紅外吸收光譜法在氣體檢測中的應(yīng)用

1、第27卷第5期 唐山師范學院學報 2005年9月 Vol. 27 No.5 Journal of Tangshan Teachers College Sep. 2005收稿日期:2005-02-26作者簡介:張帆(1973-,男,河北唐山人,唐山學院機電系助教,碩士。- 62 -紅外吸收光譜法在氣體檢測中的應(yīng)用張 帆1,張立萍2(1.唐山學院 機電系,河北 唐山 063000;2.河北能源職業(yè)技術(shù)學院 基礎(chǔ)部,河北 唐山 063000摘 要:詳述了氣體濃度檢測的原理:朗伯-比爾吸收定律和差分吸收技術(shù),并結(jié)合筆者設(shè)計的紅外甲烷檢測儀對氣體測量儀的結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹。關(guān)鍵詞:紅外吸收光譜法;檢測儀

2、;甲烷;氣體中圖分類號:Q433.5+1 文獻標識碼:A 文章編號:1009-9115(200505-0062-03氣體檢測在眾多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,有毒有害氣體、易燃易爆氣體濃度的檢測歷來對安全生產(chǎn)具有重要意義。近年來,瓦斯爆炸是煤業(yè)生產(chǎn)中危害極大的一類事故,傷亡人數(shù)超過全部重大事故傷亡人數(shù)的一半,1煤礦企業(yè)急需高可靠性智能化的甲烷氣體檢測儀來滿足復(fù)雜的現(xiàn)場需求。石油化工、環(huán)境保護和防疫等領(lǐng)域也需要監(jiān)測一些氣體濃度,如CO 、O 3、NH 3、SO 2和NO 2等。常用的測量氣體方法主要有紅外吸收光譜法、電化學法和化學傳感器法等。23紅外光譜法是近十多年來迅速發(fā)展的新型檢測技術(shù)。與其它方法相

3、比較,有測量范圍寬、靈敏度高、選擇性良好、不中毒、壽命長等一系列優(yōu)點,45受到國內(nèi)外廣泛重視,具有良好的技術(shù)發(fā)展前景。1 紅外吸收光譜的產(chǎn)生根據(jù)量子力學原理,光是由光子所組成,當氣體受到紅外光束照射時,光子作用于該氣體分子,該分子選擇性地吸收某些頻率的光子,并從低能態(tài)躍遷到高能態(tài);從宏觀上看,表現(xiàn)為透射光的強度變小,這種現(xiàn)象稱為吸收。紅外吸收光譜不僅應(yīng)用于氣體濃度的測量,還廣泛應(yīng)用于從特征吸收來識別不同分子的結(jié)構(gòu)。4研究表明,分子光譜多為帶光譜。這是由于分子內(nèi)部各質(zhì)點的運動能級較原子光譜復(fù)雜的緣故。67在分子中,除了原子的核能E n ,質(zhì)心在空間的平移能E t 和電子運動能E e 外,還有原子

4、之間的相對振動能E v ,分子轉(zhuǎn)動能E r 和分子中基團之間的內(nèi)旋轉(zhuǎn)能E i 等。當不考慮各種運動形式之間的相互作用時,可近似地認為分子整體能級E 為:E=E e +E v +E r +E n +E t +E i ,由于E n 在一般化學實驗條件下不發(fā)生變化,后兩項E t 、E i 又比較小,一般只考慮其它幾項能量:E=E e +E v +E r 。當分子由較低能級E 激發(fā)到較高能級E時,所吸收的輻射頻率v 為:r v e r v e v v v hE h E h E v +=+= 理論和實踐都證明,電子運動能量差E e 最大,轉(zhuǎn)動能量差E r 最小,這表明,在每一個電子能級之上可以有較小間隔

5、的振動能級,而在每一個振動能級之上又有更小間隔的轉(zhuǎn)動能級,形成圖1所示的分子能級圖。分子中的電子躍遷必然引起原子間振動狀態(tài)的變化。而振動狀態(tài)的變化,又將引起整個轉(zhuǎn)動慣量的增大或縮小,從而使轉(zhuǎn)動狀態(tài)變化。分子的振動、轉(zhuǎn)動以及電子的運動相互聯(lián)系,而分子的運動狀態(tài)與分子光譜緊密聯(lián)系在一起,三種不同波長的光譜交織在一起使得分子光譜變得十分復(fù)雜。光譜中往往存在著由許多密集譜線組成的一個個光譜帶,若干個光譜帶又歸并成一個光譜帶系,因此稱為帶狀光譜。形成帶狀光譜是分子光譜的特點。以上表明分子光譜的復(fù)雜性取決于分子的微觀結(jié)構(gòu),由于不同的分子具有不同的微觀結(jié)構(gòu),從而所形成的分子光譜也就不同。每種氣體都有其特定的

6、吸收光譜,對應(yīng)于不同的吸收帶。氣體分子對紅外輻射有選擇的吸收是紅外氣體傳感器的設(shè)計基礎(chǔ)。2 氣體濃度測量原理絕大多數(shù)雙原子分子和多原子分子氣體在紅外波段均有特征吸收峰,可用紅外吸收光譜法進行氣體濃度的檢測。氣體對紅外輻射的吸收遵循Lambert-Beer 定律:6,8I(=I 0(exp-(CL張 帆,張立萍:紅外吸收光譜法在氣體檢測中的應(yīng)用 - 63 -式中,L 為光通過氣室的長度,C 為被測氣體的濃度,(為每克吸收氣體的吸收系數(shù),是波長的函數(shù)。一般的,定義吸光度H 為:(ln ln (0I I H =,則有:CL H (=。 可以看出,若吸收系數(shù)(可以測得,通過測量入射光和透射光的強度就能

7、測出氣體濃度。光路的干擾因素,可采用差分吸收技術(shù)加以消除。考慮光路干擾,Lambert-Beer 定律表示為:9I(=I0(exp-(CL+(式中,(為光路干擾系數(shù),(是一個隨機變量。如果選用兩個波長1,2相隔極近(但在吸收系數(shù)上有很大差別的單色光同時或在相差很短時間內(nèi)通過待測氣體,待測氣體的濃度可以表示為:(ln (ln (11221201021=I I I I L C 由于相差很小,光幾乎同時接近和通過待測氣體,可以認為(21,上式可以簡化為: (ln (112021021I I I I L C = 適當調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)使(2010I I =,可進一步簡化為: (ln (11221I I L

8、C =在波長1,2處,若氣體的吸收系數(shù)1,2可以測量,則氣體濃度就可由(1I 和(2I 的測量值求出。'eE ''e E '''轉(zhuǎn)動能級圖1 分子能級圖 3 紅外氣體檢測儀器的結(jié)構(gòu) 筆者開發(fā)的紅外CH 4氣體檢測儀由光學系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)兩部分組成,其方框圖如圖所示:圖2 CH 4檢測儀方框圖 儀器的光學系統(tǒng)采用單光源、雙探測器、空間雙光束結(jié)構(gòu),采用了差分吸收技術(shù),系統(tǒng)在測量時利用檢測光信號與參比光信號相比較的方法,一方面能夠從一定程度上克服單光路中光源在不同時刻強度變化引起的誤差,另一方面能對溫度引起的傳感器漂移起一定的抑制作用。紅外光源中心波長

9、控制在甲烷氣體吸收峰(3.39m µ附近,為保證光源的最大輻射波長m 位于甲烷氣體的吸收峰,光源的發(fā)光溫度定為855,同時參比光的波長選在m 附近,ref =3.9m µ。光源產(chǎn)生的紅外光通過氣室,分別經(jīng)檢測濾光片(中心波長為3.39m µ和參比濾光片(中心波長為3.9m µ,得到兩束單色光,經(jīng)紅外探測器實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換,輸出毫伏級的與甲烷濃度成一定關(guān)系的電壓信號。該濃度電壓信號經(jīng)放大,濾波和A/D 轉(zhuǎn)換,變成數(shù)字量,讀入單片機,并通過相應(yīng)程序計算出氣體濃度。第27卷第5期唐山師范學院學報 2005年第5期儀器的軟件系統(tǒng)采用C語言開發(fā),能獨立地實

10、現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值顯示功能,以實現(xiàn)氣體濃度的測量。此外還具有與工業(yè)PC機通訊的功能,通過通訊接口,可將紅外甲烷檢測儀的測量數(shù)據(jù)傳送到PC機,以便作進一步的數(shù)據(jù)分析與處理。參考文獻:1 王一丁,鐘宏杰,金欽漢,等.紅外CH4檢測儀J.吉林大學自然科學學報,2001,(4:69-70.2 Ruth W. Stidger. New Technology Improves Leak Detection. Gas Utility Manager, 2003,47(4:16-17.3 王化祥,張淑英.傳感器原理及應(yīng)用M.天津:天津大學出版社,1998.145-150.4 方惠群,于俊生,史堅.儀器

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12、研究J.光學技術(shù).2001,(4:342-343.The Application of Infrared Absorption Spectroscopy to GasMonitoringZHANG Fan1, ZHANG Li-ping2(1.Mechanical Department, Tangshan College, Hebei Tangshan 063000, China;2.Department of Basic Courses, Hebei Energy Institute of V ocation and Technology, Hebei Tangshan 063000, Ch

13、inaAbstract: The characteristics of infrared absorption spectroscopy are described briefly and the principles of gas monitoring based on Lambert-Beer law and differential absorption are stated in detail. A portable infrared methane monitor has been designed, by which the structure of the gas monitor

14、 is also introduced.Key words: infrared absorption spectroscopy; monitor; methane; gas責任編輯、校對:孫海祥(上接第47頁Improvement on Culture Medium of Corn Powder for DrosophilaZHANG Hui-yi(Experimental Center of Chemical Engineering and Biological Technology, Hebei Polytechnic University, Hebei Tangshan063000, ChinaAbstract: Through modifying the components properly according to original components of Culture Medium of Corn Powder,