ABB红外分析仪的培训教程

红外分析仪的原理
➢ 红外光的能量与分子震荡的能量相当。 ➢ 近红外区光谱：0.78-2.5um。 ➢ 中红外区光谱：2.5-40um。 ➢ 远红外区光谱：40-1000um。 ➢ 在分子中，根据量子力学理论，分子中存在电子
能级和分子内原子间的震动和整个分子转动能级。 当电子能级和震动-转动能级发生跃迁时，就会产 生分子吸收光谱或分子发射光谱，表现为带状光 谱。如果分子的能级由基态跃迁至激发态，产生 吸收光谱：反之产生发射光谱。
标定池
标定池
标定池
➢ 标定池的测试：目测，在正常测量和零点 校验单元的滑块位于低位置。量程校准时 把它移到高位置。
检测器
➢ 位置：位于气室的末端。根据应用，可以安装1-4 个检测器，每一光路最多可以安装两个检测器。
➢ 结构：薄膜电容检测器：又称薄膜微音器，由金 属薄膜动极和定极组成电容器，当接收气室的压 力受红外辐射能的影响而变化时，推动动片相对 于定片移动，把被测组分的变化转化为电容量的 变化。ABB检测器有两个气室，内部填充被测气 体，气室是串联性的，它有两大优点：零点稳定， 抗干扰能力强。预放大器和其在一起，测温元件 在预放大器中，用以温度补偿。当有多个检测器 时只有第一个检测器的测温元件被使用。有3个跨 接线，分别为X1,X3,X10.
➢ 功能：通过安装干扰滤波器，去掉干扰重叠部分 的光谱。根据应用，此滤波器只允许一定波长范 围的光通过。主要用于SO2,NO,N2O,CnHm.
光学滤波器
标定池
标定池
➢ 位置：是一个可选部件，安装于气室和检 测器之间，靠马达来驱动。
➢ 结构：其有四个气室，三个充氮气，一个 充测试气。
➢ 功能：其用于标定量程，标定时要通零点 气，如果一个光路有两个检测器，那么测 试气要混合填充。
Uras 14 Diagram
Sensor electronic board
A D
Sensor CPU - board
A
µP
D
Senso r
Temp. Fuse
Heater
E M
RS 232
Internal Bus
System controller
Dspeteecciftiocr dates EEPROM
➢ ，一侧为测量侧，参比侧充入氮气。窗口材料 （氟化钙）要求有良好的透射性能，不分光，不 反射。要有一定的机械强度。不易破裂，不怕潮 湿，能经受温度变化。对介质有良好的化学稳定 性。
气室
功能：1理想的光反射，2防腐蚀，3化学抛光 气室提供较高的信号稳定性，尤其是用于 烟气的测量，4反射特性在调柱平衡时给与 纠正。5对于特殊的应用有特殊的气室。如 流动参比气室，带虑波器的气室（滤波气 室充有干扰气体）。
温度调节电路板
➢ 加热电阻测试： ➢ 1，全部电阻，从Sensor cpu板上的X8 拔下4针
插头 ，测量棕线和白线之间的电阻，阻值应为 9.5+-0.5欧姆。 ➢ 2，测量两个在加热板上的电阻，从Sensor cpu板 上的X8 拔下4针插头 ，从盖子上拔下2针插头， 测量棕线和白线之间的电阻，阻值应为12.5欧姆。 ➢ 3，测量在盖子上的加热电阻，从盖子上拔下2针 插头，测量其阻值为50欧姆。
l = 3.4 µm
HCl
红外分析仪的原理
l = 4.7 µm
CO
红外分析仪的原理
将双原子红外活性分子看作是震动偶极子 当光子与样品中的分子相互作用时，会产生 两种结果。 1，光子的震动频率与分子的震动频率不匹配。 2，光子的频率与分子的震动频率相互匹配，
此时分子就吸收光子的能量，使偶极子的 振幅增大频率不变。
分子震动
➢ 分子是由原子组成的
氢和氧原子
水分子
分子震动
: 伸缩振动和弯曲振动
对称振动 H-O-H
不对称H-O-H
弯曲振动 H-O-H
分子振动
➢ 在通常情况下，分子大多处于基态震动， 分子吸收红外光从基态跃迁到第一激发态 所产生的吸收带称为基频吸收带。
➢ 由基态到第二，第三，第四…..激发态的跃 迁所产生的吸收带成为第一，第二，第 三……泛频吸收带。
电磁波频谱
波数 (cm-1)
电子激发
电子跃迁
分子跃迁
10
10
10
10
10
10
7
6
5
4
3
2
分子转动
10
1
光谱区域
X-射 线
14,285
紫外线
4,000
红外线
400
微波
100
近红外 弱
中红外 Absorbance
远红外 强
红外分析仪的原理
➢ 分子不同能级间的跃迁，产生不同的分子吸收或发射光谱。 震动能级跃迁所产生的电磁波谱处于中红外光谱区。
微流量检测器
➢ Siemens采用这一技术。
三明制的层状设计 1mm2 米面积内分布24根热丝 最小的交变流量 不使用膜式传感器 -
微流量检测器
➢R➢1R2 ➢气流
➢R1➢R2
➢1mm2 ➢R3➢R4
➢0,15 mm
微流量检测器
➢ 特点:
▪ 无可动部件 – 没有可磨损的东西 ▪ 没有麦克风效应 ▪ 将流量线性地转化为电信号
红外分析仪的分类
➢ 按光学系统分： ➢ 单光路：Multiwave ,Limas11. ➢ 双光路：ur。 ➢ 切光片。 ➢ 切光马达。 ➢ 气室。 ➢ 标定池。 ➢ 检测器。 ➢ 加热器。 ➢ 压力传感器。 ➢ Power module ➢ IR Module board. ➢ Sensor CPU ➢ Syscon board。
温度调节电路板
➢ 位置：位于红外主架上。
➢ 结构：本电路板有两个加热电阻，温度传感器 （NTC) 焊接到电缆上，一个电缆连接到位于护 罩上的附加加热器。热熔短丝被卡子封于主架里。
➢ 功能：温度调节电路板用于控制光学部件的温度， 尤其是气室，优点表现在以下方面：1 把温度的 影响减少到最小，2 小量程测量，3减少其他外部 原因产生的漂移。温度一般设定为55度，热熔短 丝为85度。
➢ 两个内圈用于透过参比光，两个外圈用于 透过测量光。
切光片
切光马达
切光马达
➢ 切光马达，频率7.3Hz.频率增高，灵敏度降 低，原因：在一个周期内，接收到的辐射 能减少，另外，气体的热量及压力传递跟 不上辐射能的变化。
气室
➢ 位置 ：位于带有调制单元的主架和检测器或校验 单元之间。
➢ 结构：铝管,分两种类型。1 化学抛光，2 镀金。 铝管中间有隔墙沿纵向把它一分为二。两端用红 外窗口密封。一侧为参比侧（充氮气，完全密 封）。
红外分析仪的原理
➢ 非分光技术 ➢ 其测量是基于在2.5－8UM中红外光谱区域特殊气
体的不同原子的分子健间的谐振吸收。 ➢ 被测量的各种气体依靠特定的吸收健来区分。每
一气体有自己的吸收光谱。即（指纹）。 ➢ 以下气体无自己的吸收光谱：单元子分子，如惰
性气体。对称气体，如H2,O2,N2。这种气体无法 用红外测量。 ➢ 郎伯比尔定律：
红外分析仪的原理
➢ 电子能级跃迁吸收光谱位于紫外和可见光 波段，（200-780）nm.1-20eV
➢ 分子内原子间的震动能级发生跃迁时吸收 光谱位于近红外和中红外波段（780nm25um）。0.05-1eV.红外吸收光谱也称为分 子震动光谱。
➢ 整个分子转动能级发生跃迁时，吸收光谱 位于远红外和微波波段（25-10000）um。 0.001-0.05eV
Software e.g.
1.3.2
E M
60° C
调制单元
调制单元
➢ 位置：附于主架上。
➢ 结构：1接受盘，2一个或两个光源，3切光片，4 切光片和切光马达的连接，5电路板（光源电源接 头，同步马达接头，光栅。），6 用以密封光源 和调制 单元的O型圈）。
➢ 功能：计算机控制同步马达驱动切光片，切光片 交替的覆盖测量和参比气室。光线在每一周内交 替的通过测量和参比气室各两次 ，红外检测器的 信号通过安装在马达驱动轴上的标杆切割光栅来 排列。通过把光调制，使测量信号更加稳定。
➢ 功能：在测量和参比两侧，分别填充干扰 气体。其吸收干扰范围的部分红外光。锐 减交叉灵敏度。
滤波气室
光学滤波器
➢ 位置：根据测量任务，光学滤波器出于如下位置。 1位于气室和红外检测器之间，2位于两个红外检 测器之间，3位于标定单元和红外检测器之间。
➢ 结构：滤光片紧锢在金属圈中。安装位置不同， 金属圈也不同。
。
气室
➢ 清理：拆下气室，对着阳光观察参比和测 量侧，比较两侧是否接近，如果污染较严 重，需要清洗，一般用，蒸馏水，酒精， 丙酮等。
➢ 症状：偏移量太高。漂移较大。灵敏度降 低。
气室
气室
气室
气室
气室
气室
滤波气室
➢ 位置：安装于气室和检测器之间或气室和 标定池之间。
➢ 结构：滤波气室是镀金管，参比和测量由 隔板分开，两侧由红外透光窗口分开。两 个定位销用于滤波气室的定位。
➢ 热丝原件有两种，一种是栅状镍丝电阻，建成镍格栅 (Siemens 120度)，它是把很细的镍斯编织成栅栏状，这 种热丝垂直装配于气路中，为流量从格栅中间通过。另一 种是铂丝电阻，在云母片上用超微技术，光刻上很细的铂 丝制成，这种铂丝电阻平行装配于气路通道中，为流量从 其表面通过。
➢ 特点：耐震性能好。
红外分析仪的原理
➢ A吸收的光能。 ➢ I0进入测量池的光能。 ➢ I1离开测量池的光能。 ➢ ε(λ)样品组分的消光系数。 ➢ Ρ样品组分的浓度。 ➢ L样品池的长度。
红外分析仪的分类
➢ 按红外光谱的特性分类： ➢ 1， 分光型红外分析（色散型）。优点：选择性
好，灵敏度较高。缺点：分光后，光束能量小 （limas11,multiwave)。 ➢ 2， 非分光型红外分析仪（非色散型）。灵敏度 更高，信/噪比高，稳定性好。缺点：吸收峰有重 叠。(Uras14,Uras26). ➢ 按检测器分类： ➢ 1，薄膜电容检测器。 ➢ 2，微流量检测器。 ➢ 3，半导体检测器。
➢ 当特定的波长的红外光与分子相遇时，如果光与分子不发 生相互作用，则光随即通过该物质，不产生吸收光谱：
N2
l = 2 - 25 µm
Symmetrical Homonuclear Molecule:
dm/dx = 0 No IR Absorption Transparent
红外分析仪的原理
➢ 如果光与分子以特定的方式发生相互作用， 则物质吸收该波长的光。产生吸收光谱。 这是我们称之为红外活性。
检测器
➢ 功能:光线进入检测器被所添充的气体吸收，通过 分子碰撞把热能迅速转变为压力。压力的变化转 变为电容的变化。通过高阻抗电路放大产生相应 的MV信号，150V直流供电，主要的吸收发生在 前室，在后室吸收两侧的光，这部分光与干扰组 分叠加产生交叉灵敏度，较长的后室厚度吸收大 部分的干扰光，其产生的压力正好与前室的相反， 能够抵消一定数量的交叉灵敏度。
调制单元
调制单元
调制单元
光圈
➢ 位置：光圈和其调节螺钉位于气室和调制 单元之间的主架上。
➢ 结构：主架上通常安装有两个光圈。调节 螺钉驱动其水平方向移动。
➢ 功能：光圈起遮光器的作用。用以调节光 路平衡。
光圈
光源
➢ 红外光源： ➢ 按类型分类，单光源（ABB和SIEMENS)和
双光源. ➢ 按发光体分类，陶瓷光源（ABB)，合金丝
➢ 如果从基态同时跃迁到多个第一激发态， 所产生的吸收带称为组频吸收带。
几种气体分子的特征吸收波长
➢ 分子式 ➢ CO ➢ CO2 ➢ CH4 ➢ C2H4 ➢ NH3 ➢ NO ➢ SO2 ➢ H2O
吸收峰波长UM 2.37 4.65 2.7 4.26 14.5 3.3 7.65 3.45 5.3 7 10.5 10.4 5.2 7.3 2.0 2.8
➢ 特点：温度变化影响小，选择性好，灵敏度高。
➢ 缺点：薄膜易受机械震动的影响，调制频率不能 提高。
检测器
➢ ABB检测器是薄膜电容检测器。
检测器
➢ 检测器的测试：电容器电压—+150V，针2 对针1。预放大器电压+-15V，针6对针7， 针10对针7。
检测器
微流量检测器
➢ 其测量微小气流，其传感元件是两个微型热丝电阻，和另 外两个组成会斯通电桥，热丝电阻通电加热到一定温度。 当有气体流过时，带走部分热量，使热丝元件冷却，电阻 变化，通过电桥转变为电信号。
光源。激光光源（成本高，寿命短）。 ➢ ABB光源是陶瓷光源，抛物面反射体，寿
命长，密封隔爆。 ➢ 为增长寿命，内部填充特殊气体。
光源
➢ 测试：电压，
➢ 电阻，13欧姆。
光源
光源
切光片
➢ 切光片，把光源的光变成断续的光，对红 外光进行调制，使检测器信号成为交流信 号，便于放大器放大，可以改善检测器的 响应时间特性。