《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-30一氧化碳和二氧化碳濃度測量

一氧化碳和二氧化碳濃度測量一氧化碳（化學(xué)分子式CO）是一種無色、無味、無嗅、無刺激性的有害氣體。幾乎不溶于水。大氣中一氧化碳主要來源于煉焦、煉鋼、煉油、汽車尾氣及家庭用燃料等的不完全燃燒產(chǎn)物。室內(nèi)空氣中一氧化碳主要來源于家庭烹飪中燃料的燃燒、吸煙等人為活動(dòng)，還包括室外受污染空氣進(jìn)入室內(nèi)而產(chǎn)生的污染，尤其是居住在交通繁忙道路兩側(cè)的居民。二氧化碳（化學(xué)分子式CO2）也是一種無色、無味、無嗅、無刺激性的氣體，能溶于水，但溶解度有限。二氧化碳的來源廣泛，主要有含碳物質(zhì)充分燃燒、生物發(fā)酵和呼吸作用等，在室內(nèi)主要是燃料燃燒、烹飪、吸煙和人類的呼吸作用等。二氧化碳是評價(jià)建筑空氣環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測定空氣中所含的一氧化碳的方法有不分光紅外吸收法、電導(dǎo)法和氣相色譜法等。測定空氣中所含的二氧化碳的方法有不分光紅外吸收法、氣相色譜法和容量滴定法等。不分光紅外吸收法通過紅外線氣體分析器進(jìn)行測定，本章節(jié)主要對紅外線氣體分析器進(jìn)行介紹。1.測定原理物質(zhì)對光的吸收是物質(zhì)與輻射能相互作用的一種形式。射入物質(zhì)的光子能量與物質(zhì)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量差相等時(shí)才會(huì)被吸收。由于吸光物質(zhì)的分子（離子）只有有限數(shù)量的離子化的能級，物質(zhì)對光的吸收在波長上具有選擇性。能被某種物質(zhì)吸收的波長，稱為該物質(zhì)的特征吸收波長。紅外線氣體分析器利用被測氣體對紅外光的特征吸收來進(jìn)行定量分析。當(dāng)被測氣體通過受特征波長光照射的氣室時(shí)，被測組分（即一氧化碳或二氧化碳）吸收特征波長的光。吸收光能的多少，與樣品中被測組分濃度有關(guān)。透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度、對特征波長光輻射的吸收及吸光組分濃度之間的關(guān)系遵守比爾定律。 I=I0e-式中I——透射的特征波長紅外光強(qiáng)度，cdI0——入射的特征波長紅外光強(qiáng)度，cdk——被測組分對特征波長的吸收系數(shù)，L/（g·cm）；l——入射光透過被測樣品的光程，cm；c——樣品中被測組分的濃度，g/L。在紅外線氣體分析器中，紅外輻射光源的入射光強(qiáng)度不變，紅外線透過被測樣品的光程不變，且對于特定的被測組分，吸收系數(shù)也不變，因此透射的特征波長紅外光強(qiáng)度僅是被測組分的函數(shù)，故通過測定透射特征波長紅外光的強(qiáng)度即可確定被測組分的濃度。2.儀器的構(gòu)造紅外線氣體分析器由紅外光源、切光器、氣室、光檢測器及相應(yīng)的供電、放大、顯示和記錄用的電子線路和部件組成（REF_Ref30900\h圖1）。一氧化碳和二氧化碳紅外線分析器的光源是直徑約0.5mm的鎳鉻絲。鎳鉻絲被加熱到600～1000℃時(shí)，光源輻射出的紅外線波長范圍約為2～10μm。紅外線輻射光經(jīng)反射拋物狀面匯聚成平行光射出，射出的能量相等的兩束平行光，被同步電機(jī)帶動(dòng)的切光片切割成斷續(xù)的交變光，從而獲得交變信號，以減少信號漂移。兩路平行光中，一路通過濾波室、參比氣室（內(nèi)充不吸收紅外線的氣體，如氮?dú)猓?，射入接收室。另一束光稱為測量光束，通過濾波室射入測量氣室。由于測量氣室中有氣樣通過，則氣樣中的待測量吸收了部分特征波長的紅外光，使射入接收室的光束強(qiáng)度減弱，待測量含量越高，光強(qiáng)減弱越多。圖1紅外線氣體分析器的基本組成1，2—紅外光源；3—切光片；4，5—濾光鏡（氣室）；6—測量室；7—參比氣室；8—使兩光路平衡的遮光板；9—薄膜電容微音器；10—固定金屬片；11—金屬薄膜一氧化碳和二氧化碳紅外線分析器的光檢測器是薄膜電容微音器。它是利用待測組分的變化引起電容量變化來測量待測組分的濃度的。電容的金屬薄膜（動(dòng)片）將接收室的空腔分成容積相等的兩個(gè)接收室，接收室內(nèi)充滿等濃度的CO氣體。在鋁箔的一側(cè)還固定一圓形金屬片（定片），距薄膜0.05～0.08mm，二者組成一個(gè)電容器。紅外光束射入接收室后，被其中的CO吸收，使氣體溫度升高，從而導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，測量光束與參比光束平衡時(shí)，兩邊壓力相等，動(dòng)片薄膜維持在平衡位置。當(dāng)測量氣室中有待測組分時(shí)，通過參比氣室的紅外光輻射保持不變，而通過測量氣室進(jìn)入接收室的紅外光由于待測組分的吸收而減弱，使這一邊的溫度降低，壓力減小，金屬薄膜偏向固定金屬片一方，從而改變了電容器兩極間的距離，也就改變了電容量。這個(gè)電容量的變化就可指示氣樣中待測組分的濃度，見REF_Ref29453\h式（2）。采用電子技術(shù)，將電容量變化轉(zhuǎn)變成電流變化，經(jīng)放大及信號處理后，進(jìn)行記錄和顯示。 C=KεFD式中F——電容極板面積；D——薄膜動(dòng)極與固定電極間距離；K——比例系數(shù)；ε——?dú)怏w介電常數(shù)。3.儀器的使用方法環(huán)境空氣中非待測組分能影響測定結(jié)果。比如，進(jìn)行二氧化碳濃度測試時(shí)，由于在透過紅外線的窗口，安裝了紅外線濾光片，它的波長的4.26μm，二氧化碳對該波長有強(qiáng)烈的吸收；而一氧化碳和甲烷等氣體不吸收。因此，一氧化碳和甲烷的干擾可以忽略不計(jì)。但水蒸汽對測定二氧化碳有干擾，它可以使氣室反射率下降，從而使儀器靈敏度降低，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，必須使空氣樣品經(jīng)干燥后，再進(jìn)入儀器。公共場所等室內(nèi)環(huán)境測試中，一般將內(nèi)裝空氣樣品的塑料鋁箔復(fù)合薄膜采氣袋接在裝有變色硅膠或無水氯化鈣的過濾器上再與和紅外線分析器的進(jìn)氣口相連接。監(jiān)測大氣中一氧化碳或二氧化碳的紅外線分析器的使用應(yīng)與取樣技術(shù)結(jié)合起來。取樣系統(tǒng)一般包括雜質(zhì)過濾、干燥、壓力控制和流量控制等，對于高溫?zé)煔膺€需有冷卻裝置（REF_Ref7107\h圖2）。圖2正壓取樣系統(tǒng)1—?dú)怏w分析器；2—流量控制器；3—干燥器；4—化學(xué)過濾器；5—機(jī)械過濾器；6—閥；7—?dú)馑蛛x器；8—冷卻器；9—煙道氣入口；10—冷凝水出口紅外線分析器投入正常工作以后，每周至少要用標(biāo)準(zhǔn)氣樣校準(zhǔn)刻度1次，以保證儀器分析的準(zhǔn)確性。所用的標(biāo)準(zhǔn)氣樣可以是標(biāo)準(zhǔn)混合氣制造部門提供的