1 總述
在線分析儀器作為分析儀器的重要組成部分，可直接安裝在工業生產流程或其他源流體現場，是用于在過程工藝中，實現對物質成分或物性參數連續或周期性的自動在線分析和過程監測的分析儀器，即對于物質成分或物性參數進行實時的連續測量，并將檢測到的物質成分或物性參數信息用于工藝過程產品質量的自動監測或過程設備安全高效運行的自動控制。
按照在線分析儀器的檢測方法及測量信息的處理輸出形式，我們對能夠實現氣體成分或物性參數連續不間斷測量，并實時做信息處理及傳輸的在線氣體分析儀稱之為連續氣體分析儀。在連續氣體分析儀中，我們根據其安裝方式的不同，可分為原位式和取樣式。在連續氣體分析儀中，我們根據其測量原理的不同，可分為在線光譜氣體分析儀、在線熱學式氣體分析儀、在線順磁式氧氣分析儀、在線電化學式氣體分析儀及其他在線連續氣體分析儀。
在線光譜氣體分析儀（又稱之為在線光學式氣體分析儀）是通過電磁輻射與物質相互作用時產生輻射的吸收，引起原子、分子內部量子化能級之間的躍遷，從而測量輻射波長或強度變化的一類光學分析方法。按照被分析物質（分子或是原子）的吸收光譜或發射光譜分類，在線光譜氣體分析儀可分為分子吸收光譜法，分子發射光譜法，原子吸收/發射光譜法及其他光譜類分析法。在使用分子吸收光譜法的在線光譜氣體分析儀中，依據分子吸收光譜的不同波長范圍，可分為紅外光譜分析儀，近紅外光譜分析儀，傅里葉紅外光譜分析儀，激光光譜分析儀，紫外光譜分析儀及紫外-可見光光譜分析儀。
本文將針對在線光譜連續氣體分析儀中的紅外分子吸收光譜，即在線紅外光譜連續氣體分析儀的技術現狀、應用及發展趨勢做出闡述。
2 測量原理
電磁輻射是以極快速度通過空間傳播的光量子流，是一種能量的形式，電磁輻射具有波動性與微粒性。按照頻率分類，從低頻率到高頻率，電磁輻射波譜包括無線電波，微波，紅外線，可見光，紫外線，X射線和伽馬射線等，如圖1-11-1，電磁波頻譜示意圖。
圖1-11-1 電磁波頻譜示意圖
電磁輻射通常以頻率，波長或光子能量這3種物理量中的任意一種來描述，即通過普朗克方程式表達。E=hv=hc/λ [ E:光子能量，v：頻率，h：普朗克常數，c：光速，λ：波長（波長λ在不同范圍內采用不同的單位表示，γ射線，x射線，可見光和紫外光采用nm，紅外光采用μm，微波采用mm，射頻采用m）]。由此可見，波長與能量成反比，波長越短，能量越大；頻率與能量成正比，頻率越高，能量越大。
分子由原子和外層電子組成，各外層電子處在不同的能級中，而分子本身還有組成分子的各個原子間的振動能級及分子自身的轉動能級。當從外界吸收電磁輻射能時，電子、分子、原子受到激發，會從較低能級躍遷到較高能級。分子振動能級的基頻位于中紅外波段，因此中紅外吸收能力強，靈敏度高。因此在線光譜分析技術以中紅外光譜分析（2.5～15μm）應用最為成熟，特別是采用紅外線的在線紅外氣體分析技術應用最為廣泛。
紅外線是電磁波譜中的一段，介于可見光區和微波區之間，因為它在可見光譜紅光界限之外，所以得名紅外光譜。在整個電磁波譜中紅外波段的熱功率最大，紅外輻射主要是熱輻射。在紅外氣體分析器中，使用的波長范圍通常在2.5～15μm之內，主要集中在2.5～12μm 之間。紅外線通過裝在一定長度容器內的被測氣體，然后測定通過氣體后的紅外線輻射強度I，依據比爾－朗伯特吸收定律 （I0：射入被測組分的光強度，I：經被測組分吸收后的光強度， k：被測組分對光能的吸收系數， c：被測組分的摩爾百分濃度， l：光線通過被測組分的長度），可以得到被測組分的摩爾百分濃度，從而完成測量應用。當某一波長紅外輻射的能量恰好等于某種分子振動能級的能量之差時，就會被該種分子吸收，并產生相應的振動能級躍遷，這一波長便稱為該種分子的特征吸收波長，如圖1-11-2，常見氣體的紅外吸收光譜圖。
圖1-11-2 常見氣體的紅外吸收光譜圖
3 分類及特點
紅外氣體分析儀按照光源發出的光是否經過分光分為分光型和非分光型紅外氣體分析儀。固定分光型（CDIR）采用分光系統，使通過氣室的輻射光譜與待測組分的特征吸收光譜吻合，其優點是選擇性好，缺點是光束能量會減小，靈敏度不高。非分光型（NDIR）是指光源發出的連續光譜全部投射到待測樣品上，待測組分吸收其各個特征波長譜帶的紅外光，吸收具有積分性質，其優點是靈敏度高，高信噪比和良好的穩定性，缺點是待測樣品中的其他組分的重疊吸收峰會對測量產生干擾。
紅外氣體分析儀按照光學系統不同分為雙光路和單光路紅外氣體分析儀。雙光路是從兩個相同的光源或從精確分配的一個光源發出兩路彼此平行的紅外光束，分別通過幾何光路相同的分析氣室、參比氣室后進入檢測器。單光路是從光源發出單束紅外光，只通過一個幾何光路。但對于檢測器，接收到的是兩個不同波長的紅外光束，只是它們到達檢測器的時間不同。即利用調制盤的旋轉，將光源發出的光調制成不同波長的紅外光束，輪流通過分析氣室送往檢測器，實現時間上的雙光路。
紅外氣體分析儀按照檢測器類型的不同分為薄膜電容檢測器、微流量檢測器、半導體檢測器、熱釋電檢測器四種。而根據結構和工作原理的差別，又可以分成兩類，前兩種屬于氣動檢測器，后兩種屬于固體檢測器。氣動檢測器靠氣動壓力差工作，薄膜電容檢測器中的薄膜振動靠這種壓力差驅動，微流量檢測器中的流量波動也是由這種壓力差引起。不分光紅外（NDIR）源自氣動檢測器，只對待測氣體特征吸收波長的光譜有靈敏度，不需要分光就能得到很好的選擇性。半導體檢測器和熱釋電檢測器的檢測元件均為固體器件，固體檢測器直接對紅外輻射能量有響應，對紅外輻射光譜無選擇性，這種紅外分析屬于固定分光型（CDIR）。從優點上看，氣動檢測器的檢出限和靈敏度很好，而固體檢測器的結構簡單，調整容易。
紅外氣體分析儀按照檢測組分數量的不同分為單組分和多組分。紅外氣體分析儀按照結構形式的不同分為防爆和非防爆。紅外氣體分析儀按照安裝結構的不同分為機架式、臺式、壁掛式、柜式及便攜式。
紅外氣體分析儀的主要特點有：
1）能測量多種氣體。除惰性氣體和具有對稱結構無極性的雙原子分子氣體外，CO、CO2、NO、SO2、NH3等無機物、CH4、C2H4等烷烴、烯烴和其他烴類及有機物都可用紅外分析器進行測量。
2）測量范圍寬。可分析氣體的上限達100％，下限達幾個ppm濃度。甚至精細化處理后，還可進行痕量（ppb）分析。
3）靈敏度高。具有很高的檢測靈敏度，氣體濃度的微小變化都能分辨出來。
4）測量精度高。一般在±2％F.S.，也有達到或優于±1％F.S.。分析精度較高且穩定性好。
5）反應快。響應時間T90一般在10s以內。
6）具有良好的選擇性。紅外氣體分析儀具有很高的選擇性系數，因此它特別適用于對多組分混合氣體中某一待分析組分的測量，而且當混合氣體中一種或幾種組分的濃度發生變化時，并不影響對待分析組分的測量。因此，紅外氣體分析儀只要求背景氣體的干燥、清潔和無腐蝕性，而對背景氣體的組成及各組分的變化要求不嚴。
其他相關新聞
