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红外光谱分析仪

2021-04-18449

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红外光谱分析仪

工作原理:

       各种多原子气体(CO、CO2、CH4等)对红外线都有一定吸收能力但不是整个波段都能吸收,而只是吸收一部分波段,这些波段称之为特征吸收波段。由于气体不同,吸收红外线的波长也不。红外气体分析仪就是基于某些气体地不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特性。当红外线通过混合气体时,气体中的被测组分吸收红外线的辐射能,这种变化与被测气体组分的浓度有关,从而能确定被测组分的浓度。

       由于非对称多原子分子气体(如CO2、NO等)对特定波长的红外光具有选择性吸收,非分光红外(NDIR)通过样气时,光的强度的降低与分子的数量成比例关系。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律,根据光强度的变化即可确定气体的浓度。A = lg(1/T) = K*L*c

式中:

A-------吸光度

T-------透射比(透光度),出射光强度(I)比入射光强度(I0)。

K-------摩尔吸光系数,它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。

c-------吸光物质的浓度即样气浓度,单位为mol/L

L-------吸收层厚度(气室长度),单位为cm.

工作检测结构

      红外线气体分析仪由两个独立的光源分别产生两束红外线 该射线束分别经过调制器,成为5Hz的射线。根据实际需要,射线可通过一滤光镜减少背景气体中其它吸收红外线的气体组分的干扰。

      红外线通过两个气室,一个是充以不断流过的被测气体的测量室,另一个是充以无吸收性质的背景气体的参比室。工作时,当测量室内被测气体浓度变化时,吸收的红外线光量发生相应的变化,而基准光束(参比室光束)的光量不发生变化。从二室出来的光量差通过检测器,该输出信号的大小与被测组分浓度成比例。

NDIR原理,Prinzip Nicht分散型红外光谱仪

     红外线气体分析仪检测过程需要在恒定的温度下进行。环境温度发生变化将直接影响红外光源的稳定,影响红外辐射的强度,影响测量气室连续流动的气样密度,还将直接影响检测器的正常工作。如果温度大大超过正常状态,检测器的输出阻抗下降,导致仪器不能正常工作,甚至损坏检测器。

    红外线气体分析仪可以用来分析各种多原子气体,如:C2H2、C2H4、C2H5OH、C3H6、C2H6、C3H8、NH3、CO2、CO、CH4、SO2等。不能用来分析同一种原子构成的多原子气体以及惰性气体,如:N2、Cl2、H2、O2以及He、Ne、Ar等。

影响因素

       气体分析仪中采用电化学原理的便携烟气分析仪在实际应用中反映的流速、干扰、水分冷凝等问题已经能够明显限制了其在监测和比对测试中的应用。采用红外原理的便携烟气分析仪克服了电化学仪器的主要缺点开始逐渐取代电化学仪器。为了解决红外测试在应用中的问题便携红外烟气分析仪还应该解决水分干扰、HC干扰以及高分辨率等问题以提高便携红外烟气分析仪的适用性保证测试结果的准确可靠。

水分对红外仪器的影响

       由于烟气排放中的水分,尤其是气态水是影响二氧化硫和氮氧化物测定的主要干扰物,直接影响了仪器的测量精度。这也是为什么部分红外气体分析仪在实验室条件下使用标准气检定时合格在现场测试却达不到要求的主要原因。虽然便携红外分析仪大多采用了加热取样、冷干脱水的预处理方法以防止水分冷凝和气态水分干扰。但事实上烟气中的水分无法完全去除而且由于排放工况的变化和冷凝效率的原因冷凝器的出口露点往往也存在波动。在高湿低浓度条件下水分的干扰甚至超过了仪器本身的测量误差干扰误差尤为明显。消除水分干扰误差的方法通常有两种:一是采用脱水装置二是设置水分传感器并进行软件补偿。采用脱水装置的方法有采用高效干燥剂如无水高氯酸镁或者采用NAFION膜式干燥管。其主要问题在于需要经常更换人为增加了运行维护成本。仪器生产厂家也有可能在检定时使用脱水装置 但是在运行时为减少运行费用不采用该装置造成实际运行中的性能改变导致仪器监测数据不确定度增加。采用水分传感器和软件补偿的方法一般只修正零点的水分干扰且低端的分辨率较低。对于同时含水和含SO2,NO的气体的修正精度很差。此外对于NO分析仪由于在相同的气室长度下NO的分辨率低于H2O的分辨率采用水分传感器修正的方法对NO测定会造成很大的系统误差。最新的测试技术是在在传统微流红外传感器的基础上增加了特殊调水机构。它是通过将不同温度下的饱和空气依次通入红外传感器通过调节调水机构使得含有非冷凝水的气体与零气的信号一致通过硬件调节及软件线性修正可最大限度消除H2O(气)对SO2、NO的干扰。进一步实验结果还表明通过该方法调节后的传感器可以满足各种水分含量条件下的水分干扰消除干扰的程度可控制在5ppm以内。满足类似高湿低浓度的测试条件便携红外烟气分析仪应最大限度降低水分(气)干扰的影响以提高实际测试精度。

碳氢化合物对红外仪器的影响

       除了水分干扰以外碳氢化合物如焦化厂排放的气态污染物中存在未燃尽的CH4、C2H6、C2H4等对于SO2的测量结果会存在很大干扰。针对可能对SO2测定产生的干扰在红外微流传感器的前端设置可专门吸收碳氢化合物波长的气体吸收过滤室最大限度消除大部分碳氢化合物对SO2测量结果的影响。在排放的碳氢化合物组成复杂的特殊条件下如果需要完全消除碳氢化合物对SO2的影响还可以考虑在烟气流路中增加物理化学过滤器以保证实际测试的精度。

测试分辨率对红外仪器的影响

       随着污染物治理的加强大量脱硫、脱硝装置得以应用污染物实际的排放浓度也越来越小。这对便携红外烟气分析仪的测试分辨率也提出了更高的要求。很多仪器为提高零点稳定性会采用不同的算法以保证减小零点的波动;还有如前所述为了补偿水分的干扰影响也会采用零点补偿方式。这样的直接结果就是在进行零点附近的低浓度测试时仪器没有反应。

测量气体及范围:

vCO:      0~200ppm up to 100%(Vol)

vCO2:    0~50ppm up to 100%(Vol)

vCnHm:  0~500ppm up to 100%(Vol)

vN2O:   0~500ppm up to 100%(Vol)




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