by / sumaart
介紹了基于紅外吸收光譜技術(shù)的紅外連續(xù)氣體分析儀, 詳細(xì)闡述了紅外氣體分析的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。介紹紅外氣體分析的現(xiàn)狀，主要生產(chǎn)廠家及未來發(fā)展趨勢。
1 總述
在線分析儀器作為分析儀器的重要組成部分，可直接安裝在工業(yè)生產(chǎn)流程或其他源流體現(xiàn)場，是用于在過程工藝中，實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)成分或物性參數(shù)連續(xù)或周期性的自動在線分析和過程監(jiān)測的分析儀器，即對于物質(zhì)成分或物性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的連續(xù)測量，并將檢測到的物質(zhì)成分或物性參數(shù)信息用于工藝過程產(chǎn)品質(zhì)量的自動監(jiān)測或過程設(shè)備安全高效運(yùn)行的自動控制。
按照在線分析儀器的檢測方法及測量信息的處理輸出形式，我們對能夠?qū)崿F(xiàn)氣體成分或物性參數(shù)連續(xù)不間斷測量，并實(shí)時做信息處理及傳輸?shù)脑诰€氣體分析儀稱之為連續(xù)氣體分析儀。在連續(xù)氣體分析儀中，我們根據(jù)其安裝方式的不同，可分為原位式和取樣式。在連續(xù)氣體分析儀中，我們根據(jù)其測量原理的不同，可分為在線光譜氣體分析儀、在線熱學(xué)式氣體分析儀、在線順磁式氧氣分析儀、在線電化學(xué)式氣體分析儀及其他在線連續(xù)氣體分析儀。
在線光譜氣體分析儀（又稱之為在線光學(xué)式氣體分析儀）是通過電磁輻射與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生輻射的吸收，引起原子、分子內(nèi)部量子化能級之間的躍遷，從而測量輻射波長或強(qiáng)度變化的一類光學(xué)分析方法。按照被分析物質(zhì)（分子或是原子）的吸收光譜或發(fā)射光譜分類，在線光譜氣體分析儀可分為分子吸收光譜法，分子發(fā)射光譜法，原子吸收/發(fā)射光譜法及其他光譜類分析法。在使用分子吸收光譜法的在線光譜氣體分析儀中，依據(jù)分子吸收光譜的不同波長范圍，可分為紅外光譜分析儀，近紅外光譜分析儀，傅里葉紅外光譜分析儀，激光光譜分析儀，紫外光譜分析儀及紫外-可見光光譜分析儀。
本文將針對在線光譜連續(xù)氣體分析儀中的紅外分子吸收光譜，即在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀的技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用及發(fā)展趨勢做出闡述。
2 測量原理
電磁輻射是以極快速度通過空間傳播的光量子流，是一種能量的形式，電磁輻射具有波動性與微粒性。按照頻率分類，從低頻率到高頻率，電磁輻射波譜包括無線電波，微波，紅外線，可見光，紫外線，X射線和伽馬射線等。
電磁輻射通常以頻率，波長或光子能量這3種物理量中的任意一種來描述，即通過普朗克方程式表達(dá)。E=hv=hc/λ [ E:光子能量，v：頻率，h：普朗克常數(shù)，c：光速，λ：波長（波長λ在不同范圍內(nèi)采用不同的單位表示，γ射線，x射線，可見光和紫外光采用nm，紅外光采用μm，微波采用mm，射頻采用m）]。由此可見，波長與能量成反比，波長越短，能量越大；頻率與能量成正比，頻率越高，能量越大。
分子由原子和外層電子組成，各外層電子處在不同的能級中，而分子本身還有組成分子的各個原子間的振動能級及分子自身的轉(zhuǎn)動能級。當(dāng)從外界吸收電磁輻射能時，電子、分子、原子受到激發(fā)，會從較低能級躍遷到較高能級。分子振動能級的基頻位于中紅外波段，因此中紅外吸收能力強(qiáng)，靈敏度高。因此在線光譜分析技術(shù)以中紅外光譜分析（2.5～15μm）應(yīng)用最為成熟，特別是采用紅外線的在線紅外氣體分析技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。
紅外線是電磁波譜中的一段，介于可見光區(qū)和微波區(qū)之間，因?yàn)樗诳梢姽庾V紅光界限之外，所以得名紅外光譜。在整個電磁波譜中紅外波段的熱功率最大，紅外輻射主要是熱輻射。在紅外氣體分析器中，使用的波長范圍通常在2.5～15μm之內(nèi)，主要集中在2.5～12μm 之間。紅外線通過裝在一定長度容器內(nèi)的被測氣體，然后測定通過氣體后的紅外線輻射強(qiáng)度I，依據(jù)比爾－朗伯特吸收定律 （I0：射入被測組分的光強(qiáng)度，I：經(jīng)被測組分吸收后的光強(qiáng)度， k：被測組分對光能的吸收系數(shù)， c：被測組分的摩爾百分濃度， l：光線通過被測組分的長度），可以得到被測組分的摩爾百分濃度，從而完成測量應(yīng)用。當(dāng)某一波長紅外輻射的能量恰好等于某種分子振動能級的能量之差時，就會被該種分子吸收，并產(chǎn)生相應(yīng)的振動能級躍遷，這一波長便稱為該種分子的特征吸收波長。
3 分類及特點(diǎn)
紅外氣體分析儀按照光源發(fā)出的光是否經(jīng)過分光分為分光型和非分光型紅外氣體分析儀。固定分光型（CDIR）采用分光系統(tǒng)，使通過氣室的輻射光譜與待測組分的特征吸收光譜吻合，其優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，缺點(diǎn)是光束能量會減小，靈敏度不高。非分光型（NDIR）是指光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部投射到待測樣品上，待測組分吸收其各個特征波長譜帶的紅外光，吸收具有積分性質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，高信噪比和良好的穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是待測樣品中的其他組分的重疊吸收峰會對測量產(chǎn)生干擾。
紅外氣體分析儀按照光學(xué)系統(tǒng)不同分為雙光路和單光路紅外氣體分析儀。雙光路是從兩個相同的光源或從精確分配的一個光源發(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。單光路是從光源發(fā)出單束紅外光，只通過一個幾何光路。但對于檢測器，接收到的是兩個不同波長的紅外光束，只是它們到達(dá)檢測器的時間不同。即利用調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)，將光源發(fā)出的光調(diào)制成不同波長的紅外光束，輪流通過分析氣室送往檢測器，實(shí)現(xiàn)時間上的雙光路。
紅外氣體分析儀按照檢測器類型的不同分為薄膜電容檢測器、微流量檢測器、半導(dǎo)體檢測器、熱釋電檢測器四種。而根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的差別，又可以分成兩類，前兩種屬于氣動檢測器，后兩種屬于固體檢測器。氣動檢測器靠氣動壓力差工作，薄膜電容檢測器中的薄膜振動靠這種壓力差驅(qū)動，微流量檢測器中的流量波動也是由這種壓力差引起。不分光紅外（NDIR）源自氣動檢測器，只對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。半導(dǎo)體檢測器和熱釋電檢測器的檢測元件均為固體器件，固體檢測器直接對紅外輻射能量有響應(yīng)，對紅外輻射光譜無選擇性，這種紅外分析屬于固定分光型（CDIR）。從優(yōu)點(diǎn)上看，氣動檢測器的檢出限和靈敏度很好，而固體檢測器的結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整容易。
紅外氣體分析儀按照檢測組分?jǐn)?shù)量的不同分為單組分和多組分。紅外氣體分析儀按照結(jié)構(gòu)形式的不同分為防爆和非防爆。紅外氣體分析儀按照安裝結(jié)構(gòu)的不同分為機(jī)架式、臺式、壁掛式、柜式及便攜式。
紅外氣體分析儀的主要特點(diǎn)有：
1）能測量多種氣體。除惰性氣體和具有對稱結(jié)構(gòu)無極性的雙原子分子氣體外，CO、CO2、NO、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ppm濃度。甚至精細(xì)化處理后，還可進(jìn)行痕量（ppb）分析。
3）靈敏度高。具有很高的檢測靈敏度，氣體濃度的微小變化都能分辨出來。
4）測量精度高。一般在±2％F.S.，也有達(dá)到或優(yōu)于±1％F.S.。分析精度較高且穩(wěn)定性好。
5）反應(yīng)快。響應(yīng)時間T90一般在10s以內(nèi)。
6）具有良好的選擇性。紅外氣體分析儀具有很高的選擇性系數(shù)，因此它特別適用于對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，并不影響對待分析組分的測量。因此，紅外氣體分析儀只要求背景氣體的干燥、清潔和無腐蝕性，而對背景氣體的組成及各組分的變化要求不嚴(yán)。
4 光學(xué)系統(tǒng)部件
紅外氣體分析儀主要由發(fā)送器和測量電路兩大部分構(gòu)成，發(fā)送器可算作紅外氣體分析儀的“心臟”，它將被測組分的濃度變化轉(zhuǎn)化為某種電參數(shù)的變化，再通過相應(yīng)的測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。發(fā)送器又由光學(xué)系統(tǒng)和檢測器兩部分組成，光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成部件主要有：紅外輻射光源組件，包括紅外輻射光源、反射體和切光（頻率調(diào)制）裝置；氣室和濾光元件，包括測量氣室、參比氣室、濾波氣室和干涉濾光片。
按發(fā)光體的種類分，紅外輻射光源有合金絲光源、陶瓷光源、半導(dǎo)體光源等；按光能輸出形式分，有連續(xù)光源和斷續(xù)光源兩類；按輻射光譜的特征分，有廣譜（寬譜）光源和干涉光源兩類；從光路結(jié)構(gòu)考慮，又有單光源和雙光源之分。
在不同發(fā)光體的紅外輻射光源中，合金絲光源多采用鎳鉻絲，繞制成螺旋形或錐形。鎳鉻絲被加熱到700℃左右，其輻射光譜的波長主要集中在2～12μm范圍內(nèi)。合金絲光源的優(yōu)點(diǎn)是光譜波長非常穩(wěn)定，能長時期高穩(wěn)定性工作。缺點(diǎn)是長期工作會產(chǎn)生微量氣體揮發(fā)。
陶瓷光源是通過對兩片陶瓷夾層之間印刷在上面的黃金加熱絲加熱，使得陶瓷片受熱后發(fā)射出紅外光。陶瓷光源的優(yōu)點(diǎn)是壽命長，物理性能特別穩(wěn)定，不產(chǎn)生微量氣體，是密封式安全隔爆的。缺點(diǎn)是易受溫度影響，對控制它的電氣參數(shù)敏感。
半導(dǎo)體光源包括紅外發(fā)光二極管（IRLED）和半導(dǎo)體激光光源兩類。半導(dǎo)體光源的譜線寬度很窄，可將其集束成焦平面陣列以形成多譜帶光譜，再使用二極管陣列檢測器檢測，發(fā)射波長與半導(dǎo)體材料有關(guān)。半導(dǎo)體光源的優(yōu)點(diǎn)是可以工業(yè)化生產(chǎn)，價格便宜。缺點(diǎn)是對溫度極為敏感，光譜波長穩(wěn)定性較差。
以光能輸出形式分類的光源中，連續(xù)光源是指其發(fā)出的光能量（輻射）是連續(xù)不斷的，即輻射光能量不隨時間發(fā)生變化。斷續(xù)光源是隨時間變化的，如脈沖光源。
以輻射光譜特征分類的光源中，廣譜光源的覆蓋波長是從1μm到15～20μm，寬譜光源通常在2～5μm。干涉光源以激光為典型，是一種高度單色性的相干光，其譜線寬度極小，通常只有幾個nm，優(yōu)點(diǎn)是背景干擾可以忽略不計。
以光路結(jié)構(gòu)分類的光源中，單光源用于單光路和雙光路兩種光學(xué)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是避免了雙光源性能不一致帶來的誤差，但缺點(diǎn)是要做到兩束光的能量基本相等，在安裝和調(diào)試上難度很大。雙光源僅用于雙光路系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)恰好與單光源相反，安裝、調(diào)試容易，但調(diào)整兩路光的平衡難度較大。
在反射體和切光（頻率調(diào)制）裝置中，反射體主要是保證紅外光以平行光形式發(fā)射，減少因折射造成的能量損失。因此，對反射體的反射面要求很高，表面不易氧化且反射效率高。切光（頻率調(diào)制）裝置包括切光片和切光馬達(dá)，切光片由切光馬達(dá)帶動，其作用是把紅外光變成斷續(xù)的光，即對紅外光進(jìn)行頻率調(diào)制。使的檢測器產(chǎn)生的信號成為交流信號，便于放大器放大。
在氣室和濾光元件中，測量氣室和參比氣室的結(jié)構(gòu)基本相同，外形都是圓筒形，筒的兩端用晶片密封。測量氣室連續(xù)地通過待測氣體，參比氣室完全密封并充有中性氣體（多為N2）。氣室的主要技術(shù)參數(shù)有：長度、直徑和內(nèi)壁粗糙度。而氣室的窗口材料（晶片）通常安裝在氣室端頭，既要保證整個氣室的氣密性，同時要具有高的透光率，還能起到部分濾光的作用。因此要求晶片應(yīng)有高的機(jī)械強(qiáng)度，對特定波長有高的“透明度”，還要耐腐蝕、潮濕，抗溫度變化等。窗口材料所使用的晶片材料有多種，如：ZnS（硫化鋅）、ZnSe（硒化鋅）、BaF2（氟化鋇）、CaF2（氟化鈣，螢石）、LiF2 （氟化鋰）、NaCl（氯化鈉）、KCl（氯化鉀）、SiO2（熔融石英）、藍(lán)寶石等。其中氟化鈣和熔融石英晶片使用最廣泛。
紅外線氣體分析儀中常用的濾光元件有兩種，一種是早期采用且現(xiàn)在仍在使用的濾波氣室，一種是現(xiàn)在普遍采用的干涉濾光片。濾波氣室的結(jié)構(gòu)和參比氣室一樣，只是長度較短。濾波氣室內(nèi)部充有干擾組分氣體，吸收其相對應(yīng)的紅外能量以抵消被測氣體中干擾組分的影響。濾光片則是一種形式簡單的波長選擇器，它是基于各種不同的光學(xué)現(xiàn)象（吸收、干涉、選擇性反射、偏振等）而工作的。從應(yīng)用上看，濾光片是一種待測組分選擇器，而濾波氣室是一種干擾組分過濾器。
5 檢測器
薄膜電容檢測器又稱薄膜微音檢測器，由金屬薄膜片動極和定極組成電容器，當(dāng)接收氣室內(nèi)的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時，推動電容動片相對于定片移動，把被測組分濃度變化轉(zhuǎn)變成電容量變化。結(jié)構(gòu)如圖3所示，薄膜電容檢測器結(jié)構(gòu)簡圖。薄膜材料以前多為鋁鎂合金，厚度為5～8μm，近年來則多采用鈦膜，其厚度僅為3μm。定片與薄膜間的距離為0.1～0.03mm，電容量為40～100pF ，兩者之間的絕緣電阻＞105MΩ。
接收氣室的結(jié)構(gòu)有并聯(lián)型（左、右氣室并聯(lián)）和串聯(lián)型（前、后氣室并聯(lián)）兩種，圖3所示為并聯(lián)型。薄膜電容檢測器是紅外線氣體分析儀長期使用的傳統(tǒng)檢測器。
優(yōu)點(diǎn)是溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高，但須密封并按交流調(diào)制方式工作。缺點(diǎn)是薄膜易受機(jī)械振動的影響，接收氣室漏氣即使有微漏也會導(dǎo)致檢測器失效，調(diào)制頻率不能提高，放大器制作比較困難，體積較大等。
微流量檢測器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檢測器。其傳感元件是兩個微型熱絲電阻，和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。
熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當(dāng)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。
微流量傳感器中的熱絲元件有兩種，一種是柵狀鎳絲電阻，簡稱鎳格柵，它是把很細(xì)的鎳絲編織成柵欄狀制成的。這種鎳格柵垂直裝配于氣流通道中，微氣流從格柵中間穿過。另一種是鉑絲電阻，在云母片上用超微技術(shù)光刻上很細(xì)的鉑絲制成。這種鉑絲電阻平行裝配于氣流通道中，微氣流從其表面通過。
測量管內(nèi)裝有兩個柵狀鎳絲電阻，和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。鎳絲電阻由恒流電源供電加熱至一定溫度。當(dāng)流量為零時，測量管內(nèi)的溫度分布如圖1-11-4下部虛線所示，相對于測量管中心的上下游是對稱的，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)氣體流過時，氣流將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實(shí)線所示，由電橋測出兩個鎳絲電阻阻值的變化，得到其溫度差ΔT，然后利用質(zhì)量流量與氣體含量的關(guān)系計算出被測氣體的實(shí)際濃度。
當(dāng)使用某一特定范圍的氣體時，質(zhì)量流量qm可理解為與鎳絲電阻之間的溫度差ΔT成正比。Oa段為儀表正常測量范圍，測量管出口處氣流不會帶走熱量；超過a點(diǎn)后，流量增大到有部分熱量被帶走時呈現(xiàn)非線性，流量超過b點(diǎn)時則大量熱量被帶走。
半導(dǎo)體檢測器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理制成的，當(dāng)紅外光照射到半導(dǎo)體元件上時，半導(dǎo)體元件會吸收光子能量后使非導(dǎo)電性的價電子躍遷至高能量的導(dǎo)電帶，從而降低半導(dǎo)體的電阻，引起電導(dǎo)率的改變，所以又稱其為光電導(dǎo)檢測器或光敏電阻檢測器。
半導(dǎo)體檢測器使用的材料主要有銻化銦（InSb）、硒化鉛（PbSe）、硫化鉛（PbS）、碲鎘汞（HgCdTe）等。紅外氣體分析儀大多采用銻化銦檢測器，也有采用硒化鉛、硫化鉛檢測器的。銻化銦檢測器在紅外波長3～7μm范圍內(nèi)具有高響應(yīng)率，在此范圍內(nèi)CO、CO2、CH4、C2H2、NO、SO2、NH3等幾種氣體均有吸收帶，其響應(yīng)時間僅為5×10－6 s 。
半導(dǎo)體檢測器的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、壽命長、響應(yīng)迅速。與氣動檢測器相比，它采用更高的調(diào)制頻率，使信號的放大處理更為容易。它與窄帶干涉濾光片配合使用，可以制成通用性強(qiáng)、快速響應(yīng)的紅外氣體分析儀。缺點(diǎn)是半導(dǎo)體元件受溫度變化影響大。
熱釋電檢測器是基于紅外輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)為原理的檢測器，分為把多支熱電偶串聯(lián)在一起形成的熱電堆檢測器和以熱電晶體的熱釋電效應(yīng)為原理的熱釋電檢測器兩類。熱電堆檢測器的優(yōu)點(diǎn)是長期穩(wěn)定性好，但它對溫度非常敏感，不適合作為精密儀器的檢測器，多用在紅外型可燃?xì)怏w檢測器。熱釋電檢測器的優(yōu)點(diǎn)是波長響應(yīng)范圍廣、檢測精度較高、反應(yīng)快，可在室溫的條件下工作。以前多用在傅里葉變換紅外分析儀中，響應(yīng)速度很快，實(shí)現(xiàn)高速掃描。現(xiàn)在也已廣泛用在紅外氣體分析儀中。
在晶體的兩個端面上加直流電場，晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷向陰極和陽極表面移動，使得晶體的一個表面帶正電，另一個表面帶負(fù)電，出現(xiàn)極化現(xiàn)象。對大多數(shù)晶體來說，當(dāng)去掉外加電場后，極化狀態(tài)就會消失，但有一類叫“鐵電體”的晶體例外，外加電場去掉后，它仍能保持原來的極化狀態(tài)。鐵電體的特性是溫度愈高則極化強(qiáng)度愈低，溫度愈低則極化強(qiáng)度愈高，當(dāng)溫度升高到一定值時，極化狀態(tài)會突然消失。利用已極化的鐵電體，隨著溫度升高其表面積聚電荷降低，即相當(dāng)于釋放電荷，利用極化強(qiáng)度隨溫度轉(zhuǎn)移這一現(xiàn)象制成的檢測器稱為熱釋電檢測器。
熱釋電檢測器常用的晶體材料是硫酸三苷肽（NH2CH2COOH）3H2SO4 （TGS）、氘化硫酸三苷肽（DTGS）和鉭酸鋰（LiTaO3 ）。熱釋電檢測器的結(jié)構(gòu)和電路圖。為減小機(jī)械振蕩和熱傳導(dǎo)的損失，檢測器被封裝成管，管內(nèi)抽真空或充氪等氣體。
6 非分光型紅外氣體分析儀及生產(chǎn)廠家產(chǎn)品
在非分光型紅外氣體分析儀中，采用薄膜微音檢測器的廠家很多，進(jìn)口品牌有ABB（中國）有限公司、西克麥哈克分析儀器有限公司、英國仕富梅（SERVOMEX）公司、橫河（YOKOGAWA）電機(jī)（中國）有限公司、日本掘場（HORIBA）公司，國產(chǎn)品牌有北京北分麥哈克分析儀器有限公司、重慶川儀自動化股份有限公司等。
非分光型紅外氣體分析儀多采用串聯(lián)型的接收氣室。即在檢測器的內(nèi)腔中，位于兩個接收室的一側(cè)裝薄膜電容檢測器，使得參比氣室和測量氣室的兩路光束交替地射入檢測器的前、后接受室。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。利用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，導(dǎo)致前、后室之間的檢測器內(nèi)電容器薄膜的壓力不相等，產(chǎn)生壓力差，而這個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?yàn)檩椛涔庠匆?/span>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。
這種串聯(lián)型的接收氣室的優(yōu)點(diǎn)是：零點(diǎn)穩(wěn)定（相對于圖3所示的并聯(lián)型接收氣室）。抗干擾組分影響的能力強(qiáng)。
非分光型紅外氣體分析儀的主要缺點(diǎn)是待測樣品各組分間有重疊的吸收峰時，會給測量帶來干擾。因此，除了采用串聯(lián)型接收氣室以外，還會采用干涉濾光片和濾波氣室對紅外光進(jìn)行濾波處理，但這兩種方式也會造成靈敏度的下降。
ABB（中國）有限公司的Uras26多組分紅外分析模塊：
它有兩個紅外分析模塊，每個模塊中帶兩個薄膜電容檢測器，串行連接在一起，分別接收不同輻射波段的紅外光束，可測量2種紅外吸收組分。上部的紅外分析模塊測量CO和SO2，下部的紅外分析模塊測量NO和CH4 ，儀器內(nèi)還加了一個電化學(xué)氧傳感器，總共可以測量4種紅外吸收組分和氧的濃度。在這兩個紅外分析模塊的光路中各插入一個校準(zhǔn)氣室輪，校準(zhǔn)氣室中填充一定濃度的被測氣體，相當(dāng)于滿量程標(biāo)準(zhǔn)氣的氣體吸收信號，不需要外接標(biāo)準(zhǔn)氣做標(biāo)定。
西克麥哈克分析儀器有限公司S700 MULTOR多組分紅外分析模塊：
S700 MULTOR多組分紅外分析模塊采用薄膜電容檢測器、串聯(lián)型接收氣室的雙光路。MULTOR多組分紅外分析模塊最多可分析3種組分。MULTOR多組分紅外分析模塊光路中插入有一個校準(zhǔn)氣室輪，校準(zhǔn)氣室中填充一定濃度的被測氣體，相當(dāng)于滿量程標(biāo)準(zhǔn)氣的氣體吸收信號，不需要外接標(biāo)準(zhǔn)氣做標(biāo)定。
北京北分麥哈克分析儀器有限公司雙光路紅外分析模塊：
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，兩者之間用晶片隔開。
重慶川儀自動化股份有限公司川儀九廠紅外分析模塊：
E —檢測器
E1.1—檢測器測量接收氣室的前室
E1.2—檢測器測量接收室氣的后室
E2.1—檢測器參比接收氣室的前室
E2.2—檢測器參比接收氣室的后室
E4 —薄膜電容器的金屬薄膜（動片）
HAE —供電電源和信號處理電子線路
M1—測量池的分析氣室
M2—測量池的參比氣室
Stl —紅外輻射源
E3 —半透半反窗（光學(xué)鏡片）
E5 —薄膜電容器的定片
M —測量池
St2 —光源部件
St3 —切光馬達(dá)
St4 —切光片
EK－毛細(xì)管通道
St5 —遮光板
屬于不分光型雙光路紅外分析器，采用串聯(lián)式薄膜電容檢測器，儀器的信息處理和恒溫控制等由微機(jī)系統(tǒng)完成。
在非分光型紅外氣體分析儀中，采用微流量檢測器的廠家不多，主要品牌有西門子（SIEMENS）（中國）有限公司。采用交變紅外雙光束（NDIR）測量原理，使用雙層檢測器和光耦合器來測量氣體。測量原理基于氣體分子具有特定的紅外光吸收波段，具有高選擇性，測量紅外吸收波段在2～9 μm范圍內(nèi)的氣體，例如 ：CO、 CO2、 NO、 SO2、 NH3、 H2O、CH4以及其他碳氫化合物。對于不同氣體產(chǎn)生的交叉干擾，采用帶有光耦合器的雙層檢測器，氣體填充的濾波氣室（分光器）或特殊濾光片來最大限度地降低這種交叉干擾。優(yōu)點(diǎn)是：雙層檢測器和光耦合器，選擇性好，使得復(fù)雜的氣體混合物也能可靠測量；檢測極限值低，實(shí)現(xiàn)了低濃度測量；氣路采用耐腐蝕性材料，可用于強(qiáng)腐蝕性氣體測量；樣氣室可清洗，節(jié)約成本；具有加熱型，實(shí)現(xiàn)高露點(diǎn)的應(yīng)用。
令人驚奇的微流量檢測器采用三明制的層狀設(shè)計，1mm2 面積內(nèi)分布24根熱絲，沒有麥克風(fēng)效應(yīng)。由于沒有可動部件，因此不存在部件損耗。流量的變化與電信號呈良好的線性關(guān)系。
紅外光源被加熱到約700℃。光源發(fā)出的光經(jīng)過分光器被分成兩路相等的光束（測量光束和參比光束）。紅外光源可左右移動以平衡光路系統(tǒng)。分光器同時具備濾波氣室的作用。參比光束通過充滿 N2的參比氣室，然后未經(jīng)衰減地到達(dá)右側(cè)檢測器。測量光束通過流動著樣氣的測量氣室，并根據(jù)樣氣濃度的不同產(chǎn)生或多或少的衰減后到達(dá)左側(cè)檢測器。檢測氣室內(nèi)充滿特定濃度的待測氣體組分。檢測氣室被設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu)。光譜吸收波段中間位置的光優(yōu)先被上層檢測氣室吸收，邊緣波段的光幾乎同樣程度地被上層檢測氣室和下層檢測氣室吸收。上層和下層檢測氣室通過微流量傳感器連接在一起。這種耦合意味著吸收光譜的帶寬很窄。光耦合器延長了下層檢測氣室的光程長度。改變滑動調(diào)節(jié)件的位置，可以改變下層檢測氣室的紅外吸收。因此，最大限度減少某個干擾組分的影響是可能的。斬波器在分光器和氣室之間旋轉(zhuǎn)，交替地、周期性地切斷兩束光線。如果在測量氣室有紅外光被吸收，兩層檢測氣室之間就會產(chǎn)生脈動氣流，該氣流被微流量傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。微流量傳感器中有兩個被加熱到大約 120℃的鎳格柵，這兩個鎳格柵和兩個電阻形成惠斯通電橋。脈動氣流及緊密排列的鎳格柵導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，這樣電橋失衡而產(chǎn)生輸出，電橋輸出信號的大小取決于氣體濃度。
紅外光源被加熱到約600℃。光源發(fā)出的光電斬波器調(diào)制成頻率為81/3Hz。紅外光束通過流動著樣氣的測量氣室，并根據(jù)樣氣濃度的不同而產(chǎn)生或多或少的衰減。檢測器為兩層或3層結(jié)構(gòu)，充有特定濃度的待測氣體組分。
光譜吸收波段的中間位置的能量優(yōu)先被第一層檢測室吸收，邊緣波段的光則被第二層檢測器室和第三層檢測器室吸收。多層檢測氣室之間通過微流量傳感器連接在一起。上、下層之間的吸收經(jīng)微流量傳感器耦合，將吸收光譜的帶寬變窄，提高分辨精度、消除紅外交叉干擾。
改變滑片的位置，可以改變下層檢測氣室的紅外吸收。因此，最大限度減少某個干擾組分的影響是可能的。斬波器在分光器和氣室之間旋轉(zhuǎn)，交替地、周期性地切斷光線。如果在測量氣室有紅外光被吸收，多層檢測氣室之間就會產(chǎn)生脈動氣流，該氣流被微流量傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。微流量傳感器中有兩個被加熱到120 oC 的鎳格柵，這兩個鎳格柵和兩個電阻形成惠斯通電橋。脈動氣流及緊密排列的鎳格柵導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，這樣電橋失衡而產(chǎn)生輸出，電橋輸出信號的大小取決于氣體濃度。
7 固定分光型紅外氣體分析儀及生產(chǎn)廠家產(chǎn)品
在固定分光型紅外氣體分析儀中，多采用固定檢測器的氣體濾光（GFC）技術(shù)和半導(dǎo)體干涉濾光片（IFC）技術(shù)。主要品牌有西克麥哈克分析儀器有限公司。
采用固體檢測器的紅外氣體分析儀，光學(xué)系統(tǒng)為單光路結(jié)構(gòu)，屬于固定分光型，雖然檢出限和靈敏度不如采用氣動檢測器的雙光路分析儀，但優(yōu)點(diǎn)是：采用空間單光路系統(tǒng)，不存在因污染等原因造成的光路不平衡問題；采用時間雙光路系統(tǒng)，可使相同干擾因素對光學(xué)系統(tǒng)的影響相互抵消；改變測量組分時，只需更換不同波長通帶的干涉濾光片；檢測器不漏氣，壽命長；結(jié)構(gòu)簡單，體積小。
濾波氣室輪上裝有兩種濾波氣室，一種是分析氣室M，充入氮?dú)猓硪环N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(dāng)濾波氣室輪在馬達(dá)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，分析氣室和參比氣室交替進(jìn)入光路系統(tǒng)，形成時間上分割的測量、參比兩光路。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，為提高分析儀的選擇性，加入干涉濾光片，只有特征吸收波長附近的一小部分紅外光能通過濾光片進(jìn)入測量氣室。
光源發(fā)出的紅外光束經(jīng)濾光片輪加以調(diào)制后射向氣室。濾光片輪上裝有兩種干涉濾光片，其中一種是測量濾光片，另一種是參比濾光片。兩種濾光片交替進(jìn)入光路系統(tǒng)，形成時間上分割的測量、參比兩光路。兩種波長的紅外光束交替通過測量氣室到達(dá)檢測元件，被轉(zhuǎn)換成與紅外光強(qiáng)度（待測組分濃度）相關(guān)的交變信號。接收氣室是一個光錐縮孔，作用是將光路中的紅外光全部聚集到檢測元件上。
一般來說，常量分析或被測氣體吸收峰附近沒有干擾氣體的吸收，采用IFC技術(shù)；微量分析或被測氣體吸收峰附近存在干擾氣體的吸收，采用GFC技術(shù)。
西克麥哈克分析儀器有限公司MCS100E高溫型紅外線多組分氣體分析儀：
MCS100E是一種采用熱釋電檢測器的紅外氣體分析儀，可在高溫下進(jìn)行分析，最多能測量8種氣體組分。如圖1-11-17，MCS100E光學(xué)檢測單元。由光源部件、氣室部件和檢測器部件構(gòu)成。光源部件包括紅外光源和調(diào)制切光片，檢測器部件由濾光片輪、濾波氣室輪、紅外檢測器、前置放大器組成。如圖1-11-18，MCS100E光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。為單光路結(jié)構(gòu)，有兩個濾波輪，一個濾波輪可安裝8塊干涉濾光片，另一個濾波輪可安裝8個濾波氣室。檢測器接收到的一系列信號，通過微機(jī)確定的程序加以處理，計算出各組分的濃度。
西克麥哈克分析儀器有限公司FINOR多組分紅外分析模塊：
FINOR模塊采用脈沖光源，去除了切光系統(tǒng)，4塊濾光片平均布置在光路中，沒有濾光片輪，檢測器中裝在4個熱釋電元件，位置與4塊濾光片一一對應(yīng)，分別接受4個波長的紅外光能量。FINOR模塊可同時測量3種氣體組分，3種被測組分分別使用3個測量波分，1個參比波長是公用的。FINOR中無機(jī)械調(diào)制部件，成本低，可靠性較高。由于受光源功率和熱慣性的限制，測量量程寬，精度不高，滯后時間長。
8 模塊式多組分（紅外）氣體分析儀及生產(chǎn)廠家產(chǎn)品
模塊式多組分（紅外）氣體分析儀是由多個分析模塊（包括紅外、紫外、熱導(dǎo)、磁氧等）和一個電子單元組合在一起構(gòu)成，分析模塊相當(dāng)于傳統(tǒng)分析儀器的檢測器，電子單元相當(dāng)于信號處理器和顯示器。它實(shí)現(xiàn)一臺分析儀可以分析多個氣體組分的設(shè)想，降低了分析儀的制造成本，縮小了分析儀的安裝空間，減少了備品備件的數(shù)量。它適用在混合氣體中的多組分分析，或是取樣點(diǎn)集中的應(yīng)用，但對于取樣點(diǎn)比較分散，參與閉環(huán)控制或?qū)に嚥僮饔兄匾饔玫年P(guān)鍵組分，模塊式多組分分析是萬不可取的。
模塊式多組分（紅外）氣體分析儀的典型生產(chǎn)廠家有：
ABB（中國）有限公司的AO模塊化過程分析儀，主要分析模塊有：
Uras26 紅外分析模塊（薄膜電容檢測器）
Magnos206 氧分析模塊（磁力機(jī)械式）
Caldos25 熱導(dǎo)分析模塊（電阻絲熱敏元件）
Caldos27 熱導(dǎo)分析模塊（硅傳感器）
Multi-FID14 氫火焰離子化分析模塊
Limas 11 紫外分析模塊。
西克麥哈克分析儀器有限公司的S 700系列模塊式氣體分析儀，主要分析模塊有：
UNOR 單組分不分光式紅外吸收法（薄膜電容檢測器）
MULTOR 多組分不分光式紅外吸收法（薄膜電容檢測器）
THERMOR 單組分熱導(dǎo)法
FINOR 多組分相關(guān)紅外吸收法（半導(dǎo)體檢測器）
OXOR-P 順磁原理測氧（磁力機(jī)械式）
OXOR-E 電化學(xué)法測氧
西門子（ S I E M E N S ） （ 中國） 有限公司ULTRAMAT23紅外分析儀，主要分析模塊有：
紅外測量（最多可做3個紅外組分），燃料電池氧，順磁氧，電化學(xué)傳感器測H2S。
9 紅外氣體分析儀的應(yīng)用發(fā)展
在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀作為最早應(yīng)用的在線分析技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石化、環(huán)保、生化、水泥、航天等各個領(lǐng)域。自1957年第一臺國產(chǎn)熱導(dǎo)型CO2在線氣體分析儀應(yīng)用開始，到上世紀(jì)80年代隨著石化、化肥、鋼鐵、電站等大型裝置的全套引進(jìn)，國外先進(jìn)的在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀進(jìn)入中國，并得以廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)90年代起，隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，模塊化、小型化、數(shù)字化和智能化的在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀取得了顯著發(fā)展。在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀更以其可靠性高、準(zhǔn)確性好、實(shí)時性快、便于維護(hù)成為最廣泛應(yīng)用的在線分析儀器。
在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀正常使用時，需要考慮背景氣體和工作環(huán)境對儀器分析的影響。由于背景氣體中可能含有與待測組分特征吸收譜帶有交叉重疊的其他組分，因此通常會使用樣品處理、軟件扣除、加裝濾光氣室或加裝帶干擾組分分析模塊來消除這種影響。多數(shù)在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀還會采用參比通道設(shè)計來提高儀器的穩(wěn)定性。在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀需要定期通過標(biāo)準(zhǔn)氣體的標(biāo)定來確保儀器測量的準(zhǔn)確度。
由于環(huán)境溫度和樣品溫度都會對測量產(chǎn)生影響，部分專業(yè)的在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀生產(chǎn)廠家會采用高溫恒溫控制測量氣室來消除這種影響。由于大氣壓力會改變樣品氣密度，從而改變氣體的紅外吸收率，因此采用樣品氣直排的紅外氣體分析儀會受到大氣壓力的影響，部分專業(yè)的在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀生產(chǎn)廠家會采用加裝大氣壓力測量元件，通過測量大氣壓力來補(bǔ)償這種影響。目前多數(shù)在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀生產(chǎn)廠家還會通過軟件處理來提高測量線性化范圍，抗交叉干擾技術(shù)、自動標(biāo)定功能、修正溫度、修正壓力、修正漂移來確保儀器的可靠性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度。
隨著紅外光譜技術(shù)的日趨成熟，“在線分析”“自動化”及“系統(tǒng)集成”作為在線分析儀表的發(fā)展理念，將被各個生產(chǎn)廠家發(fā)展到新的應(yīng)用高度，而傳感技術(shù)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能化則是發(fā)展的重點(diǎn)。
在對于分析檢測器的研究和應(yīng)用中，微流量傳感器的檢測方式將以其所消耗樣品少，系統(tǒng)誤差小、穩(wěn)定性好，更適用于過程分析而成為氣體檢測器發(fā)展應(yīng)用的主要方向。而檢測器的特殊封裝技術(shù)使得檢測器成為獨(dú)立的整體，更加方便的與樣品和參比氣室連接。集成檢測信號放大回路和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展可以提高分析儀器的靈敏度，使得極微量組分的測量成為可能，同時極大地減小儀器的體積。
在新型器件的研究和應(yīng)用中，近紅外光譜和傅里葉變換紅外光譜在過程分析的突破將會成為紅外光譜技術(shù)發(fā)展的有力補(bǔ)充。利用介于可見光和中紅外光譜之間的近紅外光譜，不僅加速了其在傳統(tǒng)石油化工的油品調(diào)和應(yīng)用上的持續(xù)發(fā)展，同時也使得其在傳統(tǒng)色譜分析應(yīng)用的天然氣行業(yè)應(yīng)用中有所突破，可實(shí)現(xiàn)C1～C5的應(yīng)用分析。而利用連續(xù)波長的紅外光源經(jīng)過傅里葉變換，得到樣品單光束光譜的傅里葉變換紅外光譜，使得其在垃圾焚燒等需要多組分在線分析的應(yīng)用成為可能。
在網(wǎng)絡(luò)通信的研究和應(yīng)用中，目前絕大多數(shù)在線分析儀器大多具備RS232或RS485通信接口，有些還具備Ethernet端口。既可輸出4～20mA模擬信號，又可實(shí)現(xiàn)與工藝過程控制的DCS控制連接。目前國外品牌大多會將Modbus或Profibus作為現(xiàn)場總線通信的選擇，發(fā)展集約化，模塊化，統(tǒng)一規(guī)格的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信，發(fā)展與計算機(jī)控制系統(tǒng)同步的高速網(wǎng)絡(luò)接口，將成為在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀網(wǎng)絡(luò)化研究的主要方向。
在遠(yuǎn)程維護(hù)的研究和應(yīng)用中，目前SIEMENS和ABB等國外品牌都已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)站，在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀可通過在現(xiàn)場直接上網(wǎng)，廠家的技術(shù)人員可通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)儀器的使用及在線故障判定，從而為用戶提供及時準(zhǔn)確的服務(wù)和維修信息。
在分析軟件技術(shù)的研究和應(yīng)用中，通過智能化技術(shù)，化學(xué)計量學(xué)軟件技術(shù)，濾光處理及峰譜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使得在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀的抗交叉干擾分析，多組分紅外光譜分析、傅里葉紅外光譜分析都成為了可能，并取得了重要的突破。
在模塊化組合技術(shù)的研究和應(yīng)用中，通過采用包括紅外檢測模塊在內(nèi)的多元化傳感器組合，共用一個微計算機(jī)技術(shù)處理平臺，實(shí)現(xiàn)多種氣體組分的同步測量，通過信息融合及計算軟件的應(yīng)用，確保了樣品的準(zhǔn)確性分析及實(shí)時性響應(yīng)。
在并行檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用中，隨著用戶對在線分析應(yīng)用的認(rèn)可及推廣，用戶對同一樣品采用多個同樣檢測器測量，再通過智能處理系統(tǒng)對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理及篩選，以提高在線分析的可靠性和準(zhǔn)確度的要求日趨強(qiáng)烈，并行檢測技術(shù)將得到極大地發(fā)展及推廣。而微流量檢測器和分析儀模塊小型化的實(shí)現(xiàn)，也使得并行檢測技術(shù)的應(yīng)用成為了可能。
綜上所述，作為工業(yè)過程控制應(yīng)用最廣泛的儀器，在線紅外光譜連續(xù)氣體分析儀在繼續(xù)保持其應(yīng)用優(yōu)勢的前提下，在提高測量穩(wěn)定性上，在提高分析儀準(zhǔn)確度上，在確保分析儀使用的安全性，在方便儀器的易維護(hù)性，在提高分析儀的功能成套化，在優(yōu)化數(shù)據(jù)處理及信息傳輸上都會有長足的進(jìn)步和發(fā)展。
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