在线分析仪器及分析系统设计与应用技术1

1、在线气体分析仪器及分析系统在线气体分析仪器及分析系统设计与应用技术讲座设计与应用技术讲座第一部分（第一部分（1）第一讲在线分析仪器概述第一讲在线分析仪器概述/第二讲红外分析仪第二讲红外分析仪主讲人：朱卫东主讲人：朱卫东 2011年年热烈欢迎参加培训班热烈欢迎参加培训班的全体同仁的全体同仁n本期培训班技术讲座内容分两大部分：本期培训班技术讲座内容分两大部分：n第一部分内容为第一部分内容为在线气体分析仪器设计与应用技术在线气体分析仪器设计与应用技术n分为九讲，分别介绍：在线气体分析仪器概述、分为九讲，分别介绍：在线气体分析仪器概述、红外气体分析仪器、顺磁式氧分析器、热导式红外气体分析仪器、顺磁式氧

2、分析器、热导式气体分析器、电化学式气体分析器、在线气相气体分析器、电化学式气体分析器、在线气相色谱仪、半导体激光光谱分析仪、紫外色谱仪、半导体激光光谱分析仪、紫外-可见可见光谱分析仪、在线硫分析仪等在线分析仪器及光谱分析仪、在线硫分析仪等在线分析仪器及应用技术。应用技术。n第二部分内容为第二部分内容为在线分析系统设计及工程应用技术在线分析系统设计及工程应用技术n分为六讲，分别介绍：在线气体分析系统概论、分为六讲，分别介绍：在线气体分析系统概论、样气取样及处理系统、在线分析系统的设计集样气取样及处理系统、在线分析系统的设计集成与应用、成与应用、CEMS烟气参数监测分析技术、烟烟气参数监测分析技术

3、、烟气脱硫及脱硝等气脱硫及脱硝等CEMS的设计与应用、在线分的设计与应用、在线分析系统在石化等行业的应用。析系统在石化等行业的应用。第一部分第一部分 在线气体分析仪器在线气体分析仪器设计与应用技术设计与应用技术n第一讲第一讲 在线气体分析仪器概述在线气体分析仪器概述n第二讲第二讲 红外气体分析仪器红外气体分析仪器n第三讲第三讲 顺磁式氧分析器顺磁式氧分析器n第四讲第四讲 热导式气体分析器热导式气体分析器n第五讲第五讲 电化学式气体分析器电化学式气体分析器n第六讲第六讲 在线气相色谱仪在线气相色谱仪n第七讲第七讲 半导体激光光谱半导体激光光谱n第八讲第八讲 紫外紫外-可见光谱仪可见光谱仪n第九讲

4、第九讲 在线硫分析仪及应用在线硫分析仪及应用第一讲第一讲 在线气体分析仪器概述在线气体分析仪器概述n1.1在线气体分析仪器的定义及其分类在线气体分析仪器的定义及其分类n1.1.1在线分析仪器的定义在线分析仪器的定义 在线分析仪器又称过程分析仪器（在线分析仪器又称过程分析仪器（process analyzers），通常指直接安装在工业生产流），通常指直接安装在工业生产流程或其它源流体现场，对被测介质组成的成分程或其它源流体现场，对被测介质组成的成分参数或物性参数进行自动连续分析测量的一类参数或物性参数进行自动连续分析测量的一类仪器。仪器。n在流程工业的过程分析中，在线气体分析仪器在流程工业的过程

5、分析中，在线气体分析仪器大致分为两类。大致分为两类。n一类是直接安装在流程工艺管线的在线分析仪一类是直接安装在流程工艺管线的在线分析仪器（器（on-line），仪器传感器直接安装在工艺），仪器传感器直接安装在工艺管道或设备中，也称为原位式在线分析仪器；管道或设备中，也称为原位式在线分析仪器；n另一类是通过简单的取样预处理，将样气从工另一类是通过简单的取样预处理，将样气从工艺管线取出，送到安装在现场的过程分析仪器艺管线取出，送到安装在现场的过程分析仪器（in-line）检测，也称为取样式在线分析仪器。）检测，也称为取样式在线分析仪器。取样式在线分析仪器通常配置简单的取样预处取样式在线分析仪器通常

6、配置简单的取样预处理装置，被称为分析仪器的取样预处理部件。理装置，被称为分析仪器的取样预处理部件。1.1.2在线气体分析仪器的分类在线气体分析仪器的分类n 在线气体分析仪器的分类大多按照分析的原理进在线气体分析仪器的分类大多按照分析的原理进行分类。常用在线气体分析仪器按照原理主要有：行分类。常用在线气体分析仪器按照原理主要有：n1、光学式气体分析器、光学式气体分析器 主要分为：主要分为： 红外线气体分析仪红外线气体分析仪 紫外光谱气体分析仪紫外光谱气体分析仪 激光光谱气体分析仪激光光谱气体分析仪 傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪 化学发光气体分析器化学发光气体分析器 紫外荧光气体分析仪

7、等紫外荧光气体分析仪等n2、顺磁式氧分析器、顺磁式氧分析器 热磁对流式氧分析器热磁对流式氧分析器 磁力机械式氧分析器磁力机械式氧分析器 磁压式氧分析器磁压式氧分析器n3、热学式气体分析器、热学式气体分析器 热导式气体分析仪热导式气体分析仪 热化学气体分析仪热化学气体分析仪 催化燃烧式可燃气体分析器催化燃烧式可燃气体分析器 热值仪等热值仪等n4、电化学式气体分析器、电化学式气体分析器 固体电解质氧化锆氧分析仪固体电解质氧化锆氧分析仪 燃料电池式氧分析仪燃料电池式氧分析仪 电解池式氧分析器电解池式氧分析器 定电位电解式有毒气体检测器定电位电解式有毒气体检测器n5、在线气相色谱仪、在线气相色谱仪n按

8、照分析对象及用途分类有：按照分析对象及用途分类有： 通用工业气相色谱仪通用工业气相色谱仪 防爆工业气相色谱仪防爆工业气相色谱仪 专用在线色谱仪如：小型天然气在线色谱仪等。专用在线色谱仪如：小型天然气在线色谱仪等。n工业色谱仪常用检测器分类有：热导检测器工业色谱仪常用检测器分类有：热导检测器（TCD）、氢火焰检测器（）、氢火焰检测器（FID）、火焰光度）、火焰光度检测器（检测器（FPD）等；）等；n6、在线质谱仪、在线质谱仪 主要分为：主要分为： 四极质谱仪四极质谱仪 磁质谱仪磁质谱仪 飞行时间质谱仪等飞行时间质谱仪等n7、其它专用在线气体分析仪、其它专用在线气体分析仪 包括：在线硫化氢、总硫分

9、析仪、在线总碳包括：在线硫化氢、总硫分析仪、在线总碳氢分析仪等。氢分析仪等。1.2在线气体分析仪器性能及主要技术指标在线气体分析仪器性能及主要技术指标n 1.2.1关于在线分析仪器的性能特性关于在线分析仪器的性能特性 通常仪器性能是指仪器达到预定功能的能力，通常仪器性能是指仪器达到预定功能的能力，性能特性是指对仪器性能规定的某些参数的定量性能特性是指对仪器性能规定的某些参数的定量描述，也就是性能指标。由于仪器种类不同、应描述，也就是性能指标。由于仪器种类不同、应用范围不同，其性能特性表述和概念也不同。用范围不同，其性能特性表述和概念也不同。n 基本性能特性基本性能特性 是针对仪器分析测量适用性

10、、可靠性等功能特是针对仪器分析测量适用性、可靠性等功能特性。性。 在线分析测量适应性在线分析测量适应性,如：对仪器分析的测量对如：对仪器分析的测量对象、测量范围、分析量程，以及环境条件适应性象、测量范围、分析量程，以及环境条件适应性等。等。n在线分析仪器的可靠性是指仪器的主要性能随在线分析仪器的可靠性是指仪器的主要性能随时间保持不变的能力，只有满足在线分析的适时间保持不变的能力，只有满足在线分析的适用性以及仪器自身的性能稳定可靠，才能确保用性以及仪器自身的性能稳定可靠，才能确保在线分析测量的可靠性。在线分析测量的可靠性。n对在线分析仪器的长期稳定运行能力的要求，对在线分析仪器的长期稳定运行能力

11、的要求，通常用可靠性指针的平均无故障工作时间通常用可靠性指针的平均无故障工作时间（MTBF）表示）表示.n 主要技术指标主要技术指标n是对分析仪器本身的性能技术指标的定量要求。是对分析仪器本身的性能技术指标的定量要求。n分析仪器的种类不同，其主要技术性能指标的分析仪器的种类不同，其主要技术性能指标的数值、量纲可能不同，但分析仪器的主要性能数值、量纲可能不同，但分析仪器的主要性能技术指标的基本定义相同，是评价分析仪器基技术指标的基本定义相同，是评价分析仪器基本性能的重要参数。本性能的重要参数。n例如：分析仪器的测量准确度、灵敏度、稳定例如：分析仪器的测量准确度、灵敏度、稳定性、重复性、线性范围、

12、响应时间等，这些性性、重复性、线性范围、响应时间等，这些性能指标与实验室仪器分析的要求基本相同。能指标与实验室仪器分析的要求基本相同。n n 在线分析仪器的检定与校准在线分析仪器的检定与校准n在线分析仪器的检定与校准都是传递量值或量在线分析仪器的检定与校准都是传递量值或量值溯源的方式。值溯源的方式。n检定是定期对仪器的计量性能较全面的评价；检定是定期对仪器的计量性能较全面的评价；n校准是日常进行的对仪器主要性能的检查，以校准是日常进行的对仪器主要性能的检查，以保证仪器的示值的准确。保证仪器的示值的准确。1.2.2在线分析仪器的主要技术指标在线分析仪器的主要技术指标n 准确度准确度n仪器的准确度

13、又称为精确度，是指仪器的指示仪器的准确度又称为精确度，是指仪器的指示值与被测量真值的一致程度。通常用测量误差值与被测量真值的一致程度。通常用测量误差表示。主要表示方法有：表示。主要表示方法有： 绝对误差绝对误差 绝对误差绝对误差=测量结果测量结果-约定真值约定真值 相对误差相对误差 相对误差相对误差=绝对误差绝对误差/约定真值约定真值 基本误差是指仪器在参比条件下使用的误差基本误差是指仪器在参比条件下使用的误差 影响误差影响误差 干扰误差干扰误差 n 测量不准确度测量不准确度n测量不准确度是表示仪器的指示值与被测量真测量不准确度是表示仪器的指示值与被测量真值接近的程度。测量的不准确度主要来自于

14、随值接近的程度。测量的不准确度主要来自于随机误差。仪器的测量误差由系统误差和随机误机误差。仪器的测量误差由系统误差和随机误差组成，系统误差可以通过误差分析及标定消差组成，系统误差可以通过误差分析及标定消除，而随机误差不可能完全消除，测量结果总除，而随机误差不可能完全消除，测量结果总是存在随机不确定度。是存在随机不确定度。n 灵敏度灵敏度n灵敏度是指被测物质含量或浓度改变一个单位灵敏度是指被测物质含量或浓度改变一个单位时分析信号的变化量，表示仪器对被测定量变时分析信号的变化量，表示仪器对被测定量变化的反应能力。化的反应能力。n 检测限检测限n检测限是指能产生一个确证在样品中存在被测检测限是指能产

15、生一个确证在样品中存在被测物质的分析信号所需要的该物质的最小含量或物质的分析信号所需要的该物质的最小含量或最小浓度，是表征和评价分析仪器检测能力的最小浓度，是表征和评价分析仪器检测能力的一个基本指标。新国标称为最小可检测变化。一个基本指标。新国标称为最小可检测变化。n 分辨力分辨力n分辨力是指仪器区别相邻近信号的能力。不同分辨力是指仪器区别相邻近信号的能力。不同分析仪器所指的相邻近信号有所不同，如光谱分析仪器所指的相邻近信号有所不同，如光谱仪是指最临近的波长，色谱仪是指最邻近的两仪是指最临近的波长，色谱仪是指最邻近的两个峰，质谱仪是指最邻近的两个质量数。个峰，质谱仪是指最邻近的两个质量数。n

16、选择性选择性n选择性是指对被测组分之外的其它组分呈低灵敏选择性是指对被测组分之外的其它组分呈低灵敏度或无灵敏度的能力。可用干扰系数描述，即对度或无灵敏度的能力。可用干扰系数描述，即对相同浓度的被测组分和干扰组分的回应比。相同浓度的被测组分和干扰组分的回应比。 n线性度、线性误差和线性范围线性度、线性误差和线性范围n线性度是指仪器的校准曲线与规定直线（一般为被线性度是指仪器的校准曲线与规定直线（一般为被测量的线性函数直线）之间的吻合程度。测量的线性函数直线）之间的吻合程度。n线性误差是指仪器的校准曲线与规定直线的最大偏线性误差是指仪器的校准曲线与规定直线的最大偏差。新国标定义为：仪器实际读数与通

17、过被测量的差。新国标定义为：仪器实际读数与通过被测量的线性函数求出的读数之间的最大差异。线性函数求出的读数之间的最大差异。n线性范围是指校准曲线所跨越的最大线性区间。用线性范围是指校准曲线所跨越的最大线性区间。用来表示对被测组分的含量或浓度的适用性。来表示对被测组分的含量或浓度的适用性。n 重复性重复性n重复性又称重复性误差是指用相同的方法、相同重复性又称重复性误差是指用相同的方法、相同的试样、在相同的条件下测得的一系列结果之之的试样、在相同的条件下测得的一系列结果之之间的差异。重复性误差用实验室标准偏差表示间的差异。重复性误差用实验室标准偏差表示 。n 稳定性稳定性n稳定性是指在规定的工作条

18、件下输入保持不变，稳定性是指在规定的工作条件下输入保持不变，在规定的时间内仪器示值保持不变的能力。可用在规定的时间内仪器示值保持不变的能力。可用噪声和漂移两个参数表示。噪声和漂移两个参数表示。 n响应时间响应时间n响应时间表征仪器测量速度的快慢，定义为从被测响应时间表征仪器测量速度的快慢，定义为从被测量发生阶跃性变化的瞬时起，到仪器的示值达到两量发生阶跃性变化的瞬时起，到仪器的示值达到两个稳态值之差的个稳态值之差的90%处所经过的时间，称为处所经过的时间，称为90%响应时间，用响应时间，用T90表示表示 。1.3 在线气体分析仪器的近期发展在线气体分析仪器的近期发展n在线分析仪器近期研究和发展

19、趋势主要体现在分析在线分析仪器近期研究和发展趋势主要体现在分析检测器，分析流路和仪器智能化三个方面。检测器，分析流路和仪器智能化三个方面。n1.3.1分析检测器研究分析检测器研究 n一是将已在实验室中采用的分析方法及其检测检测一是将已在实验室中采用的分析方法及其检测检测器经过创新和改进引用到过程检测中；器经过创新和改进引用到过程检测中；n二是研究直接用于过程分析的检测器。主要集中于二是研究直接用于过程分析的检测器。主要集中于微流分析检测器、在线拉曼光谱检测器、光声过程微流分析检测器、在线拉曼光谱检测器、光声过程检测器检测器 等。等。 1.3.2 分析流路技术的研究分析流路技术的研究n主要发展包

20、括多检测器组合技术、并行检测技术、主要发展包括多检测器组合技术、并行检测技术、微器件应用、系统重构和取样处理技术等方面。微器件应用、系统重构和取样处理技术等方面。n组合技术的应用组合技术的应用 这是多传感器信息融合技术在过这是多传感器信息融合技术在过程分析上的应用程分析上的应用 n并行检测技术对同一样品进行多同样传感器的分析，并行检测技术对同一样品进行多同样传感器的分析，由智能处理系统对多结果进行信息数据融合，甄别由智能处理系统对多结果进行信息数据融合，甄别和选择最可靠的分析结果。和选择最可靠的分析结果。 n微型化小型化过程分析仪及分析流路系统重构。微型化小型化过程分析仪及分析流路系统重构。

21、n取样处理技术及原位分析技术的应用发展取样处理技术及原位分析技术的应用发展1.3.3 在线分析仪器的智能化在线分析仪器的智能化n1） 过程分析仪器的计算机应用主要集中在嵌入式过程分析仪器的计算机应用主要集中在嵌入式系统、仪器的网络功能和智能化三个方面。系统、仪器的网络功能和智能化三个方面。n2）计算机系统采用嵌入式结构，主要采用微型计）计算机系统采用嵌入式结构，主要采用微型计算机和微型控制器算机和微型控制器 ，嵌入式系统的发展，软硬件，嵌入式系统的发展，软硬件分离正被软硬件融合所代替。分离正被软硬件融合所代替。 n3）灵活方便的网络通信功能。）灵活方便的网络通信功能。n4）过程分析仪器远程维护

22、网站的研究）过程分析仪器远程维护网站的研究 。n5）信息智能处理）信息智能处理 。n过程分析仪器的数字化，网络化，智能化是其发展过程分析仪器的数字化，网络化，智能化是其发展方向。方向。1.3.4 复杂分析仪器技术向在线分析发展复杂分析仪器技术向在线分析发展n常规气体分析仪器多用于常量及微量分析，对于常规气体分析仪器多用于常量及微量分析，对于痕量分析、超痕量分析以及复杂组分的在线分析痕量分析、超痕量分析以及复杂组分的在线分析需要采用复杂的分析仪器技术及联用技术。需要采用复杂的分析仪器技术及联用技术。 n目前很多原来用于实验室分析的复杂仪器及联用目前很多原来用于实验室分析的复杂仪器及联用技术，根据

23、在线分析的要求，已经开始应用于在技术，根据在线分析的要求，已经开始应用于在线分析。例如：光谱法、色谱法、质谱法及其联线分析。例如：光谱法、色谱法、质谱法及其联用技术的仪器。用技术的仪器。n光谱法中的原子发射光谱法（光谱法中的原子发射光谱法（AES）、原子吸收）、原子吸收光谱法（光谱法（AAS）、紫外）、紫外-可见光谱法、红外光谱法可见光谱法、红外光谱法等已经开始应用于在线分析等已经开始应用于在线分析 。 n实验室色谱法的多检测器应用，除实验室色谱法的多检测器应用，除TCD、FID、FPD等常用检测器外，电子捕获检测器（等常用检测器外，电子捕获检测器（ECD）、）、热离子检测器（热离子检测器（T

24、ID）、光离子化检测器（）、光离子化检测器（PID）以及超高灵敏度热导式检测器（以及超高灵敏度热导式检测器（HTCD）等气相）等气相色谱仪已经在石化等行业在线分析得到广泛应用。色谱仪已经在石化等行业在线分析得到广泛应用。n质谱法包括：四极质谱仪、磁质谱仪、飞行时间质谱法包括：四极质谱仪、磁质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换质谱仪等，质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换质谱仪等，以及联用技术如：三重串联四极杆质谱仪、四极以及联用技术如：三重串联四极杆质谱仪、四极杆杆-飞行时间质谱仪等已经开始进入在线分析。飞行时间质谱仪等已经开始进入在线分析。n其它技术如：核磁共振（其它技术如：核磁共振

25、（NMR）、）、X射线荧光光射线荧光光谱、电子能谱、拉曼（谱、电子能谱、拉曼（Raman）光谱法等复杂的）光谱法等复杂的分析技术，以及光谱与色谱、质谱之间的联用在分析技术，以及光谱与色谱、质谱之间的联用在实验室分析中已经很普遍，也已经开始走向在线实验室分析中已经很普遍，也已经开始走向在线分析。分析。 第二讲第二讲 红外线气体分析仪器红外线气体分析仪器n2.1红外线气体分析仪器的测量原理红外线气体分析仪器的测量原理n2.1.1电磁辐射波谱电磁辐射波谱n红外线是电磁波谱中的一段，介于可见光区和微波红外线是电磁波谱中的一段，介于可见光区和微波区之间，红外线的波长大于可见光线，其波长为区之间，红外线的

26、波长大于可见光线，其波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为外线，波长为0.751.50m 之间；中红外线，之间；中红外线，波长为波长为1.506.0m 之间；远红外线，波长为之间；远红外线，波长为6.0l000m 之间。之间。n红外辐射主要是热辐射，在红外线分析仪中，使用红外辐射主要是热辐射，在红外线分析仪中，使用的波长范围通常在的波长范围通常在116m 之内。之内。图2-1部分常见气体的红外吸收光谱图 常用红外气体特征吸收波长是：常用红外气体特征吸收波长是：CO-4.72m； CO2-4.25m；CH4-3.45m；SO2-7.3m；NO

27、-5.3m。2.1.2红外线分析仪测量原理红外线分析仪测量原理n 红外线分析仪是基于被测介质对红外光有选红外线分析仪是基于被测介质对红外光有选择性吸收而建立的一种分析方法，属于分子吸收择性吸收而建立的一种分析方法，属于分子吸收光谱分析法。根据朗伯光谱分析法。根据朗伯-比尔吸收定律比尔吸收定律n =0e-KCL n式中式中 0射入被测组分的光强度射入被测组分的光强度n 经被测组分吸收后的光强度经被测组分吸收后的光强度n k被测组分对光能的吸收系数被测组分对光能的吸收系数n c被测组分的摩尔百分比浓度被测组分的摩尔百分比浓度n L光线通过被测组分的长度（气室长度）光线通过被测组分的长度（气室长度）

28、 n当当kcl 很小时，上式可简化为线性吸收定律很小时，上式可简化为线性吸收定律n =0（1-kcl) （2-2）n当当cl 很小时，辐射能量的衰减与待测组分的浓度很小时，辐射能量的衰减与待测组分的浓度成线性关系。成线性关系。 n为了保证读数呈线性关系，当待测组分浓度大时，为了保证读数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析仪的测量气室较短；当浓度低时，测量气室较分析仪的测量气室较短；当浓度低时，测量气室较长。经吸收后的光能用检测器检测，转换为被测浓长。经吸收后的光能用检测器检测，转换为被测浓度的变化。度的变化。图中图中 1-光源；光源；2-切光片；切光片；3-同步电机；同步电机；4-测量气室；测

29、量气室；5-参比气室；参比气室；6-滤光气室；滤光气室；7-检测气室；检测气室；8-前置放大；前置放大；9-主放大器；主放大器；10-指示仪表指示仪表n n n 图图2-2 不分光型红外分析仪工作原理图不分光型红外分析仪工作原理图2.2 红外气体分析仪的分类和特点红外气体分析仪的分类和特点n 2.2.1红外线分析仪的分类及部分产品介绍红外线分析仪的分类及部分产品介绍n 红外线分析仪的分类红外线分析仪的分类n按是否把红外光变成单色光来划分，分为不分按是否把红外光变成单色光来划分，分为不分光型（非色散型）和分光型（色散型）两种。光型（非色散型）和分光型（色散型）两种。n不分光型（不分光型（NDIR

30、）：光源发出的连续光谱全部）：光源发出的连续光谱全部投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸收波投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸收波带的红外光。固定分光型（带的红外光。固定分光型（CDIR）：采用一套）：采用一套分光系统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组分光系统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组分的特征吸收光谱相吻合。分的特征吸收光谱相吻合。n按光学系统来划分，分为双光路和单光路两种按光学系统来划分，分为双光路和单光路两种。 n按使用的检测器类型来划分，分为气动检测器和按使用的检测器类型来划分，分为气动检测器和固体检测器。固体检测器。n气动检测器有薄膜电容、微流量检测器。气动检测气动检测器

31、有薄膜电容、微流量检测器。气动检测器一般和双光路系统配合使用。器一般和双光路系统配合使用。n固体检测器包括光电导检测器和热释电检测器，检固体检测器包括光电导检测器和热释电检测器，检测组件为固体器件，固体检测器直接对红外辐射能测组件为固体器件，固体检测器直接对红外辐射能量有响应，对红外辐射光谱无选择性，它对待测气量有响应，对红外辐射光谱无选择性，它对待测气体特征吸收光谱的选择性是借助于窄带干涉滤光片体特征吸收光谱的选择性是借助于窄带干涉滤光片实现的。实现的。n按检测组分的数量来划分，有单组分和多组分两按检测组分的数量来划分，有单组分和多组分两种。种。 n双光路红外分析仪的测量双光路红外分析仪的测

32、量n原理参见图原理参见图2-3n采用单光源和薄膜微音器采用单光源和薄膜微音器n测量与参比气室采用单管测量与参比气室采用单管n隔半结构，接收气室是串隔半结构，接收气室是串n联型。该仪器优点是零点联型。该仪器优点是零点n稳定，抗干扰能力强，稳定，抗干扰能力强，采用薄膜微音检测器的红外分析器介绍采用薄膜微音检测器的红外分析器介绍采用微流量检测器的红外分析器介绍采用微流量检测器的红外分析器介绍西门子西门子U23分析器部件结构示意图分析器部件结构示意图采用固定检测器的固定分光型红外分析采用固定检测器的固定分光型红外分析器（器（IFC技术及技术及GFC技术）技术）采用固定检测器的固定分光型红外分析采用固定

33、检测器的固定分光型红外分析器（电调制红外光源及热释电检测器技术）器（电调制红外光源及热释电检测器技术）2.2.2红外线分析仪的特点红外线分析仪的特点n（1）能测量多种气体）能测量多种气体 除了单原子的惰性气体除了单原子的惰性气体（He、Ne、Ar 等）和具有对称结构无极性的双等）和具有对称结构无极性的双原子分子原子分子(N2、H2、O2、Cl2 等等)外，外，CO、CO2、NO、NO2、SO2、NH3 等无机物，等无机物，CH4、C2H4 等烷烃、烯烃和其它烃类及有机物，都可等烷烃、烯烃和其它烃类及有机物，都可以用红外线分析仪来测量。以用红外线分析仪来测量。n（2）测量范围宽）测量范围宽 可分

34、析气体的上限达可分析气体的上限达100%，下限达几个下限达几个ppm 的浓度，当采取一定的措施后，的浓度，当采取一定的措施后，甚至可以进行痕量（甚至可以进行痕量（ppb 级级)的分析。的分析。n（3）灵敏度高。）灵敏度高。n（4）测量精度高，一般都在）测量精度高，一般都在2%FS，不少产品，不少产品能达到能达到2%FS。n（5）反应快，反应时间）反应快，反应时间T90 一般在一般在10s 以内。以内。n（6）红外线分析仪有良好的选择性，特别适合对）红外线分析仪有良好的选择性，特别适合对多组分混合气体中某一待测组分的测量，而且当混多组分混合气体中某一待测组分的测量，而且当混合气体中一种或几种组分

35、的浓度发生变化时，并不合气体中一种或几种组分的浓度发生变化时，并不影响对待测组分的测量。影响对待测组分的测量。2.3 红外气体分析仪的主要部件红外气体分析仪的主要部件n红外线分析仪由发送器和测量电路两大部分构成，红外线分析仪由发送器和测量电路两大部分构成，发送器是红外线分析仪的发送器是红外线分析仪的“心脏心脏”，它将被测组分，它将被测组分的浓度变化转化成某种电参数的变化，再通过相应的浓度变化转化成某种电参数的变化，再通过相应的测量电路转换成电压或电流输出。发送器由光学的测量电路转换成电压或电流输出。发送器由光学系统和检测器组成，光学系统的构成部件主要有：系统和检测器组成，光学系统的构成部件主要

36、有：红外辐射光源组件，包括红外辐射光源、反射体和红外辐射光源组件，包括红外辐射光源、反射体和切光（频率调制）装置；气室和滤光组件，包括测切光（频率调制）装置；气室和滤光组件，包括测量气室、参比气室、滤波气室和干涉滤光片。量气室、参比气室、滤波气室和干涉滤光片。2.3.1红外辐射光源红外辐射光源n按发光体种类分，光源有合金丝光源、陶瓷光源、按发光体种类分，光源有合金丝光源、陶瓷光源、半导体光源等。半导体光源等。n按光能输出形式分，有连续光源和断续光源。按光能输出形式分，有连续光源和断续光源。n按辐射光谱的特征来分，有广谱（宽谱）光源和干按辐射光谱的特征来分，有广谱（宽谱）光源和干涉光源。涉光源。

37、n从光路结构考虑，有单光源和双光源之分。从光路结构考虑，有单光源和双光源之分。2.3.2红外线分析仪对光源的要求：红外线分析仪对光源的要求：n辐射光谱成分要稳定；辐射光谱成分要稳定；n辐射能量大部分集中待测气体特征吸收波段；辐射能量大部分集中待测气体特征吸收波段；n辐射光最好能平行于气室中心入射；辐射光最好能平行于气室中心入射；n光源寿命长，热稳定性好，抗氧化性好，金属光源寿命长，热稳定性好，抗氧化性好，金属蒸发物要少；蒸发物要少；n光源灯丝在加热过程中不能释放有害气体。光源灯丝在加热过程中不能释放有害气体。n典型红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成的典型红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成的

38、螺旋丝，用低电压源加热温度升至螺旋丝，用低电压源加热温度升至600800之间发出暗红色光，发射出之间发出暗红色光，发射出0.77m 的连续波的连续波长的红外光。长的红外光。2.3.2反射体和切光（频率调制）装置反射体和切光（频率调制）装置n（1）反射体）反射体n反射体的作用主要是保证红外光以平行的形式发射，反射体的作用主要是保证红外光以平行的形式发射，减少因折射造成的能量损失。因此对反射体反射面减少因折射造成的能量损失。因此对反射体反射面要求很高，表面不易氧化且反射效率高。反射体一要求很高，表面不易氧化且反射效率高。反射体一般采用平面镜或抛物面镜。般采用平面镜或抛物面镜。n（2）切光（频率调制

39、）装置）切光（频率调制）装置n切光装置包括切光片和同步电机，切光片由同步电切光装置包括切光片和同步电机，切光片由同步电机（切光马达）带动，作用是把光源发出的红外光机（切光马达）带动，作用是把光源发出的红外光变成断续的光，即对红外光进行频率调制。调制的变成断续的光，即对红外光进行频率调制。调制的目的是使检测器产生的信号为交流信号，便于放大目的是使检测器产生的信号为交流信号，便于放大器放大，同时改善检测器的响应时间特性，理论和器放大，同时改善检测器的响应时间特性，理论和实践表明：切光频率一般应取在实践表明：切光频率一般应取在515HZ 范围内。范围内。常见的光源和切光片为下图所示：常见的光源和切光

40、片为下图所示：n 1-反光镜；反光镜；2-光源；光源；3-切光片；切光片；4-同步电机同步电机n 图图2-8 常见的光源和切光片常见的光源和切光片2.3.3气室和窗口材料（芯片）气室和窗口材料（芯片）n（1）测量气室和参比气室）测量气室和参比气室n测量气室和参比气室的结构基本相同，外形都测量气室和参比气室的结构基本相同，外形都是圆筒形，筒的两端用芯片密封。也有测是圆筒形，筒的两端用芯片密封。也有测n量气室和参比气室各占一半的量气室和参比气室各占一半的“单筒隔半单筒隔半”型型结构。测量气室连续地通过被测气体，参比气结构。测量气室连续地通过被测气体，参比气室完全密封并充有中性气体（多为室完全密封并

41、充有中性气体（多为N2）。）。n（2）窗口材料（芯片）窗口材料（芯片）n芯片通常装在气室两端，要求必须保证整个气室的芯片通常装在气室两端，要求必须保证整个气室的气密性，具有较高的透光率，同时也能起到部分滤气密性，具有较高的透光率，同时也能起到部分滤光的作用。因此，芯片应有高的机械强度，对特定光的作用。因此，芯片应有高的机械强度，对特定的波长段有较高的的波长段有较高的“透明度透明度”，还要耐腐蚀、潮湿、，还要耐腐蚀、潮湿、抗温度变化的影响等。抗温度变化的影响等。n窗口所使用芯片材料大多为氟化钙（窗口所使用芯片材料大多为氟化钙（CaF2)和和 熔融石英芯片。芯片上沾染灰尘、污物、起毛等都熔融石英芯

42、片。芯片上沾染灰尘、污物、起毛等都会使仪表的灵敏度下降，测量误差和零点漂移增大。会使仪表的灵敏度下降，测量误差和零点漂移增大。必须保持芯片的清洁，可用擦镜纸或绸布擦拭，注必须保持芯片的清洁，可用擦镜纸或绸布擦拭，注意不能用手指接触芯片表面。意不能用手指接触芯片表面。2.3.4滤光组件滤光组件n红外光是所谓的广谱辐射，比被测组分的吸收波段红外光是所谓的广谱辐射，比被测组分的吸收波段要宽得多，此外被测组分的吸收波段与样气中某些要宽得多，此外被测组分的吸收波段与样气中某些组分的吸收波段往往会发生交叉甚至重迭，从而对组分的吸收波段往往会发生交叉甚至重迭，从而对测量带来干扰。因此必须对红外光进行过滤处理

43、，测量带来干扰。因此必须对红外光进行过滤处理，即：滤光或滤波，常用的滤光组件有滤波气室和干即：滤光或滤波，常用的滤光组件有滤波气室和干涉滤光片两种。涉滤光片两种。n（1）滤波气室）滤波气室n滤波气室和参比气室的结构一样，但长度要短。滤滤波气室和参比气室的结构一样，但长度要短。滤波气室内部充有干扰组分气体，吸收其相应的红外波气室内部充有干扰组分气体，吸收其相应的红外能量以抵消（或减少）被测气体中干扰组分的影响。能量以抵消（或减少）被测气体中干扰组分的影响。例如例如CO 分析仪的滤波气室内填充适当浓度的分析仪的滤波气室内填充适当浓度的CO2 和和CH4，可以将光源中对应于这两种气体的红外波，可以将

44、光源中对应于这两种气体的红外波长吸收掉，使光源中不再含有这些波长的辐射，就长吸收掉，使光源中不再含有这些波长的辐射，就会消除测量气室中的会消除测量气室中的CO2和和CH4 干扰影响。干扰影响。n（2）干涉滤光片）干涉滤光片n滤光片是一种形式最简单的波长选择器，它是基滤光片是一种形式最简单的波长选择器，它是基于各种不同的光学现象（吸收、干涉、选择性反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，它仅使具有特征吸收波射、偏振等）而工作的，它仅使具有特征吸收波长的红外辐射通过。长的红外辐射通过。n特点是通带很窄，滤波效果很好，它可以只让被特点是通带很窄，滤波效果很好，它可以只让被测

45、组分特征吸收波带的光能通过，通带以外的光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滤除掉。厚度和体积小，不存在泄漏能几乎全部滤除掉。厚度和体积小，不存在泄漏问题。一般干扰组分多时采用干涉滤光片。缺点问题。一般干扰组分多时采用干涉滤光片。缺点是由于通带窄，透光率不高，到达检测器的光能是由于通带窄，透光率不高，到达检测器的光能小，灵敏度较低。小，灵敏度较低。2.3.5检测器检测器n红外线分析仪使用的检测器目前主要有四种：红外线分析仪使用的检测器目前主要有四种：n （1）薄膜电容检测器又叫作薄膜微音器，由金）薄膜电容检测器又叫作薄膜微音器，由金属薄膜动极和定极组成电容器，当接受气室内的属薄

46、膜动极和定极组成电容器，当接受气室内的气体压力受红外辐射能的影响而变化时，推动电气体压力受红外辐射能的影响而变化时，推动电容动片相对于定片移动，把被测组分的浓度变化容动片相对于定片移动，把被测组分的浓度变化转变成电容量的变化。转变成电容量的变化。n薄膜电容检测器是红外线分析仪长期使用的传统薄膜电容检测器是红外线分析仪长期使用的传统检测器，特点是温度变化影响小、选择性好、灵检测器，特点是温度变化影响小、选择性好、灵敏度高，但检测器必须要密封并按交流调制方式敏度高，但检测器必须要密封并按交流调制方式工作。缺点是金属薄膜易收机械振动影响。接收工作。缺点是金属薄膜易收机械振动影响。接收气室如果漏气，哪

47、怕是微漏也会导致检测器失效。气室如果漏气，哪怕是微漏也会导致检测器失效。 薄膜电容检测器结构示意图薄膜电容检测器结构示意图 n（2）微流量检测器）微流量检测器n微流量检测器是一种利用敏感组件的热敏特性测量微流量检测器是一种利用敏感组件的热敏特性测量微小气体流量变化的新型检测器。其微小气体流量变化的新型检测器。其n传感组件是两个微型热丝电阻和另外两个辅助电阻传感组件是两个微型热丝电阻和另外两个辅助电阻组成的惠斯通电桥。热丝电阻通电加热到一定温度，组成的惠斯通电桥。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组件冷却，当有气体流过时，带走部分热量使热丝组件冷却，电阻变化，通过电桥

48、转变成电压信号。微流量检测电阻变化，通过电桥转变成电压信号。微流量检测器工作原理参见下图器工作原理参见下图 微流量检测器工作原理示意图微流量检测器工作原理示意图 西门子微流量传感元件西门子微流量传感器工作原理西门子微流量传感器工作原理特点特点:无可动部件无可动部件 没没有可磨损的东西有可磨损的东西没有麦克风效应没有麦克风效应将流量线性地转将流量线性地转化为电信号化为电信号n0,15mmn1mm2nGasflownR1nR2nR2nR4nR1nR3n（3）光电导检测器）光电导检测器n光电导检测器是利用半导体光电效应的原理制成的，光电导检测器是利用半导体光电效应的原理制成的，当红外光照射到半导体组

49、件上时，它吸收光子能量当红外光照射到半导体组件上时，它吸收光子能量后使非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从后使非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从而降低了半导体的电阻，引起电导率的改变，又叫而降低了半导体的电阻，引起电导率的改变，又叫半导体检测器或光敏电阻。半导体检测器或光敏电阻。n（4）热电检测器）热电检测器n热电检测器是基于红外辐射产生热电效应的原理的热电检测器是基于红外辐射产生热电效应的原理的一类检测器。一类是把多支热电偶串联在一起形成一类检测器。一类是把多支热电偶串联在一起形成的热电堆检测器；另一类是热晶体管的热释电效应的热电堆检测器；另一类是热晶体管的热释电效应（晶体极化引起

50、表面电荷转移）为机理的热释电检（晶体极化引起表面电荷转移）为机理的热释电检测器。测器。2.4 红外气体分析仪测量误差分析及仪表调试红外气体分析仪测量误差分析及仪表调试n2.4.1背景气中干扰组分造成的测量误差背景气中干扰组分造成的测量误差n所谓干扰组分就是指与待测组分特征吸收波带有交所谓干扰组分就是指与待测组分特征吸收波带有交叉或重迭的其它组分。为了消除干扰组分的干扰，叉或重迭的其它组分。为了消除干扰组分的干扰，准确检测待测组分的浓度，可采取多种措施，如设准确检测待测组分的浓度，可采取多种措施，如设置滤波气室、或干涉滤光片，使这些干扰组分特征置滤波气室、或干涉滤光片，使这些干扰组分特征吸收波带

51、的光在进入测量气室或检测器之前就被吸吸收波带的光在进入测量气室或检测器之前就被吸收掉，只让待测组分特征吸收波带的光通过。收掉，只让待测组分特征吸收波带的光通过。n水分干扰：水分广泛存在于工艺气体中，生产状态水分干扰：水分广泛存在于工艺气体中，生产状态的变化，预处理运行的变化，环境温度、压力的变的变化，预处理运行的变化，环境温度、压力的变化，都会使进入分析仪中的气样的含水量发生变化。化，都会使进入分析仪中的气样的含水量发生变化。水分在水分在19m 波长范围内几乎有连续的吸收带，波长范围内几乎有连续的吸收带，其吸收带和许多组分特征吸收波带重迭在一起。当其吸收带和许多组分特征吸收波带重迭在一起。当两

52、者的吸收波带重迭时，难以消除水分干扰带来的两者的吸收波带重迭时，难以消除水分干扰带来的测量误差。测量误差。 n为解决不同组分之间的交叉干扰和重迭干扰，为解决不同组分之间的交叉干扰和重迭干扰， 采采用模块化多组分分析仪，模块化多组分分析仪可以用模块化多组分分析仪，模块化多组分分析仪可以同时测量多种气体组分，因此可以通过计算来消除同时测量多种气体组分，因此可以通过计算来消除不同组分之间的干扰测量。不同组分之间的干扰测量。 2.4.2样品处理过程可能造成的测量误差样品处理过程可能造成的测量误差n检测浓度指标一般是指不含水分的检测浓度指标一般是指不含水分的“干气干气”中的含中的含量，而经过预处理后的气

53、样中水分不可能完全除掉，量，而经过预处理后的气样中水分不可能完全除掉，仍将占有一定的比例。随着预处理运行状况的变化，仍将占有一定的比例。随着预处理运行状况的变化，环境温度、压力的变化，气样中水含量亦随之变化，环境温度、压力的变化，气样中水含量亦随之变化，一些极性较强的组分如一些极性较强的组分如CO2、SO2、NO 等，随着等，随着水温、气样压力及水气接触时间长短的不同而有不水温、气样压力及水气接触时间长短的不同而有不同的溶解度。同的溶解度。n对低湿样品进行处理应慎重，因为干燥剂往往同时对低湿样品进行处理应慎重，因为干燥剂往往同时吸附其它组分，吸附量又易收环境温度压力变化的吸附其它组分，吸附量又

54、易收环境温度压力变化的影响，弄不好反而会增大附加误差。影响，弄不好反而会增大附加误差。 2.4.3电源频率变化造成的误差电源频率变化造成的误差n不同型号的红外线分析仪切光频率是不一样的，不同型号的红外线分析仪切光频率是不一样的，它们都是通过同步电机经齿轮减速后带动切光片它们都是通过同步电机经齿轮减速后带动切光片转动。一旦电源频率发生变化，同步电机带动的转动。一旦电源频率发生变化，同步电机带动的切光片转动频率也发生变化，切光频率降低时，切光片转动频率也发生变化，切光频率降低时，红外辐射光传到检测器后有利于光能的吸收，有红外辐射光传到检测器后有利于光能的吸收，有利于提高仪表的灵敏度，但响应时间减慢

55、。切光利于提高仪表的灵敏度，但响应时间减慢。切光频率增高时，响应时间增快，但仪器的灵敏度下频率增高时，响应时间增快，但仪器的灵敏度下降。仪表运行时供电频率变化超过仪表规定的范降。仪表运行时供电频率变化超过仪表规定的范围，灵敏度将发生较大的变化，使仪表输出示值围，灵敏度将发生较大的变化，使仪表输出示值偏离正常示值。要求频率波动不超过偏离正常示值。要求频率波动不超过0.5HZ。2.4.4不正确接地造成的影响不正确接地造成的影响n 现在的仪表内部通常都不止一个电源，而且现在的仪表内部通常都不止一个电源，而且有些电源还是相互隔离的，其电源回线即地线根有些电源还是相互隔离的，其电源回线即地线根据工作性质不同区分为模拟地、数字地、信号地、据工作性质不同区分为模拟地、数字地、信号地、保护地等，多种电源及其地线交织在一起，处理保护地等，多种电源及其地线交织在一起，处理不好会引起仪表的测量误差，甚至无法测量。所不好会引起仪表的测量误差，甚至无法测量。所以仪表或系统的正确、良好接地很重要。以仪表或系统的正确、良好接地很重要。2.4.5环境温度和大气压力变化造成的影响环境温度和大气压力变化造成的影响n红外线分析仪检测过程需在恒定的温度下进行。环红外线分析仪检测过程需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