红外线气体分析仪

红外线气体分析仪
    红外线气体分析仪也是一种物理式分析仪表，它是根据不同的组分对不同波长的红外线具有选择性吸收的特征工作的。由于其使用范围宽，不仅可以分析气体，也可分析溶液，且灵敏度较高，反应迅速，能连续指示和组成自动调节系统，有广泛的应用。
红外线是指波长为0.76—30μm的不可见光波，在工业红外线分析仪中，使用的红外线波长一般在1—25μm之间。实验证明，除氦、氖、氩等单原子惰性气体及氢、氧、氮、氯等具有对称结构的双原子气体外，大部分多原子气体，如CO、 CO₂、 CH₄ 、C₂H₂、 NH₃、C₂H₅OH、C₂H₄、C₃H₆、C₂H₆、C₃H₈及水汽等，对上述波长范围的红外线都有强烈的选择性吸收的特性，例如在图1-43中，CO对波长为4.5—5μm的红外线具有强烈的吸收作用，但对其他波长的红外线却不吸收。这种现象可从量子学说得到解释，因为分子具有不连续的能量状态，即只能处于不同的能级中，低能级的分子只能吸收固定的能量，才可跳到高能级去，中间状态是不存在的。同时量子学说又认为，光的传播是以一份一份集中的能量，即以光子的方式进行的，每个光子的能量为

    当红外线所具有的能量正好等于分子的两个能级之差时，气体分子就很容易将此红外光子吸收。由于各种分子具有不同的能级，因此选择吸收的光频率也各不相同。工业上常根据这原理，从吸收峰的位置分布，检知某一组分是否存在。
关于光的强度，实践证明，当光通过吸收介质时，其强度随介质的浓度和厚度按指数规律衰减，


即对厚度一定的吸收层，其吸收衰减率与浓度成线性关系。
    这样，当需要分析混合气中某一组分的含量时，可用强度恒定的红外线照射厚度确定的混合气体薄层;由于各种组分吸收的红外线波长是确定的，故可测量透射出来的该波长的红外线强度。从光强被吸收的程度，推知该组分在混合气中的浓度。红外线气体分析仪就是根据这一原理构成的。
    图1-44是工业上常用的红外线气体分析仪原理图。由红外光源产生的红外线，经反光镜形成两束平行光线。为了使检测放大系统能工作于交流状态，避免直流放大器的零点漂移，用切光片对这两束红外光线进行调制。切光片是对称开孔的圆片，由同步电动机带动，将红外线一时阻断，一时导通，调制成几赫兹的矩形波。经调制后的两束红外线分别进人测量气室和参比气室。测量气室有进口和出口，可连续通过被测混合气体.参比气室内密封着根据被测气体选定的N₂、Ar或其他气体。当测量气室中无待测组分时，调整两束光的强度，使其达到上下接收室的光强相等，此时接收器无输出。
图1-44中的接收器是目前使用最多的薄膜电容式接收器，它有两个接收气室，分别接收由测量气室和参比气室透出的红外线。接收气室内封有浓度较大的待测组分气体，在吸收波长范围内，它能将射人的红光线辐射能全部吸收，变为接收气室内的温度变化。由于气室的容积是固定的，根据气态方程，温度的变化会立即表现为压力的变化。当测量气室内通人待测气体时，由于部分光被吸收掉，从测量气室透出的光强比参比气室透出的弱，于是两个接收气室间出现压力差。它推动分隔两室的金属薄膜(常为厚度5—10μm的铝箔)，改变与另一固定极板间的距离，即改变薄膜与固定极板间的电容量。待测组分的浓度愈大，电容量的变化也愈大。前面已说过，这里使用的红外线是受过调制的脉动光线，因此这电容量的变化也是脉动的。确切地说，待测组分浓度愈大，电容量的脉动幅度也愈大。测定此电容量的变化幅度，便可指示出样气中待测组分的浓度。

    从原理上说，测定这个电容量的变化是不难的，例如，可在电容上加一定的直流电压，随着电容量的脉动变化，电容将反复地充电和放电，每次充、放电电流的大小决定于电容量的变化幅度，可使该电流流过一个阻值很大的电阻，转换为电压信号输出。需要注意的是，薄膜电容器的电容量很小，一般只有50pF左右，调制频率又低，故此信号源内阻很大，必须使用高输入阻抗的放大器。实际的红外线分析仪中，常用场效应管组成的源极跟随器作为前置放大级。为减少电磁干扰，前置放大级常紧靠着接收气室安装。
    当混合气中含有与被测组分有重叠吸收峰的其他干扰气体时，由于那些气体的浓度变化也会改变测量气室内红外线的吸收状况，影响接收器的输出，造成分析误差。为此，图1-44中设有干扰滤光室，里面填充浓的干扰气体，使干扰气体可能吸收的辐射能在这里全部吸收掉。这样，测量室内干扰组分浓度的变化就不会影响分析结果。如果混合气中不存在干扰气体，就不需要安装干扰滤光室。
    和红外线分析仪原理相似的，还有紫外线分析仪、比色分析仪等，在工业上也有广泛的应用。
 
 本文来自：红外线测温仪  http://www.360abg.com/products/wenduyibiao/hongwaixiancewenyi/