传感器与检测技术（第5版）课件 9.3 红外线气体分析仪

9.3红外线气体分析仪9.3.1测量原理9.3.2红外线气体分析仪结构9.3.3红外线分析仪的应用9.3.1测量原理

红外线一般指波长从0.76µm至1000µm范围内的电磁幅射。在红外线气体分析仪器中实际使用的红外线波长大约在1~50µm。红外线气体分析仪是利用不同气体对红外波长的电磁波能量具有特殊吸收特性的原理而进行气体成分和含量分析的仪器。吸收：红外线通过某些物质时，其中一些频率的光强度大为减弱甚至消失。吸收现象的实质光辐射的能量转移到物质的分子或原子中去。这样，某些频率的光能减少，而物质的分子或原子则由最低能级E0（基态）跃进到较高能级E1（激发态）。原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的能级。因此，物质仅能吸收与两个能级之差E1-E0相同或为其整数倍的能量，即各种原子或分子所具有的能级数目和能级间的能量差不同，所以它们对光辐射的吸收情况也各不相同，从而形成不同的特征吸收峰。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征吸收峰。部分气体的红外线特征吸收峰图朗伯特-比耳定律光的吸收定律单色平行光通过均匀介质时能量被介质吸收的规律光强度为I0

的单色平行光通过均匀介质后，剩余光强度的大小随着介质浓度c和光程l按指数规律衰减。吸收系数k的大小取决于介质的特性，不同介质有不同的k值，而一种介质的k值又会随着光的波长值而变化。因此，对于不同的介质或不同波长的光，吸收的光强也是不同的。

红外线气体分析仪的工作原理用人工的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辐射源，让这个光谱通过固定长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，测量这个温度和压力，就可以准确地测量被分析气体的浓度。9.3红外线气体分析仪9.3.1测量原理9.3.2红外线气体分析仪结构9.3.3红外线分析仪的应用9.3.2红外线气体分析仪结构

工业红外线气体分析仪主要用于测量混合气体中某种组分的浓度，它的种类很多。 从物理特性上可分：分光式及非分光式； 从测量方法上可分：直读式和补偿式； 从光学结构上可分：单光束及双光束。

非分光直读式双光束红外线分析仪优点： 灵敏度高、响应速度快、结构简单，并且可以测量微量和常量等，在生产中广泛应用。

双光束直读式红外线气体分析仪

1.双光束直读式红外线气体分析仪测量过程

2．双光束直读式红外线气体分析仪基本部件结构

（1）光源和调制器 （2）气室和滤光器 （3）检测器3.具有双层检测气室和光耦合器红外线气体分析仪测量原理1.气体分析仪测量过程

不分光红外线气体分析仪的结构2．分析仪基本部件结构（1）光源和调制器（2）气室（3）检测器（1）光源和调制器光源的任务：产生具有一定调制频率（2~12HZ）、两束能量相等且稳定的平行红外光束1-反光镜；2-光源；3-切光片；4-同步电机（2）气室气室包括分析气室、参比气室、接收器的测量接收室和参比接收室。分析气室通入了待测气体，其中，含有我们要测量的气体，也可能有我们不要测量的气体。这些气体对红外线有吸收作用，从而使原来能量相等的两束红外线产生了能量差。参比气室内封入的是不吸收红外线能量的氮气，红外线通过此气室后能量保持不变。接收器的参比接收室和测量接收室都由前室和后室组成，都充有吸收气体。所谓吸收气体就是我们要测量的气体。分析双光路在下面一条光路中，两个参比室是为了提供一个对比的标准，先是对红外线能量一点都不吸收，再是对想要测量的气体进行吸收。在上面一条光路中，分析气室通入待测气体，有些波长的光就被吸收了。在这些波长中，有我们要测量的气体的波长，也可能有我们不要测量的气体的波长；再经过后面一个接收气室，其中是我们要测量的气体。利用这种气体对光做进一步的吸收。这样与下面一条光路中的光被吸收的情况进行比较时，其结果就比较准确。（3）检测器1－窗口的光学玻璃，2－壳体，3－薄膜，其下部带有电容传感器的动片，4－电容传感器的定片5－绝缘体6－支架7和8－两个气室9－后盖10－密封垫圈检测器工作工程检测器两气室所充的气体就是需要测量的气体，一般用中性气体氮气（N2）或氩气（Ar）与被测气体制成一定浓度的混合气体充入检测室中。被测气体的浓度不要太高。 若浓度太高，红外线中某一波长的能量在检测气室窗口镜片附近就会全部被吸收，而不能深入到检测气室的下层，此时局部温度虽然相对高些，但窗口向四周的对流换热和检测气室壁的传导换热损失会加大，检测器的灵敏度就会下降。检测气室的密封极为重要检测气室动片和定片之间必须保持很高的绝缘性，因此对封入的气体要进行深度的干燥。检测器使用一段时间后，灵敏度会下降，可经过重新充气，方可继续使用。3.具有双层检测气室和光耦合器红外线气体分析仪测量原理

对于不同的气体，虽然其吸收波长各不相同，但也可能有部分重叠，这导致产生交叉干扰。

降低这种交叉干扰措施：（1）使用滤波气室（分光器）；（2）使用带有光耦合器的双层检测气室；（3）使用滤光片。1-红外线源（可调）2-光学过滤器；3-光束分离器（气体过滤器）4-旋转电流驱动器5-斩光器6-样气入口7-样气室8-参比气室9-样气出口10-检测器（左）11-检测器（右）12-微流量传感器13-光耦合器14-滑动触头（可调）9.4红外线气体分析仪9.4.1测量原理9.4.2红外线气体分析仪结构9.4.3红外线分析仪的应用9.4.3红外线分析仪的应用优点：选择性好，灵敏度高，测量范围广，精度较高，常量为1~2.5级，低浓度（ppm）为2~5级，响应速度快。 能吸收红外线的CO、C