紅外線氣體分析儀的組成及主要元件

  不管是負(fù)式，還是正式紅外線氣體分析儀，其基本元件幾乎是一樣的。概括起來，紅外線氣體分析儀的基本元件有：光源，產(chǎn)生一定波長范圍的紅外線輻射能；氣室，測量氣室、過濾器氣室、接收器氣室；窗口材料---晶片，在氣室的進(jìn)出兩端，用以密封氣室，允許紅外線一定波段通過；感受元件（檢測器），將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；切光片，用以調(diào)制紅外線。

（1）光源（輻射能）    光源包括輻射源及反射鏡，光源還分單光源與雙光源兩種，單光源對(duì)電源變化所產(chǎn)生的影響是一樣的。因?yàn)樗挥幸粋€(gè)光源，但安裝要求很高。雙光源安裝要求不是很高，但對(duì)電源的要求高。對(duì)光源有如下技術(shù)要求。

①　首先，輻射的光譜成份要穩(wěn)定，因?yàn)楦鞣N氣體對(duì)紅外線的吸收具有選擇性，如發(fā)射光譜成份不穩(wěn)定，就意味著待測組分特征吸收波長能量也不穩(wěn)定。對(duì)同一濃度的待測組分，吸收的能量就會(huì)不同，這將造成測量誤差，為了滿足這一要求應(yīng)選擇合適的燈絲材料。在工業(yè)化生產(chǎn)中，紅外線氣體分析儀使用的光源燈絲材料有碳化硅、鎳鉻絲及釔、鋯、釷等金屬的氧化物。一般以鎳鉻絲用得*，因?yàn)樗臒岱€(wěn)定性好，抗氧化性比較強(qiáng)，同時(shí)制作也容易。其次，必須保證激發(fā)輻射的條件恒定，因此燈絲的電源應(yīng)由穩(wěn)定電源供給，以防止電壓波動(dòng)而造成燈絲電流的波動(dòng)，從而使燈絲溫度發(fā)生變化，造成光譜成份和輻射能量的變化。另外，在不至于影響燈絲分子蒸發(fā)和使用壽命的情況下， 加熱功率可以大一點(diǎn)，從而得到較大的輻射能。一般鎳鉻絲的直徑為0.4-0.7mm，加熱功率取5-10W。

②　輻射能量應(yīng)大部分集中在待測組分特征吸收波段范圍內(nèi)。這樣可以增加待測組分吸收能量，提高測量的靈敏度。適當(dāng)?shù)剡x擇光源燈絲材料和工作溫度可以實(shí)現(xiàn)這一要求。如鎳鉻絲在730℃時(shí)，其輻射光譜的波長主要集中在3-10μm范圍內(nèi)，能滿足大部分氣體分析的要求。在實(shí)用中，燈絲電流是不能任意改變的。

③　通過多個(gè)氣室的紅外線要平行于氣室的中心軸線，否則，紅外線進(jìn)入氣室后將發(fā)生多次反射而造成測量誤差。

不管用單光源還是雙光源，都必須經(jīng)反射后的紅外線能平行于氣室的中軸線通過氣室，因而，反射鏡是理想的拋物面，而燈絲的體積應(yīng)盡量小，以便接近于點(diǎn)光源。

燈絲的繞法有兩種，一種是螺旋形繞法，它的優(yōu)點(diǎn)是比較近似點(diǎn)光源，但正面發(fā)射能量小。另一種是錐形繞法，它的優(yōu)點(diǎn)是正面發(fā)射能量大，但繞制工藝比較復(fù)雜。目前使用的以螺旋形繞法為多。為了縮小體積，減少熱量損失，繞制的螺距要盡量小，以不至于造成層間短路為限。燈絲的繞制在螺旋形胎具上進(jìn)行，繞好后還需要整形，然后再通入1.1-1.4倍的工作電流做連續(xù)幾天的老化處理，再從幾何形狀和電阻值中進(jìn)行篩選，選出符合要求的，對(duì)稱的一對(duì)作為同一個(gè)儀器的光源。

 用金屬絲繞制燈絲總是會(huì)受到諸多因素的限制，目前已有采用半導(dǎo)體作為光源的。在激光技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的時(shí)代，采用激光作為紅外線光源應(yīng)該是十分理想的，它的原色性好，方向性好，輻射能量也大。加熱電源的功率可通過調(diào)整燈絲電壓進(jìn)行改變。

（2）窗口材料（晶片）  各氣室、接收器氣室的窗口材料應(yīng)對(duì)所用的紅外線波段有良好的透射性能，吸收和反射應(yīng)很小。同時(shí)還應(yīng)有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不易破裂，不怕潮濕。表面粗糙度能長期保持，對(duì)所接觸的介質(zhì)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

工業(yè)用的紅外線氣體分析儀中，被廣泛應(yīng)用的晶片材料是氟化鋰、氟化鎢等。氟化鎢又稱氟石，是無色單晶，它的晶面很容易磨損，熱膨脹系數(shù)高，熱導(dǎo)率低，經(jīng)不住溫度的劇變，機(jī)械強(qiáng)度也比較低。盡管它有這么多缺點(diǎn)，但它對(duì)紅外線輻射在比較寬的波段內(nèi)有較高的投射性能，因而還是被廣泛應(yīng)用。藍(lán)寶石是無色人造單晶，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，也是常用的材料之一。氟化鈉因易受潮，表面需涂防潮層。用氟化鋰和氟化鈣做窗口材料，厚度可取2mm左右，太薄了機(jī)械強(qiáng)度差。與窗口的結(jié)合可加墊片及壓環(huán)，用螺釘固定，但易被壓碎，所以近年來大多數(shù)采用環(huán)氧樹脂粘接。

     晶片上的污垢、積灰、毛發(fā)都會(huì)使儀表靈敏度下降和零點(diǎn)漂移。窗口不清潔時(shí)只能用麂皮鏡頭紙擦拭，手指絕對(duì)不能接觸窗口。

（3）氣室    氣室有測量氣室、參比氣室和濾波氣室。他們的結(jié)構(gòu)幾班相同，都是圓筒形，兩端用晶片（亦稱窗口）密封。測量氣室中連續(xù)地通過被測氣體，參比氣室中充填對(duì)紅外線不吸收的氣體，并予以密封。參比氣室和濾波氣室都是密封的。他們的結(jié)構(gòu)它的是內(nèi)壁光潔，不吸收紅外線，不吸附氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定。制造氣室的材料可用黃銅鍍金，玻璃管鍍金或鋁合金，內(nèi)壁經(jīng)過拋光，因?yàn)楣饫w的很大部分要經(jīng)過氣室內(nèi)壁經(jīng)過多次反射才能達(dá)到接收器，光潔的內(nèi)壁有良好的反射系數(shù)，光強(qiáng)損失小，而粗糙的內(nèi)壁則會(huì)吸收很大一部分光強(qiáng)，是光強(qiáng)減弱，造成測量誤差。所以，常在氣體分析儀的氣室內(nèi)壁鍍一層金或內(nèi)部套一層鍍金的銅制圓管。

對(duì)用于分析微量濃度的長氣室，為避免機(jī)械加工的困難，可用玻璃管制成，內(nèi)部鍍金。在金屬氣室內(nèi)部鍍金的另一個(gè)好處是可防止氣室內(nèi)部氧化而降低反射系數(shù)。氣室的內(nèi)徑一般取20-30mm。太粗了會(huì)使測量滯后，太細(xì)了會(huì)減弱光強(qiáng)。

（4）濾波元件    濾波元件包括濾波氣室。質(zhì)量好的濾光片（如干涉光片）濾光效果好，也能使儀表結(jié)構(gòu)簡化。但是濾光片的制造工藝復(fù)雜，并且在只有一兩種干擾組分是才有明顯效果。一般濾光片不如濾波氣室過濾*，所以至今濾波氣室仍被廣泛應(yīng)用。至于是否要用以及用什么樣的濾波氣室或?yàn)V光片，這主要應(yīng)由樣氣中是否存在干擾組分和他們含量的多少來決定。所以為了選用合適的濾波氣室，訂貨時(shí)，儀表生產(chǎn)廠家要求用戶提供背景氣體的數(shù)據(jù)。

（5）測量氣室長度的確定   根據(jù)朗伯-比爾定律，經(jīng)過樣氣吸收后的透射光強(qiáng)與待測組分濃度C直接為非線性關(guān)系，因而使檢測器的相應(yīng)于待測組分濃度之間也是非線性的。非線性刻度不但使讀數(shù)不方便，而且會(huì)接近上限的度數(shù)精度降低，所以刻度應(yīng)以線性為好。

紅外線氣體分析儀要做到線性刻度有兩種方法。一種是根據(jù)待測組分濃度C的范圍，選擇測量氣室的長度L，當(dāng)C與L的乘積很小時(shí)，透射光強(qiáng)與濃度C之間基本上是線性關(guān)系（前已講過）。當(dāng)濃度C確定之后，減少測量氣室的長度L，可以改善線性關(guān)系，但L減少到一定程度之后，加工變得十分困難，也不一定能獲得滿意的線性效果。另一種方法是在儀表放大器部分采用線性校正電路，是的儀表的輸出與待測氣體組分的濃度成線性關(guān)系。

（6）檢測器  檢測器也叫接收器，它又分為選擇性接收和非選擇性接收兩種。選擇性接收只能將對(duì)應(yīng)于待測這份特征吸收波段的紅外線輻射能，經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成熱能后，再將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，就是說，它對(duì)紅外線波長是有選擇的，當(dāng)前工業(yè)用的紅外線氣體分析儀大都屬于這一類。

紅外線輻射能在穿入測量氣室和參比氣室前，都經(jīng)過光調(diào)制，即射入的紅外線光束不是連續(xù)的。調(diào)制頻率一般為5-15HZ。其目的是為了降低干擾影響，提高測量靈敏度。

工業(yè)用的紅外線檢測器主要事薄膜微音式檢測器。熱電偶式檢測器、半導(dǎo)體光電檢測器等。目前大都采用薄膜微音器，它的特點(diǎn)是溫度變化影響小，選擇性好，靈敏度高。

薄膜電容可以說是儀表的心臟部件。檢測器的裝配要求很嚴(yán)格，它的質(zhì)量將直接影響儀表的性能。薄膜是產(chǎn)生信號(hào)的敏感部分，安裝松緊要合適，太松可能會(huì)使其與定片短路，太緊則會(huì)降低測量靈敏度，甚至使薄膜破裂。同時(shí)固定片也必須平整，不得出現(xiàn)折皺。

由于紅外線氣體發(fā)生器對(duì)光源進(jìn)行了調(diào)制，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，動(dòng)片也是以相應(yīng)于調(diào)制光源的頻率發(fā)生振動(dòng)，只是根據(jù)待分析組分濃度不同，振動(dòng)的振幅也不同。由于10HZ左右的頻率處在音頻范圍內(nèi)，因此在儀表運(yùn)行過程中接收器氣室內(nèi)會(huì)發(fā)出微音，所以也稱接收器為薄膜微音器。