紅外氣體分析測試技術(shù)

關(guān)于紅外氣體分析測試技術(shù)第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通、工業(yè)產(chǎn)生的大量煙氣進(jìn)入大氣中，使大氣污染日益嚴(yán)重。煙氣分析測試技術(shù)空氣污染越來越受到重視，對有害氣體的分析測量對大氣污染治理尤其重要。第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月煙氣分析測試技術(shù)目前比較成熟的5種氣體成分分析儀所采用的測試方法。第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紫外法與紅外法類似,也是使用選擇性檢測器測定樣品氣中特定成分引起的紫外線吸收量的變化來確定氣體的濃度紫外法測量精確度不高，同等性能、功能情況下儀器價格比紅外線高。煙氣分析測試技術(shù)第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)發(fā)光法測量NO是一種特殊的方法。它通過測量NO與臭氧(O3)反應(yīng)產(chǎn)生的光的強(qiáng)度來確定NO濃度。紅外法同樣是測量NO的一種分析方法,如果不考慮測量標(biāo)準(zhǔn),兩種方法都可以采用。化學(xué)發(fā)光法不足之處是其發(fā)光在瞬間完成，發(fā)光強(qiáng)度峰值衰減時間短，光背景高，造成檢測結(jié)果穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，另外，需要發(fā)光時間，目前可以被利用的發(fā)光試劑不多，因此該法的推廣應(yīng)用受到一定程度的限制。煙氣分析測試技術(shù)第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月由于被分析氣體的千差萬別和分析原理的多種多樣，氣體分析儀的種類繁多。常用的有：

1.熱導(dǎo)式氣體分析儀

2.電化學(xué)式氣體分析儀

3.紅外線吸收式分析儀等煙氣分析測試技術(shù)第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月熱導(dǎo)式氣體分析儀

一種物理類的氣體分析儀表。它根據(jù)不同氣體具有不同熱傳導(dǎo)能力的原理，通過測定混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)來推算其中某些組分的含量。這種分析儀表簡單可靠,適用的氣體種類較多,是一種基本的分析儀表。但直接測量氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比較困難，所以實(shí)際上常把氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，再用電橋來測定。JRD-1010型熱導(dǎo)式氫分析器煙氣分析測試技術(shù)第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)式分析儀器是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、價廉、技術(shù)上較為成熟。適用的氣體種類較多，是一種基本的分析儀表

缺點(diǎn)：熱導(dǎo)式分析儀器對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質(zhì)中水汽、顆粒等雜質(zhì)對測量影響較大，所以必須安裝復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)。煙氣分析測試技術(shù)第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月電化學(xué)式氣體分析儀

一種化學(xué)類的氣體分析儀表。它根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所引起的離子量的變化或電流變化來測量氣體成分。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、檢測速度快、準(zhǔn)確、便攜、可現(xiàn)場直接檢測和連續(xù)檢測。

缺點(diǎn)：電化學(xué)式氣體分析儀中使用成本較大，在實(shí)際使用中還會普遍存在取樣流量、氣體交叉干擾（電化學(xué)傳感器通過設(shè)置不同的電極電位，使得傳感器對應(yīng)某一特定氣體敏感，從而達(dá)到測定的目的，但對于電極電位相似的氣體，會產(chǎn)生交叉干擾）以及預(yù)前處理等方面的問題。煙氣分析測試技術(shù)第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月YX-301B型電化學(xué)氣體分析儀選擇電化學(xué)原理的氣體分析儀,應(yīng)該注意:(1)無論哪一種型號的分析儀,都不能直接測量CO2,CO2是通過計(jì)算獲得,而計(jì)算的基礎(chǔ)是對燃料種類的選擇。對于煤來講,特性是千差萬別的,但是,分析儀中一般只存儲一到兩類煤的特性系數(shù),因此,計(jì)算結(jié)果會有一定偏差,有些情況下,偏差會很大。(2)分析儀中的測量元件是消耗性部件,使用一段時間以后,這些測量元件就需要更換。因此,在選擇分析儀時應(yīng)高度注意供貨商的售后服務(wù)能力。(3)千萬要注意,這類分析儀不適宜用作長時間的連續(xù)測量。煙氣分析測試技術(shù)第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外線分析儀紅外線吸收式分析根據(jù)不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而工作的分析儀表。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強(qiáng)度可確定被測氣體的濃度。紅外線分析儀的使用范圍寬，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速,能在線連續(xù)指示,也可組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)。煙氣分析測試技術(shù)YX-3052型紅外氣體分析儀第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月煙氣分析測試技術(shù)煙氣預(yù)處理

在進(jìn)行煙氣成分分析時,無論對哪一種分析儀來講,對煙氣進(jìn)行必要的處理是至關(guān)重要的。

煙氣預(yù)處理是指除去煙氣中的粉塵、煙臭和水分等,使煙氣達(dá)到“清潔”和干燥的要求。

實(shí)踐中,這一重要的步驟往往被輕視,甚至被忽略,因此在分析中出現(xiàn)許多問題,如:儀器使用壽命短、測量精度下降、測量穩(wěn)定性差等等,這些問題都與沒有使用合適的預(yù)處理設(shè)備有關(guān)。

煙氣的除濕干燥相對比較復(fù)雜一些,必須裝備特殊的冷凝裝置。煙氣中的水分對氣體分析的準(zhǔn)確性有較大影響,主要表現(xiàn)在水蒸汽的交叉干擾(cross-sensitivity)以及容積誤差。對于紅外型分析儀來講這種干擾更應(yīng)該引起重視。第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外光譜技術(shù)

檢測煙氣的方法主要有化學(xué)法、電化學(xué)法、氣相色譜法等，這些方法普遍存在著價格貴、普適性差等問題，且測量精度還較低。經(jīng)典的煙氣成分分析方法都有一定的局限性。用紅外吸收法測定煙氣中成分濃度的方法就彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)，紅外吸收法測定氣體濃度具有測量范圍寬、靈敏度高、準(zhǔn)確性高、響應(yīng)時間快、選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

紅外技術(shù)是光電結(jié)合的一種新技術(shù),它和激光、微光組成了“電光學(xué)”這門現(xiàn)代的、迅速發(fā)展的新型學(xué)科。紅外線和無線電波、微波、可見光中的紫外線、X射線、Y射線及宇宙射線這些表面上極不相同的東西,本質(zhì)上卻是完全相同的,即它們都是電磁輻射,只不過其波長各不相同而已。第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長(或頻率)的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照波長(或頻率)排成如下圖所示的波譜圖，稱之為電磁波譜。電磁波波譜圖紅外線屬于不可見光波的范疇，它的波長一般在0.76～750μm之間。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外(0.76～1.5μm)、中紅外(1.5～l5μm)和遠(yuǎn)紅外(15μm以上)。紅外光譜技術(shù)第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外光譜技術(shù)工作原理

紅外光譜法的工作原理是由于分子振動能級不同，化學(xué)鍵具有不同的頻率。共振頻率或者振動頻率取決于分子等勢面的形狀、原子質(zhì)量、和最終的相關(guān)振動耦合。

簡單的雙原子分子只有一種鍵，那就是伸縮。更復(fù)雜的分子可能會有許多鍵，并且振動可能會共軛出現(xiàn)，導(dǎo)致某種特征頻率的紅外吸收可以和化學(xué)組聯(lián)系起來

紅外光譜又稱分子振動轉(zhuǎn)動光譜。當(dāng)樣品收到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射，產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光或反射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射或反射比與波數(shù)或波長關(guān)系的曲線，就得到紅外光譜，紅外光譜法不僅能夠進(jìn)行定性和定量分析，并且從分子的特征吸收可以鑒定化合物和分子結(jié)構(gòu)第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

紅外吸收法是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的機(jī)理進(jìn)行檢測的。由于各種物質(zhì)的分子本身都固有一個特定的振動和轉(zhuǎn)動頻率，只有在紅外光譜的頻率與分子本身的特定頻率相一致時，這種分子才能吸收紅外光譜輻射能。所以各種氣體并不是對紅外光譜范圍內(nèi)所有波長的輻射能都具有吸收能力，而是有選擇性的，即不同的分子混合物只能吸收某一波長范圍或某幾個波長范圍的紅外輻射能。紅外光譜技術(shù)第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外光譜技術(shù)第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體的特征吸收頻率是由氣體分子種類決定的。紅外線氣體分析儀是根據(jù)比爾定律制成的。假定被測氣體為一個無限薄的平面，當(dāng)紅外輻射通過被測氣體時，其分子吸收光能量，吸收能量的多少與氣體的濃度有關(guān)，其吸收關(guān)系遵循朗伯一貝爾(Lamber—Beer)定律：

I=I0exp[-KLC]（1）

其中：，I0為光源發(fā)出的初始光強(qiáng)，為I經(jīng)過L距離傳輸后的光強(qiáng)，K為氣體的吸系數(shù)，C為氣體的濃度。由式(1)可得：

C=

（2）紅外光譜技術(shù)第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果樣品的紅外活躍鍵少、純度高，得到的光譜會相當(dāng)清晰，效果好。更加復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致更多的鍵吸收，從而得到復(fù)雜的光譜。但是，這項(xiàng)技術(shù)還是用在了非常復(fù)雜的混合物的定性研究當(dāng)中。紅外光譜技術(shù)第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外光譜測量的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）測量范圍寬：可分析氣體上限達(dá)100%，下限達(dá)幾個ppm（百萬分之一）的濃度。進(jìn)行精細(xì)化處理后，還可以進(jìn)行痕量(ppb)分析（物質(zhì)中含量在百萬分之一以下組合的分析方法）；

（2）靈敏度高：具有很高的監(jiān)測靈敏度，氣體濃度有微小變化都能分辨出來；

（3）測量精度高：與其他分析手段相比，它的精度較高且穩(wěn)定性好，反應(yīng)速度快，響應(yīng)時間一般在10s以內(nèi)。缺點(diǎn)：不能分析對稱結(jié)構(gòu)無極性雙原子分子（如N2、O2、H2）及單原子分子氣體（He、Ne、Ar），或者需要和其他檢測器使用。紅外光譜技術(shù)第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外光譜研究方法

研究紅外光譜的方法主要是吸收光譜法。使用的光譜有兩種類型。一種是單通道或多通道測量的棱鏡或光柵色散型光譜儀，另一種是利用雙光束干涉原理并進(jìn)行干涉圖的傅里葉變換數(shù)學(xué)處理的非色散型的傅里葉變換紅外光譜儀。

棱鏡式色散型（第一代）：對溫度、濕度敏感，對環(huán)境要求苛刻；光柵型色散式（第二代）：儀器分辨率、測量波段提高；干涉型—傅立葉變換紅外光譜儀（第三代）：測量光譜范圍寬、測量精度高，具有極高的分辨率以及極快的測量速度。紅外光譜技術(shù)第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月付利葉紅外變換光譜法的發(fā)展情況

1993年,芬蘭的VTT建筑研究院對煙氣濃度測試FTIR連續(xù)分析方法進(jìn)行了初步研究。

從1997年開始,歐洲10個科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出了用付利葉紅外光譜法分析煙氣的研究計(jì)劃,該計(jì)劃取名為SAFIR(SmokeGasAnalysisbyFourierTransformInfraredSpectroscopy)計(jì)劃。這個計(jì)劃的目的是建立一種可靠的FTIR氣體成分分析系統(tǒng)。

研究得到的結(jié)論是:FTIR光譜儀是一種可以對煙氣進(jìn)行多組分連續(xù)在線監(jiān)測的儀器。傅里葉紅外變換光譜儀第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

付利葉紅外光譜法(FTIR)作為一種新的在線分析方法能彌補(bǔ)其他煙氣成分分析方法的缺陷,是煙氣成分分析的一種新技術(shù)。

付利葉紅外變換光譜法的原理是:將光束穿過氣體樣品后,利用氣體分子吸收特定波長紅外線之特性，比對紅外線吸收圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜，即可判斷氣體之種類。而物種濃度則遵循比爾-朗伯定律，利用氣體分子吸收強(qiáng)度與濃度成正比的關(guān)系，計(jì)算光譜的吸收強(qiáng)度即可得知。傅里葉紅外變換光譜法第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月傅里葉紅外變換光譜儀第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月傅里葉紅外變換光譜儀第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月傅里葉紅外變換光譜儀第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

特定的氣體分子吸收了特定波長的光后會引起特定頻率的共振,不同的分子吸收不同波長下的能量后都會在光譜圖上留下特殊的峰形。不同分子對能量的吸收可能會在某些波長中產(chǎn)生重疊。但是一般來說每個分子都會有自己獨(dú)特的吸收峰。檢測每個波長的吸收情況就可以對成分進(jìn)行定性定量分析。

氣體的濃度是根據(jù)分子吸收能量的大小來判斷的。因?yàn)槲漳芰康拇笮∨c氣體的濃度呈函數(shù)關(guān)系,精確的定量分析就是根據(jù)已知濃度氣體成分的吸收能量標(biāo)準(zhǔn)曲線與未知濃度組分對照得出的。傅里葉紅外變換光譜儀第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

使用FTIR時必須先根據(jù)每種氣體不同的紅外光譜標(biāo)準(zhǔn)譜圖建立可靠的校正和預(yù)測方法。儀器使用的最大問題就是需要找到具有代表性的樣品標(biāo)準(zhǔn)譜。FTIR是煙氣成分分析中的一種有效方法，為了使FTIR的應(yīng)用更容易推廣,需要制定一個標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范FTIR分析方法。

國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ISO)開始制定煙氣成分分析的FITR方法標(biāo)準(zhǔn),這個標(biāo)準(zhǔn)的題目是:試驗(yàn)——累積煙氣測試中使用付利葉紅外變換光譜測試煙氣成分的方法(ISO/DIS21489)。這個方法推薦了FTIR煙氣成分分析的采樣系統(tǒng)、過濾器、檢測器溫度壓力、泵、氣體定量分析系統(tǒng)、校正方法等的參數(shù)及試驗(yàn)報告的寫法,為FTIR在氣體成分分析中的推廣提供了依據(jù)。傅里葉紅外變換光譜儀第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

付利葉紅外變換光譜被如此廣泛的使用于煙氣成分分析中是由于這種方法與其它煙氣成分分析經(jīng)典方法相比,有不可取代的優(yōu)點(diǎn)。

(1)付利葉紅外變換光譜法能在不破壞樣品組成的情況下同時分析多種組分，擴(kuò)充所能檢測的氣體成分的方法也較為簡單。經(jīng)典的方法如離子色譜法、離子選擇性電極法、分光光度法都需要將煙氣樣品用吸收液吸收后再進(jìn)行分析,樣品中的分子也被轉(zhuǎn)換為了離子狀態(tài)。

(2)付利葉紅外變換光譜法能對煙氣的成分進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。其它的經(jīng)典方法大多只能采取間歇取樣分析,無法對整個燃燒過程的毒性煙氣成分進(jìn)行實(shí)時分析。

(3)可進(jìn)行大范圍量測，量測光譜可儲存于電腦，以進(jìn)行重復(fù)分析。

FTIR與其他經(jīng)典方法相比具有靈敏、快捷、準(zhǔn)確、測定范圍廣、能實(shí)現(xiàn)多組分同時在線分析的優(yōu)點(diǎn)。傅里葉紅外變換光譜儀第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月NDIR（非分光紅外）氣體分析儀特定波長的獲得但是由于棱鏡分光必須采用機(jī)械轉(zhuǎn)動的方法，因此并不合用于便攜式儀器和現(xiàn)場類儀器，在這種情況下，濾光片分光就成了這類紅外氣體檢測儀器的首選。由于濾光片不能像棱鏡分光那樣仔細(xì)地將波長分成單波長，因此又稱為非色散紅外方法，就是NDIR（非分光紅外）。第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

NDIR氣體分析儀作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)，特別連續(xù)污染物監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）以及機(jī)動車尾氣檢測應(yīng)用中十分普遍。國內(nèi)NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用國際上八十年代初的紅外氣體分析方法，如采用鎳锘絲作為紅外光源、采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制，儀器功耗大，且穩(wěn)定性差，儀器造價也很高。同時采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對震動十分敏感，因此不適合便攜測量。

隨著紅外光源、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速的發(fā)展。主要表現(xiàn)在無機(jī)械調(diào)制裝置，采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月NDIR型氣體傳感器一般有兩種設(shè)計(jì)：

1、雙光源，NDIR濾光片覆蓋在光源上，使用高增益（高價位）的單通道紅外接收器。

雙光源的紅外傳感器的特點(diǎn)：外圍電路的信號容易提取，一般的電子元器件和設(shè)計(jì)都能實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，但其缺點(diǎn)是顯而易見的：①、雙光源對電的消耗大。②、光源與光源之間的距離大造成信號補(bǔ)償?shù)牟粶?zhǔn)確性。③、光源面積不規(guī)則，NDIR濾光片不能完全覆蓋。④、要求大尺寸的NDIR濾光片。

NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2、廣譜型單光源，雙通道，低增益型紅外接收器，NDIR雙濾光片集成在紅外接收器內(nèi)形成一個整體器件。

單光源紅外傳感器的特點(diǎn)：①、單光源耗電量低。②、雙通道的集成結(jié)構(gòu)使性能穩(wěn)定度非常高。③、紅外集成型接收器很容易實(shí)現(xiàn)溫度、濕度和光譜的補(bǔ)償匹配。④、使用小于1mm的NDIR濾光片和低增益型接收器，外圍電路設(shè)計(jì)要求較高NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月NDIR原理：應(yīng)用濾光片把紅外線分成需要的一個很小波段的光線，被檢測的氣體是對這個很小波段的光譜的吸收。這樣傳感器一般包括：一個紅外發(fā)射光源、光通路（吸收區(qū)）、濾光片分光片、接收轉(zhuǎn)換器。紅外線通過兩個氣室，一個是充以不斷流過的被測氣體的測量室，另一個是充以無吸收性質(zhì)的背景氣體的參比室。工作時，當(dāng)測量室內(nèi)被測氣體濃度變化時，吸收的紅外線光量發(fā)生相應(yīng)的變化，而基準(zhǔn)光束(參比室光束)的光量不發(fā)生變化。從二室出來的光量差通過檢測器，使檢測器產(chǎn)生壓力差，并變成電容檢測器的電信號。此信號經(jīng)信號調(diào)節(jié)電路放大處理后，送往顯示器以及總控的CRT顯示。該輸出信號的大小與被測組分濃度成比例。NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月雙光路測量原理NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月NDIR非色散單光源紅外傳感器示意圖：

1——廣譜型光源2——雙通道紅外接收器3——傳感器殼體4——外圍電路——對紅外接收器的微弱的光電信號放大、數(shù)字化，形成穩(wěn)定高精度的數(shù)字量，顯示在儀器上。

5——NDIR光學(xué)濾光器：使整個紅外傳感器能夠分別檢測到可選擇的特定氣體氣體的類型是有NDIR濾光片的性質(zhì)決定。氣體的濃度是由紅外接收器信號的大小決定。NDIR（非分光紅外）氣體分析儀第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外傳感器工作原理示意圖紅外氣體傳感器第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外氣體傳感器第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外氣體傳感器第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外氣體傳感器第41頁，課件共