红外气体分析测试技术

红外气体分析测试技术第1页，共42页，2023年，2月20日，星期二随着经济发展，交通、工业产生的大量烟气进入大气中，使大气污染日益严重。烟气分析测试技术空气污染越来越受到重视，对有害气体的分析测量对大气污染治理尤其重要。第2页，共42页，2023年，2月20日，星期二烟气分析测试技术目前比较成熟的5种气体成分分析仪所采用的测试方法。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期二紫外法与红外法类似,也是使用选择性检测器测定样品气中特定成分引起的紫外线吸收量的变化来确定气体的浓度紫外法测量精确度不高，同等性能、功能情况下仪器价格比红外线高。烟气分析测试技术第4页，共42页，2023年，2月20日，星期二化学发光法测量NO是一种特殊的方法。它通过测量NO与臭氧(O3)反应产生的光的强度来确定NO浓度。红外法同样是测量NO的一种分析方法,如果不考虑测量标准,两种方法都可以采用。化学发光法不足之处是其发光在瞬间完成，发光强度峰值衰减时间短，光背景高，造成检测结果稳定性和重现性差，另外，需要发光时间，目前可以被利用的发光试剂不多，因此该法的推广应用受到一定程度的限制。烟气分析测试技术第5页，共42页，2023年，2月20日，星期二由于被分析气体的千差万别和分析原理的多种多样，气体分析仪的种类繁多。常用的有：

1.热导式气体分析仪

2.电化学式气体分析仪

3.红外线吸收式分析仪等烟气分析测试技术第6页，共42页，2023年，2月20日，星期二热导式气体分析仪

一种物理类的气体分析仪表。它根据不同气体具有不同热传导能力的原理，通过测定混合气体导热系数来推算其中某些组分的含量。这种分析仪表简单可靠,适用的气体种类较多,是一种基本的分析仪表。但直接测量气体的导热系数比较困难，所以实际上常把气体导热系数的变化转换为电阻的变化，再用电桥来测定。JRD-1010型热导式氢分析器烟气分析测试技术第7页，共42页，2023年，2月20日，星期二

优点：热导式分析仪器是一种结构简单、性能稳定、价廉、技术上较为成熟。适用的气体种类较多，是一种基本的分析仪表

缺点：热导式分析仪器对气体的压力波动、流量波动十分敏感，介质中水汽、颗粒等杂质对测量影响较大，所以必须安装复杂的采样预处理系统。烟气分析测试技术第8页，共42页，2023年，2月20日，星期二电化学式气体分析仪

一种化学类的气体分析仪表。它根据化学反应所引起的离子量的变化或电流变化来测量气体成分。

优点：体积小、检测速度快、准确、便携、可现场直接检测和连续检测。

缺点：电化学式气体分析仪中使用成本较大，在实际使用中还会普遍存在取样流量、气体交叉干扰（电化学传感器通过设置不同的电极电位，使得传感器对应某一特定气体敏感，从而达到测定的目的，但对于电极电位相似的气体，会产生交叉干扰）以及预前处理等方面的问题。烟气分析测试技术第9页，共42页，2023年，2月20日，星期二YX-301B型电化学气体分析仪选择电化学原理的气体分析仪,应该注意:(1)无论哪一种型号的分析仪,都不能直接测量CO2,CO2是通过计算获得,而计算的基础是对燃料种类的选择。对于煤来讲,特性是千差万别的,但是,分析仪中一般只存储一到两类煤的特性系数,因此,计算结果会有一定偏差,有些情况下,偏差会很大。(2)分析仪中的测量元件是消耗性部件,使用一段时间以后,这些测量元件就需要更换。因此,在选择分析仪时应高度注意供货商的售后服务能力。(3)千万要注意,这类分析仪不适宜用作长时间的连续测量。烟气分析测试技术第10页，共42页，2023年，2月20日，星期二红外线分析仪红外线吸收式分析根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围宽，且灵敏度较高，反应迅速,能在线连续指示,也可组成调节系统。烟气分析测试技术YX-3052型红外气体分析仪第11页，共42页，2023年，2月20日，星期二烟气分析测试技术烟气预处理

在进行烟气成分分析时,无论对哪一种分析仪来讲,对烟气进行必要的处理是至关重要的。

烟气预处理是指除去烟气中的粉尘、烟臭和水分等,使烟气达到“清洁”和干燥的要求。

实践中,这一重要的步骤往往被轻视,甚至被忽略,因此在分析中出现许多问题,如:仪器使用寿命短、测量精度下降、测量稳定性差等等,这些问题都与没有使用合适的预处理设备有关。

烟气的除湿干燥相对比较复杂一些,必须装备特殊的冷凝装置。烟气中的水分对气体分析的准确性有较大影响,主要表现在水蒸汽的交叉干扰(cross-sensitivity)以及容积误差。对于红外型分析仪来讲这种干扰更应该引起重视。第12页，共42页，2023年，2月20日，星期二红外光谱技术

检测烟气的方法主要有化学法、电化学法、气相色谱法等，这些方法普遍存在着价格贵、普适性差等问题，且测量精度还较低。经典的烟气成分分析方法都有一定的局限性。用红外吸收法测定烟气中成分浓度的方法就弥补了这些缺点，红外吸收法测定气体浓度具有测量范围宽、灵敏度高、准确性高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。

红外技术是光电结合的一种新技术,它和激光、微光组成了“电光学”这门现代的、迅速发展的新型学科。红外线和无线电波、微波、可见光中的紫外线、X射线、Y射线及宇宙射线这些表面上极不相同的东西,本质上却是完全相同的,即它们都是电磁辐射,只不过其波长各不相同而已。第13页，共42页，2023年，2月20日，星期二在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。电磁波波谱图红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76～750μm之间。而红外区通常又可分为近红外(0.76～1.5μm)、中红外(1.5～l5μm)和远红外(15μm以上)。红外光谱技术第14页，共42页，2023年，2月20日，星期二红外光谱技术工作原理

红外光谱法的工作原理是由于分子振动能级不同，化学键具有不同的频率。共振频率或者振动频率取决于分子等势面的形状、原子质量、和最终的相关振动耦合。

简单的双原子分子只有一种键，那就是伸缩。更复杂的分子可能会有许多键，并且振动可能会共轭出现，导致某种特征频率的红外吸收可以和化学组联系起来

红外光谱又称分子振动转动光谱。当样品收到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光或反射光强度减弱。记录红外光的百分透射或反射比与波数或波长关系的曲线，就得到红外光谱，红外光谱法不仅能够进行定性和定量分析，并且从分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子结构第15页，共42页，2023年，2月20日，星期二

红外吸收法是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的机理进行检测的。由于各种物质的分子本身都固有一个特定的振动和转动频率，只有在红外光谱的频率与分子本身的特定频率相一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。所以各种气体并不是对红外光谱范围内所有波长的辐射能都具有吸收能力，而是有选择性的，即不同的分子混合物只能吸收某一波长范围或某几个波长范围的红外辐射能。红外光谱技术第16页，共42页，2023年，2月20日，星期二红外光谱技术第17页，共42页，2023年，2月20日，星期二气体的特征吸收频率是由气体分子种类决定的。红外线气体分析仪是根据比尔定律制成的。假定被测气体为一个无限薄的平面，当红外辐射通过被测气体时，其分子吸收光能量，吸收能量的多少与气体的浓度有关，其吸收关系遵循朗伯一贝尔(Lamber—Beer)定律：

I=I0exp[-KLC]（1）

其中：，I0为光源发出的初始光强，为I经过L距离传输后的光强，K为气体的吸系数，C为气体的浓度。由式(1)可得：

C=

（2）红外光谱技术第18页，共42页，2023年，2月20日，星期二

如果样品的红外活跃键少、纯度高，得到的光谱会相当清晰，效果好。更加复杂的分子结构会导致更多的键吸收，从而得到复杂的光谱。但是，这项技术还是用在了非常复杂的混合物的定性研究当中。红外光谱技术第19页，共42页，2023年，2月20日，星期二红外光谱测量的优点和缺点：优点：（1）测量范围宽：可分析气体上限达100%，下限达几个ppm（百万分之一）的浓度。进行精细化处理后，还可以进行痕量(ppb)分析（物质中含量在百万分之一以下组合的分析方法）；

（2）灵敏度高：具有很高的监测灵敏度，气体浓度有微小变化都能分辨出来；

（3）测量精度高：与其他分析手段相比，它的精度较高且稳定性好，反应速度快，响应时间一般在10s以内。缺点：不能分析对称结构无极性双原子分子（如N2、O2、H2）及单原子分子气体（He、Ne、Ar），或者需要和其他检测器使用。红外光谱技术第20页，共42页，2023年，2月20日，星期二红外光谱研究方法

研究红外光谱的方法主要是吸收光谱法。使用的光谱有两种类型。一种是单通道或多通道测量的棱镜或光栅色散型光谱仪，另一种是利用双光束干涉原理并进行干涉图的傅里叶变换数学处理的非色散型的傅里叶变换红外光谱仪。

棱镜式色散型（第一代）：对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻；光栅型色散式（第二代）：仪器分辨率、测量波段提高；干涉型—傅立叶变换红外光谱仪（第三代）：测量光谱范围宽、测量精度高，具有极高的分辨率以及极快的测量速度。红外光谱技术第21页，共42页，2023年，2月20日，星期二付利叶红外变换光谱法的发展情况

1993年,芬兰的VTT建筑研究院对烟气浓度测试FTIR连续分析方法进行了初步研究。

从1997年开始,欧洲10个科研机构联合提出了用付利叶红外光谱法分析烟气的研究计划,该计划取名为SAFIR(SmokeGasAnalysisbyFourierTransformInfraredSpectroscopy)计划。这个计划的目的是建立一种可靠的FTIR气体成分分析系统。

研究得到的结论是:FTIR光谱仪是一种可以对烟气进行多组分连续在线监测的仪器。傅里叶红外变换光谱仪第22页，共42页，2023年，2月20日，星期二

付利叶红外光谱法(FTIR)作为一种新的在线分析方法能弥补其他烟气成分分析方法的缺陷,是烟气成分分析的一种新技术。

付利叶红外变换光谱法的原理是:将光束穿过气体样品后,利用气体分子吸收特定波长红外线之特性，比对红外线吸收图谱与标准图谱，即可判断气体之种类。而物种浓度则遵循比尔-朗伯定律，利用气体分子吸收强度与浓度成正比的关系，计算光谱的吸收强度即可得知。傅里叶红外变换光谱法第23页，共42页，2023年，2月20日，星期二傅里叶红外变换光谱仪第24页，共42页，2023年，2月20日，星期二傅里叶红外变换光谱仪第25页，共42页，2023年，2月20日，星期二傅里叶红外变换光谱仪第26页，共42页，2023年，2月20日，星期二

特定的气体分子吸收了特定波长的光后会引起特定频率的共振,不同的分子吸收不同波长下的能量后都会在光谱图上留下特殊的峰形。不同分子对能量的吸收可能会在某些波长中产生重叠。但是一般来说每个分子都会有自己独特的吸收峰。检测每个波长的吸收情况就可以对成分进行定性定量分析。

气体的浓度是根据分子吸收能量的大小来判断的。因为吸收能量的大小与气体的浓度呈函数关系,精确的定量分析就是根据已知浓度气体成分的吸收能量标准曲线与未知浓度组分对照得出的。傅里叶红外变换光谱仪第27页，共42页，2023年，2月20日，星期二

使用FTIR时必须先根据每种气体不同的红外光谱标准谱图建立可靠的校正和预测方法。仪器使用的最大问题就是需要找到具有代表性的样品标准谱。FTIR是烟气成分分析中的一种有效方法，为了使FTIR的应用更容易推广,需要制定一个标准来规范FTIR分析方法。

国际标准协会(ISO)开始制定烟气成分分析的FITR方法标准,这个标准的题目是:试验——累积烟气测试中使用付利叶红外变换光谱测试烟气成分的方法(ISO/DIS21489)。这个方法推荐了FTIR烟气成分分析的采样系统、过滤器、检测器温度压力、泵、气体定量分析系统、校正方法等的参数及试验报告的写法,为FTIR在气体成分分析中的推广提供了依据。傅里叶红外变换光谱仪第28页，共42页，2023年，2月20日，星期二

付利叶红外变换光谱被如此广泛的使用于烟气成分分析中是由于这种方法与其它烟气成分分析经典方法相比,有不可取代的优点。

(1)付利叶红外变换光谱法能在不破坏样品组成的情况下同时分析多种组分，扩充所能检测的气体成分的方法也较为简单。经典的方法如离子色谱法、离子选择性电极法、分光光度法都需要将烟气样品用吸收液吸收后再进行分析,样品中的分子也被转换为了离子状态。

(2)付利叶红外变换光谱法能对烟气的成分进行实时监测。其它的经典方法大多只能采取间歇取样分析,无法对整个燃烧过程的毒性烟气成分进行实时分析。

(3)可进行大范围量测，量测光谱可储存于电脑，以进行重复分析。

FTIR与其他经典方法相比具有灵敏、快捷、准确、测定范围广、能实现多组分同时在线分析的优点。傅里叶红外变换光谱仪第29页，共42页，2023年，2月20日，星期二NDIR（非分光红外）气体分析仪特定波长的获得但是由于棱镜分光必须采用机械转动的方法，因此并不合用于便携式仪器和现场类仪器，在这种情况下，滤光片分光就成了这类红外气体检测仪器的首选。由于滤光片不能像棱镜分光那样仔细地将波长分成单波长，因此又称为非色散红外方法，就是NDIR（非分光红外）。第30页，共42页，2023年，2月20日，星期二

NDIR气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术，特别连续污染物监测系统（CEMS）以及机动车尾气检测应用中十分普遍。国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用国际上八十年代初的红外气体分析方法，如采用镍锘丝作为红外光源、采用电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等。由于采用电机机械调制，仪器功耗大，且稳定性差，仪器造价也很高。同时采用薄膜电容微音器作为传感使得仪器对震动十分敏感，因此不适合便携测量。

随着红外光源、传感器及电子技术的发展，NDIR红外气体传感器在国外得到了迅速的发展。主要表现在无机械调制装置，采用新型红外传感器及电调制光源，在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统，使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。NDIR（非分光红外）气体分析仪第31页，共42页，2023年，2月20日，星期二NDIR型气体传感器一般有两种设计：

1、双光源，NDIR滤光片覆盖在光源上，使用高增益（高价位）的单通道红外接收器。

双光源的红外传感器的特点：外围电路的信号容易提取，一般的电子元器件和设计都能实现光电信号的转换，但其缺点是显而易见的：①、双光源对电的消耗大。②、光源与光源之间的距离大造成信号补偿的不准确性。③、光源面积不规则，NDIR滤光片不能完全覆盖。④、要求大尺寸的NDIR滤光片。

NDIR（非分光红外）气体分析仪第32页，共42页，2023年，2月20日，星期二2、广谱型单光源，双通道，低增益型红外接收器，NDIR双滤光片集成在红外接收器内形成一个整体器件。

单光源红外传感器的特点：①、单光源耗电量低。②、双通道的集成结构使性能稳定度非常高。③、红外集成型接收器很容易实现温度、湿度和光谱的补偿匹配。④、使用小于1mm的NDIR滤光片和低增益型接收器，外围电路设计要求较高NDIR（非分光红外）气体分析仪第33页，共42页，2023年，2月20日，星期二NDIR原理：应用滤光片把红外线分成需要的一个很小波段的光线，被检测的气体是对这个很小波段的光谱的吸收。这样传感器一般包括：一个红外发射光源、光通路（吸收区）、滤光片分光片、接收转换器。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，使检测器产生压力差，并变成电容检测器的电信号。此信号经信号调节电路放大处理后，送往显示器以及总控的CRT显示。该输出信号的大小与被测组分浓度成比例。NDIR（非分光红外