红外分析仪构成、原理

1红外分析仪构成1.1红外线气体分析仪红外线气体分析仪是基于红外检测原理，属于光学分析仪器中的一种。

它是利用不同气体对不同波长的红外线具有特殊的吸收能力来实现气体的组分检测的。

红外线式气体检测主要利用了气体对红外线的波长有选择的可吸收型和热效应两个特点。

红外线气体分析器是一种吸收式的、不分光型的气休分析器。

所谓吸收式即利用气体对电磁波的吸收特性。

不分光型也称为非色散型，即光源发射出连续光谱的射线，全部投射到被分析的气样上去。

利用气体的特征吸收波长及其积分特性进行定性和定量的分析，大部分的有机和无机气体在红外波段内都有其特征吸收峰。

有的气体还有两个或多个特证吸收峰。

具有对称结构的、无极性的双原子分子气体，如O2、H2等，以及单原子分子气体，例如Ar等，在红外线彼段内没有特征吸收峰。

因此红外线气体分析仪对这种双原子和单原子分子气体不能进行分析测量，每一台红外线气体分析器只能分析一种气体，例如一台CO2红外线气体分析器，它可以从一个多组分的混合气体中分析出CO2的体积百分比浓度，如果背景气体中的某一组分在红外线波段内有与CO2的特征吸收峰重迭的部分。

那么我们称这种背景气体为干扰组分，因此在气样进人红外线气体分析仪之前要把这种干拢组分去除掉。

水蒸汽在2.6-10µm这个很宽的波段范圈内有吸收的特性。

因此水蒸汽对红外线气体分析器来讲是一种重要的干扰组分，在分析之前都要对样气进行干燥处理，去除水分，这样才能保证测量的准确性。

红外线气体分析器的工作原理：用人工方法制造一个包括被测气体特征吸收峰波长在内的连续光谱的辐射源，让这个连续光谱通过固定厚度的含有被测气体的混合组分，在混合组分的气体层中，被测气体的浓度不同，吸收固定波长红外线的能量也不相同。

继而转换成的热量也不相同，在一个特制的红外检测器中再将热量转换成温度或压力，测量这个温度或压力就可以准确地测量出被分析气体的浓度，从朗伯特一比耳定律来看，I=I o e-kcl，就是要使红外线气体分析器辐射源的发射能量连续地通过一定厚度的被分析气样，也就是说使I o、K、L确定下来。

然后测量气体吸收后的能量I来确定气样浓度C的大小。

I。

－射人被测组分的光强度；I－经被测组分吸收后的光强度；K－被测组分对光能的吸收系数；C－被测组分的摩尔分数；L－光线通过被测组分的长度（气室长度）。

图1.1－1目前使用的红外分析仪结构型式很多，分类方法也较多，但主要有下面几种。

（1）从是否把红外光束变成单色光来划分，可分为分光型（色散型）和不分光型（非色散型）两种。

①分光型采用一套分光系统，使通过分析气室的辐射光谱与待侧组分的特征吸收光谱相吻合。

其优点是选择性好，灵敏度较高，缺点是分光后光束能量很小，分光系统任一元件的徽小位移，都会影响分光的波长。

因此，一直用于条件很好的实验室，长期未能用于在线分析。

近年来，随着采用窄带干涉滤光片取代棱镜和光姗系统，分光型红外分析仪开始在生产流程上得到应用。

②不分光型光源发出的连续光谱全部都投射到待测样品上，待测组分吸收其特征波长的各个波带（有一定波长宽度的辐射），就其吸收彼长来说具有积分性质。

例如，CO2在波长为2.6-2.9um 及4.1-4.5um 处都具有吸收峰。

由此可见不分光型仪器的灵敏度比分光型高得多，并且具有较高的信号/噪声比和良好的稳定性。

其主要缺点是待测样品各组分间有重叠的吸收峰时，会给测量带来干扰。

但是可以在结构上增加干扰滤波气室等办法，去掉干扰的影响。

目前在线分析大多采用不分光型红外分析仪。

（2）从光学系统来划分，可以分为双光路和单光路两种。

①双光路从两个相同的光像或者精确分配的一个光源。

发出两路彼此平行的红外光束，分别通过几何光路相同的分析气室、参比气室后进人检测器。

②单光路从光源发出的单束红外光，只通过一个几何光路。

但是对于检测器而言，还是接受两个不同波长的红外光束，只是在不同时间内到达检测器而已。

它是利用调制盘的旋转（在调制盘上装有能通过不同波长的干涉滤光片），将光源发出的光调制成不同波长的红外光束，轮流通过分析气室送往检侧器，实现时间上的双光路。

（3）从采用的检测器类型来划分，目前主要有薄膜电容检测器、半导体检侧器、微流量检侧器三种。

1.2红外线气体分析仪构成红外线气体分析仪一般由以下几部分组成：光源、气室、接收元件、切光板和窗口。

1.2.1光源光源的一般有以下三种。

（1）合金丝光源大多采用镍铬丝，在胎具上绕制成螺旋或锥形。

螺旋形绕法的优点是比较近似点光源，但正面发射能量小，锥形绕法正面发射能量大，但绕制工艺比较复杂。

目前使用的以螺旋形绕法居多。

镍铬丝的直径一般为0.4-0.7mm，加热功率取5-10W。

镍铬丝在730℃时，其辐射光谱的波长主要集中在3-10µm范围内，能满足绝大部分红外分析仪的要求。

（2）陶瓷光源是在两片陶瓷片之间夹有印刷在上面的黄金加热丝，黄金丝通电加热，陶瓷片受热后发射出红外光。

为使最大辐射能量集中在待测组分特征吸收波段范围内，在白色陶瓷片上涂上黑色涂料，不同涂料最大发射波长也不同。

这种光源的优点是寿命长，黄金物理性能特别稳定，不产生微量气体（镍铬丝能放出微量气休），且是密封式安全隔爆的。

（3）激光光源有多种，如气体激光器、激光二极管、半导体激光器、等离子激光器等。

由于结构复杂、成本高、寿命比普通红外光源短等原因，长期未能进人实用阶段。

它的独特优点是：发射单色光谱线窄、不需滤光片和滤波器室；发射的能量大；聚光性能好；可得到连续可调波长的激光；指向性好。

仪器的红外光源一般是加热电阻丝。

常用的电阻丝材料是直径为0.4-0.7mrn的镍铬丝。

加热功率的选择要根据对光源温度的要求而定。

光源温度在700-850℃范围时，其辐射能量最强的波长范围为3-10µm，这较为适合待分析测量气体的吸收波段。

通常是把光源放在抛物形反射罩内的焦点上得到平行光，从而增强光束的强度。

仪器有单光源和双光源两种类型。

入射光强的变化将影响分析仪器的精确度、稳定性等。

因此光源电压或电流需要稳压或稳流。

1.2.2气室气室包括工作气室、参比气室和滤波气室三种。

气室一般为圆筒形，两边用氟化钙或蓝宝石制成的光学玻璃密封起来，对气室的要求是密封、光洁、平直，室壁不吸附气体。

尤其是气室内璧的光洁度对仪表的灵敏度有很大的影响。

因为红外线有很大一部分要经过气室内壁的多次反射才能到达检测室，因此内壁的光洁度要求极高，一般要镀金。

参比气室充以不吸收红外线能量的气体，一般充入氮气（对称分子结构），气室封闭。

测量气室通以连续的待测量的混合气体，气室有入口和出口。

干扰滤光室注入干扰组分的气体，气室封闭。

干扰滤光室的光程长度能足以使其内的干扰组分吸收其特征波长范围内的能量，使得测量气室内的干扰组分不影响测量结果。

（1）测量气室的长度一般小于300mm，测量徽量组分的气室较长，在300-1000mm之间。

气室的内径一般取20-30mm，太粗会使测量滞后增大，太细则削弱了光强，降低了仪表的灵敏度。

气室要求内壁光洁度高，不吸收红外线，不吸附气体，化学性能特别稳定。

气室的材料采用黄铜镀金、玻璃镀金或铝合金（可在内壁套一层镀金的铜皮圆筒），内部表面都要求抛光。

金的化学性质极为稳定，气室内壁永远也不氧化，所以能保持很高的反射系数。

窗口材料应对所用红外波段有良好的透射性能、吸收和反射应很小，同时还应有一定的机械强度，不易破裂。

不怕潮湿，表面光洁度能长期保持，对接触的介质有良好的化学稳定性，能经受温度变化的影响。

（2）参比气室和滤波气室是密封不可拆的，测量气室由于可能受到污染，有的产品采用橡胶密封结构，以便用户拆开气室清除污物，但橡胶材料化学稳定性较差，难以保证长期密封，应注意维护和定期更换，密封圈用黑色耐油橡胶圈较好。

①滤波气室除干扰组分特征吸收中心波长能全吸收外，中心波长附近的波长能吸收一部分，其他波长全部通过，几乎不吸收。

或者说它的通带较宽，因此检测器接收到光能较大，灵敏度高。

其缺点是体积比干涉滤光片大，一般长50mm，特别是在微量分析中因测量气室较长（300-1000mm），加上它就更长了，使仪器体积较大。

在深度干扰时，即干扰组分浓度高或与待测组分特征吸收波长交叉较多时，可采用滤波气室。

如果两者特征吸收波长相距不是很近时，其滤波效果就不理想。

就是说，其选择性较差。

当干扰组分多时也不宜采用滤波气室。

②滤光片是一种光学滤波元件。

干涉滤光片是一种带通滤光片，根据光线通过薄膜时发生干涉现象而制成。

它是基于各种不同的光学现象（吸收、干涉、选择性反射、偏振等）而工作的。

采用滤光片可以改变测量气室的辐射通量和光谱成分，可消除或减少散射辐射和干扰组分吸收辐射能的影响，可以使具有特征吸收波长的红外辐射通过。

干涉滤光片可以得到较窄的通带，其透过波长可以通过镀层材料的折射率、厚度及层次等加以调整。

干涉滤光片是窄带滤光片，通带很窄，其通带△与特征吸收波长之比≤0.07，所以滤波效果很好。

它可以只让被测组分特征吸收波带的光能通过，通带以外的光能几乎全部除掉。

只要涂层不被破坏，工作就是可靠的，采用干涉滤光片取代滤波气室可使仪器结构简化，长度缩短。

一般在干扰组分多时采用干涉滤光片，微量分析也多采用它。

其缺点是透过率只有70-80％，由于通带窄，透过率不高，所以到达检测器的光能比采用滤波气室时小，灵敏度较低。

（3）接收气室。

串联型接收气室和并联型接收气室相比有两大优点：零点稳定；抗干扰组分影响的能力强。

结构如图1.2.2-1。

串联检测器的内腔中位于两个接收室的一侧装有薄膜电容检测器，并由通道分别把前室和后室与薄膜电容器的内腔连通。

通过参比气室和测量气室的两光路都交替地进入前室和后室。

在较短的前室6充有被测气体，这里的辐射吸收主要是发生在红外线光潜“谱带”的中心处，在较长的后室7也充有被测气体，由于后室采用光锥结构，它吸收“潜带”两侧的边缘辐射。

当测量气室通入不含待测组分的混合气（零点气）时。

它不吸收待测组分的特征波长，红外辐射被前、后接收气室待测组分吸收后，室内气体被加热，压力上升，检测器内电容器薄膜两边压力相等，接收气室的几何尺寸和接收气室充人气体的浓度都是按上述原则设计的，即测量气室通零点气时，检测器内气体被加热，前后两室压力相等。

（a ）并联型 （b ）串联型图1.2.2-1①零点稳定：光学系统在零点（通零点气）工作时，串联型接收气室薄膜动片两边（与前、后气室相通）的气体同时吸收红外线，其温度上升压力增大，由于方向相反，相互抵消，特殊情况下正好完全补偿。

由于这种串联型接收气室在零点工作时膜片上受到的压力没有变化，因此其状态十分稳定，不易受外界干扰的影响。

而并联型接收气室在零点工作时，或者因左、右气室内部工作压力的此起彼伏变化，或者因气体吸收状态的变化（例如光强变化等），两者都会影响零点不稳。