在线红外气体分析器的发展及工程应用研究

　　1 引 言

　　光谱吸收法表明许多气体分子在红外波段存在特征吸收;根据朗伯-比尔定律，特征吸收强度与气体浓度成正比例关系。据此原理设计而成的红外气体分析器可用于分析混合气体中某种或某几种待测气体组分的浓度，是一类非常重要、非常经典的气体分析器[1,2]。基于气体的红外吸收光谱特性，非单元素的极性气体分子在中红外(2.5～25μm)波段存在着分子振动能级的基频吸收谱线，因此红外气体分析器灵敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析;且选择性好，可以实现背景气体对测量分析基本没有影响。精心设计的红外气体分析器具有很好的稳定性，能用于连续分析气体浓度，适合在线测量。

　　和其它原理的气体分析器比较，红外气体分析器具有显著的优点。表1列有四种常见气体分析方法的劣势。红外气体分析仪器没有这些不足之处，更适合在线气体分析。

　　表1 其它四种常见气体分析方法的劣势

　　红外线气体分析器主要应用领域：

　　◇ 石油、化工、发电厂、冶金焦碳等工业过程控制

　　◇ 大气及污染源排放监测等环保领域

　　◇ 饭店、大型会议中心等公共场所的空气监测

　　◇ 农业、医疗卫生和科研等领域

　　例如：(1)合成氨流程的醇化塔进(出)口，用红外气体分析器分析CO和CO2;(2)甲醇生产流程的脱碳工段，用红外气体分析器分析CO和CO2;(3)环保排放监测，用红外气体分析器分析SO2和NOx。

　　2 红外气体分析器的测量原理

　　被测气体对中红外光线的吸收是红外气体分析器分析气体的基础，吸收规律符合朗伯-比尔定律。

　　2.1 吸收光谱法

　　当分子从外界吸收电磁辐射能时，电子、原子、分子受到激发，会从较低能级跃迁到较高能级，跃迁前后的能量之差为：

　　E2 - E1 = hv

　　式中 E2,E1—分别表示较高能级和较低能级(跃迁前后的能级)的能量;v—辐射光的频率;h—普朗克常数，4.136×10-15eV·s 。

　　当某一波长电磁辐射的能量E恰好等于某两个能级的能量之差E2-E1时，便会被某种粒子吸收并产生相应的能级跃迁，该电磁辐射的波长和频率称为某种粒子的特征吸收波长和特征吸收频率。

　　振动能级的基频位于中红外波段，近红外波段主要是各种基团振动的倍频和合频吸收。中红外吸收能力强，灵敏度高;近红外吸收弱，灵敏度低。

　　气体的吸收光谱是由许多带宽很窄的吸收线组成的吸收带，用高精度的分光仪检测可以展开成独立的吸收峰。