紅外線氣體分析器的類型和特點

  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。

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)點是選擇性好，靈敏度較高；缺點是分光后光束能量很小，分光系統(tǒng)任一元件的微小位移，都會影響分光的波長。因此，分光型儀器一直用在條件較好的實驗室，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，只能對某個特定波長附近的狹窄譜帶進行選通，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  從兩個相同的光源分配的一個光源，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、參比氣室后進入檢測器。

單光路  從光源發(fā)出的單束紅外光，只通過一個幾何光路。但是對于檢測器而言，接收到的是兩個不同波長的紅外光束，只是它們到達檢測器的時間不同而已。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濾波氣室)，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，實現(xiàn)時間上的雙光路。

(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檢測器，后兩種檢測器屬于固體檢測器。

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)源自氣動檢測器。氣動檢測器內(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)輻射到達檢測器后，它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。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)形成時間上的雙光路。它對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。

在整機工作原理、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號調(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，對現(xiàn)代紅外線氣體分析器進行嚴(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

(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等無機物、CH₄、C₂H₄等烷烴、烯烴和其他烴類及有機物都可用紅外分析器進行測量。

(2)測量范圍寬

可分析氣體的上限達100％，下限達幾個ppm的濃度。當(dāng)采取一定措施后，還可進行痕量(ppb級)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，用紅外分析器分析氣體時，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。這一點與其它分析儀器比較是一個突出的優(yōu)點。