目前使用的紅外線氣體分析器類型很多,分類方法也較多。
(1)從是否把紅外光變成單色光來劃分,可分為不分光型(非色散型)和分光型(色散型)兩種。不分光紅外一氧化碳分析儀
不分光型 光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部都投射到待測樣品上,待測組分吸收其特征波長譜帶(有一定波長寬度的輻射帶)的紅外光,就其吸收來說具有積分性質(zhì)。因此不分光型儀器的靈敏度比分光型高得多,并且具有較高的信噪比和良好的穩(wěn)定性。其主要缺點(diǎn)是待測樣品各組分間有重疊的吸收峰時,會給測量帶來干擾。
分光型 采用一套分光系統(tǒng),使通過測量氣室的輻射光譜與待測組分的特征吸收光譜相吻合。其點(diǎn)是選擇性好,靈敏度較高;缺點(diǎn)是分光后光束能量很小,分光系統(tǒng)任一元件的微小位移,都會影響分光的波長。因此,分光型儀器一直用在條件較好的實(shí)驗(yàn)室,長期未能用于在線分析。近年來,隨著窄帶干涉濾光片的廣泛使用,分光型儀器開始進(jìn)入在線分析。不過這種借助于干涉濾光片的分光不同于光柵系統(tǒng)的分光,它不能形成連續(xù)光譜,只能對某個特定波長附近的狹窄譜帶進(jìn)行選通,因此,將其稱為“準(zhǔn)分光型儀器”也許更為合適。
(2)從光學(xué)系統(tǒng)來劃分,可以分為雙光路和單光路兩種。
雙光路 從兩個相同的光源分配的一個光源,發(fā)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(jìn)入檢測器。
單光路 從光源發(fā)出的單束紅外光,只通過一個幾何光路。但是對于檢測器而言,接收到的是兩個不同波長的紅外光束,只是它們到達(dá)檢測器的時間不同而已。這是利用濾波輪的旋轉(zhuǎn)(在濾波輪上裝有窄帶干涉濾光片或?yàn)V波氣室),將光源發(fā)出的光調(diào)制成不同波長的紅外光束,輪流送往檢測器,實(shí)現(xiàn)時間上的雙光路。
(3)從使用的檢測器類型來劃分。
紅外線氣體分析器中使用的檢測器,目前主要有薄膜電容檢測器、微流量檢測器、半導(dǎo)體檢測器、熱釋電檢測器四種。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理上的差別,我們可以將上述四種檢測器分成兩類,其中前兩種檢測器屬于氣動檢測器,后兩種檢測器屬于固體檢測器。
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(qū)動,微流量檢測器中的流量波動也是由這種壓力差引起的。這種壓力差來源于紅外輻射的能量差,而這種能量差是由測量光路和參比光路形成的,所以氣動檢測器一般和雙光路系統(tǒng)配合使用。
不分光紅外(NDIR)源自氣動檢測器。氣動檢測器內(nèi)密封的氣體吸收波長和待測氣體的特征吸收波長相同(通常是待測氣體和氬氣的混和氣),所以光譜光源的連續(xù)輻射到達(dá)檢測器后,它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。不分光紅外一氧化碳分析儀
半導(dǎo)體檢測器和熱電檢測器中沒有可移動部件,其檢測元件均為固體器件,根據(jù)這一特征我們將其統(tǒng)稱為固體檢測器。固體檢測器直接對紅外輻射能量有響應(yīng),與其配用的光學(xué)系統(tǒng)均為單光路結(jié)構(gòu),靠濾波輪的旋轉(zhuǎn)形成時間上的雙光路。它對被測氣體特征吸收光譜的的選擇性是借助于窄帶干涉濾光片實(shí)現(xiàn)的。因此,這種紅外分析器本質(zhì)上是一種分光型儀器,
由上所述可以看出,這兩類檢測器的工作原理不同,配用的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同,從是否需要分光的角度來看,二者也是不同的。因此,我們可以由此出發(fā),將紅外線氣體分析器劃分為兩類:采用氣動檢測器的紅外分析器和采用固體檢測器的紅外分析器。
這兩類儀器相比,前者的檢出限和靈敏度明顯于后者,而后者的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整容易又勝過前者。前者是紅外線氣體分析器的傳統(tǒng)產(chǎn)品,也是目前的主流產(chǎn)品。
在整機(jī)工作原理、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號調(diào)制方式和檢測方法等諸多方面,這兩類儀器均有顯著差別,因此,本章后面將按照這種分類方法,對這兩類儀器分別加以介紹。不分光紅外一氧化碳分析儀
(4)從檢測組分的數(shù)量來劃分,有單組分和多組分兩種。
需要說明的是,上述類型劃分的敘述不一定確切和嚴(yán)密,隨著各種技術(shù)手段的綜合采用,對現(xiàn)代紅外線氣體分析器進(jìn)行嚴(yán)格意義上的類型劃分,已經(jīng)變得越來越困難了。
紅外線氣體分析器的特點(diǎn)
(1)能測量多種氣體
除了單原子的惰性氣體(He、Ne、Ar等)和具有對稱結(jié)構(gòu)無極性的雙原子分子氣體(N2、H2、O2、 Cl2等)外,CO、CO2、NO、NO2、SO2、NH3等無機(jī)物、CH4、C2H4等烷烴、烯烴和其他烴類及有機(jī)物都可用紅外分析器進(jìn)行測量。
(2)測量范圍寬
可分析氣體的上限達(dá)100%,下限達(dá)幾個ppm的濃度。當(dāng)采取一定措施后,還可進(jìn)行痕量(ppb級)分析。
(3)靈敏度高
具有很高的檢測靈敏度,氣體濃度有微小變化都能分辨出來。
(4)測量精度高
一般都在±2%FS,不少產(chǎn)品達(dá)到或于±1%FS。與其他分析手段相比,
它的精度較高且穩(wěn)定性好。
(5)反應(yīng)快
響應(yīng)時間T90一般在10s以內(nèi)。
(6)有良好的選擇性
紅外分析器有很高的選擇性系數(shù),因此它特別適合于對多組分混合氣體中某一待分析組分的測量,而且當(dāng)混合氣體中一種或幾種組分的濃度發(fā)生變化時,并不影響對待分析組分的測量。因此,用紅外分析器分析氣體時,只要求背景氣體(除待分析組分外的其它組分都叫背景氣體)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(yán),特別是采取濾光技術(shù)以后效果更好。這一點(diǎn)與其它分析儀器比較是一個突出的點(diǎn)。
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