這些影響。文獻[9]提出了廣義干擾的定義、特征和起源，并給出了干擾影響誤差的定量分析和抗干擾的措施，為保障和提高分析器計量的準確度提供了非常有效的方法。本文分析和研究紅外分析器現(xiàn)場工程應(yīng)用中可能受到的各種影響因素，并對此提出一些可行的解決方法。

5.1 參比邊的作用

按照朗伯－比爾定律，紅外氣體分析器只要單氣室或單通道就可以測量氣體濃度。但實際使用時，紅外光源和檢測器穩(wěn)定性不好，測量信號會出現(xiàn)很大漂移。在線紅外氣體分析器的光路通常設(shè)計參比氣室或參比通道。參比氣室通常充有氮氣或濃度已知的氣體，通過參比氣室的紅外能量與被分析氣體的吸收無關(guān)，僅反映了光學部件的穩(wěn)定狀況。與通過分析氣室的能量作比較而測量出氣體濃度，可以大大提高分析器測量的穩(wěn)定性。北分麥哈克公司的QGS-08B、QGS-08D和QGS-08C的氣室為單筒隔半氣室，一半為分析器氣室，另一個為參比氣室，該類分析器具有非常好的穩(wěn)定性。西門子公司的ULTRAMAT6也是雙光路結(jié)構(gòu)，具有參比氣室。參比通道的作用類似參比氣室，參比通道對應(yīng)的紅外波長范圍通常不存在氣體吸收，僅與光學部件有關(guān)，反映光學部件的穩(wěn)定狀況。通過分析通道和參比通道的比較而測量出氣體濃度，可以有效提高分析器測量的穩(wěn)定性。北分麥哈克公司的QGS-08E紅外氣體分析器的檢測器具有參比通道。西克麥哈克公司的MCS100E也具有參比通道。這類分析器穩(wěn)定性良好。

薄膜微音和微流量的在線紅外氣體分析器具有參比氣室，半導體在線紅外氣體分析器具有參比通道，從而具有很好的穩(wěn)定性。西門子公司的ULTRAMAT23紅外氣體分析器沒有參比氣室和參比通道，但有時也在線使用，如使用于CEMS系統(tǒng)。ULTRAMAT23定時切換采樣泵，抽取新鮮空氣，作為零點氣標定零點。通過自動通氣標零實現(xiàn)分析器的長期穩(wěn)定。自動標零的過程中氣室內(nèi)充有零點氣而非樣氣，不能進行正常測量，因此在工業(yè)流程使用時，需要考慮這個因素。

當樣氣中含有微小灰塵顆粒時，參比通道和分析通道輸出信號都有所衰減，抵扣處理后測量基本不受影響。但參比氣室沒有這種作用，無法消除此影響。

在線紅外氣體分析器有時也存在電氣參比，例如，通過零點輸入或固定信號輸入，測量模擬通道的輸出，以提高電氣的穩(wěn)定性。

5.2 背景氣體

5.2 背景氣體

工程應(yīng)用中的背景氣體往往非常復雜，包含其它對測量造成影響的干擾組分和水蒸氣。干擾組分和水蒸氣的濃度經(jīng)常是不確定和隨機變化的。為消除或減小此影響，通常有以下處理方法：

（1）樣氣處理系統(tǒng)通過物理或化學方法除去干擾組分，通過制冷，減小水蒸氣濃度（露點）。

（2）如果確定干擾組分和水蒸氣的濃度是不變的，可以用軟件直接扣除影響量。

（3）如果干擾組分是變化的，在光路中加裝濾波氣室。氣室中充有高濃度的干擾組分，將干擾組分對應(yīng)的紅外能量全部吸收，從而檢測器不受干擾組分影響。但該方法降低了分析靈敏度。

（4）光路加裝干擾組分和水蒸氣濃度分析部件，檢測干擾組分和水蒸氣濃度，軟件實時扣除變化的影響量。

5.3 標定氣體

在線分析器的技術(shù)指標和測量準確度受標準氣制約^[10]。如果校準用的標定氣體純度或準確度不夠，會對測量造成影響，尤其是微量分析。

不是分析二氧化碳的氣體分析器，有時直接抽取空氣作為零點校準氣。但在有些工程應(yīng)用現(xiàn)場，空氣中含有被測氣體組分和水蒸氣，這些都會造成零點不準確而影響測量。測量二氧化碳的氣體分析器，大量程（5%以上）有時也采用空氣作為零點校準氣。同樣水蒸氣會造成零點不準確。以前大氣環(huán)境中的二氧化碳含量大約300×10^-6，但由于大氣被污染，現(xiàn)在大氣環(huán)境中二氧化碳含量大于400×10^-6。如果是密閉小屋內(nèi)，空氣中二氧化碳的含量甚會＞0.1%。

微量分析時，更需要注意標氣的純度和準確度。例如甲醇脫碳后使用量程0-100×10^-6的CO和CO₂氣體分析器，零點和量程標定后，通入流程氣測量，往往發(fā)現(xiàn)讀數(shù)為負值。造成此現(xiàn)象的原因是：零點氣通常使用99.999%N₂，該零點氣體中含有大約10×10^-6的CO和CO₂，而流程氣體中CO和CO₂含量特別低，甚比零點氣體中的含量還低。解決此問題的方法是通零點氣體加“過濾”，用堿石棉和霍加拉特除去零點氣體中的CO和CO₂。

5.4 軟件處理

在線紅外氣體分析器要求分析器的軟件適合在線分析，滿足在線工程應(yīng)用的需要。

紅外氣體分析器存在零點漂移和量程漂移現(xiàn)象，有可能正向漂移，也有可能負向漂移。分析器零點和終點處不能加限制，低于零點和高于終點的示值都須顯示，這樣才能反映儀器的漂移。4～20mA電流環(huán)輸出也是如此，低于4mA和高于20mA都須能提供輸出信號。

分析器的分辨率不能太高，也不能太低，應(yīng)處于合適范圍。一般分辨率設(shè)為線性誤差的1/2-1/10比較合適。如果分辨率過高，分析器的示值就會頻繁跳動。如果分辨率過低，分析器的示值連續(xù)性差，且很難保證線性誤差、漂移等技術(shù)指標。

5.5 溫 度

溫度對紅外氣體分析器的影響體現(xiàn)在兩個方面，一是被分析氣體溫度對測量的影響；二是環(huán)境溫度對測量的影響。

被分析氣體溫度越高，則氣樣密度越低，且氣體對紅外的吸收率越低，進而所測氣體濃度就越低。紅外分析器的恒溫控制可有效控制此項影響誤差。

環(huán)境溫度對光學部件（紅外光源，紅外檢測器）和電氣模擬通道都有影響。通過較高溫度的恒溫控制，選用低溫漂元件和軟件補償可以消除環(huán)境溫度對測量的影響。

紅外氣體分析器要求陽光不直射分析器，保證殼體外空氣流通，避免強烈空氣對流的擾動。陽光直射和大流速風的流動都會改變機箱內(nèi)的熱平衡而引起測量誤差。

5.6 大氣壓力

大氣壓力對紅外氣體分析器的影響主要體現(xiàn)在大氣壓力對被分析氣體的影響。

樣氣直接放空的紅外氣體分析器，測量結(jié)果受大氣壓力影響。大氣壓力的變化改變樣氣密度，且壓力改變氣體對紅外的吸收率，從而對測量造成影響。每1％大氣壓力的變化會引起大于1％的影響誤差，對于抑零量程的紅外氣體分析器，壓力變化的影響就更大些。消除壓力影響的方法是加裝壓力測量元件或裝置，通過測量大氣壓力而補償壓力影響，將誤差降低一個數(shù)量級。

多臺儀器氣路串聯(lián)測量時，由于氣體壓力與單臺儀器不同，測量值會有所偏差，儀器重新校準可克服這一影響。

樣氣流速會對測量造成影響。例如流速越快，測量值越大。但流速對測量不是直接的影響，朗伯－比爾定律中也沒有講述流速對濃度測量的影響量。如果大氣壓力保持不變，流速的變化會造成樣氣壓力的變化，進而影響分析器的測量。

5.7 電磁兼容

工程應(yīng)用中，除分析器本身外，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外包括大量的其它電氣設(shè)備，電磁環(huán)境非常復雜，這就要求分析器的運行不但不對其它設(shè)備造成干擾，也要求分析器能抵抗住其它干擾源的干擾，具有較強的魯棒性。

電磁干擾形成電磁干擾必須具備三個基本要素：（1）電磁干擾源；（2）耦合途徑；（3）敏感設(shè)備。采用有效的技術(shù)手段，抑制干擾源、消除或減弱干擾的耦合，降低敏感設(shè)備對干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。

電磁兼容設(shè)計時，采用分層與綜合設(shè)計的方法^[11]。例如先分層設(shè)計，*層為有源器件的選擇和印刷板設(shè)計；第二層為接地設(shè)計；第三層為屏蔽設(shè)計；第四層為濾波設(shè)計。然后再綜合設(shè)計。

電路板布局布線，包括元件的選擇都要考慮電磁兼容性。電氣走線回路面積遵行zui小化原則。

正確和良好的接地可以減小相互間干擾，屏蔽和濾波又可以阻斷干擾途徑。

抗擾度試驗花費很大，但決不可以省去。要求滿足GB/T 18268-2000附錄A^[12]，性能判據(jù)，參照GB/T 18268-2000中6.5。

具體試驗方法參照^[13-19]：

1、靜電放電抗擾度：GB/T 17262.2-2006；

2、射頻電磁場輻射抗擾度：GB/T 17262.3-2006；

3、電快速瞬變脈沖群抗擾度：GB/T 17262.4-1998；

4、浪涌（沖擊）抗擾度：GB/T 17262.5-2008；

5、射頻場感應(yīng)的傳導干擾抗擾度：GB/T 17262.6-2008；

6、工頻磁場抗擾度：GB/T 17262.8-2006；

7、電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度：GB/T 17262.11-2006。

5.8 多組分分析

工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要多個組分同時測量，多組分分析器可以一臺儀器分析多個組分，以減少儀器數(shù)量，方便使用，降低使用成本。

多組分分析器的構(gòu)成模式主要有以下幾種：

（1）多套完整的單組分光學部件并聯(lián)，氣室串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成多組分同時測量。

（2）單光源、單氣室和多通道的檢測器構(gòu)成多組分同時或串行測量。同時測量時需要多套模擬放大和濾波部件；串行測量使用一套模擬放大和濾波部件，通過模擬開關(guān)切換實現(xiàn)多組分測量。北分麥哈克公司QGS-08F紅外氣體分析器就是這類多組分串行測量分析器。

（3）單光源、單氣室和多檢測器構(gòu)成多組分分析器。西門子ULTRAMAT23和ABB的紅外氣體分析器可以實現(xiàn)這類多組分氣體分析器。

（4）單光源、單氣室、單檢測器和切光輪（切光片）構(gòu)成多組分分析器。相關(guān)紅外、薄膜微音和半導體紅外可以采用這種方式實現(xiàn)多組分串行測量。西克麥哈克公司S700和MCS100E就是這類多組分氣體分析器。

（5）傅立葉紅外氣體分析器。配置一套光路，通過分析紅外干涉光譜，可以同時測量許多種氣體組分濃度。

多組分分析器的各個組分之間可能存在干擾，或受背景氣體干擾影響?？梢酝ㄟ^測量干擾組分濃度和干擾影響率，軟件扣除干擾組分的影響。例如MCS100E測量水蒸氣濃度，從而扣除水蒸氣對其它氣體測量的影響。

如果多組分分析器中只有一個氣室，就需要綜合考慮各個組分濃度和吸收率，選擇合適的氣室長度。有時還需要調(diào)整干涉濾光片的透過波長，以方便氣室的選取。例如同時分析高濃度CO₂和低濃度CO時，CO₂干涉濾光片就需要選擇具有較低吸收率的波長。

6 結(jié)束語

由于靈敏度高、穩(wěn)定性好、簡單可靠的特性，在線紅外氣體分析器在各工業(yè)、環(huán)保及科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過對幾種常用紅外氣體分析器的原理結(jié)構(gòu)、性能特點及國內(nèi)外主要廠家相關(guān)產(chǎn)品的介紹，闡述了紅外氣體分析器的發(fā)展狀況。數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化給紅外氣體分析器增添了強大的功能，是未來紅外分析器發(fā)展的趨勢。針對紅外氣體分析器在線應(yīng)用的特點，本文分析了測量誤差的多種影響因素，提出了能夠減小測量誤差、適合在線分析、并提高分析器現(xiàn)場應(yīng)用能力的若干方法，進而提高測量準確度，更好滿足在線工程應(yīng)用的需要。