紅外線氣體分析儀的組成及主要元件

  不管是負式，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），將輻射能轉變?yōu)殡娦盘枺磺泄馄?，用以調制紅外線。

（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，單光源對電源變化所產(chǎn)生的影響是一樣的。因為它只有一個光源，但安裝要求很高。雙光源安裝要求不是很高，但對電源的要求高。對光源有如下技術要求。

①　首先，輻射的光譜成份要穩(wěn)定，因為各種氣體對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。對同一濃度的待測組分，吸收的能量就會不同，這將造成測量誤差，為了滿足這一要求應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*，因為他的熱穩(wěn)定性好，抗氧化性比較強，同時制作也容易。其次，必須保證激發(fā)輻射的條件恒定，因此燈絲的電源應由穩(wěn)定電源供給，以防止電壓波動而造成燈絲電流的波動，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，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　輻射能量應大部分集中在待測組分特征吸收波段范圍內。這樣可以增加待測組分吸收能量，提高測量的靈敏度。適當?shù)剡x擇光源燈絲材料和工作溫度可以實現(xiàn)這一要求。如鎳鉻絲在730℃時，其輻射光譜的波長主要集中在3-10μm范圍內，能滿足大部分氣體分析的要求。在實用中，燈絲電流是不能任意改變的。

③　通過多個氣室的紅外線要平行于氣室的中心軸線，否則，紅外線進入氣室后將發(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，而燈絲的體積應盡量小，以便接近于點光源。

燈絲的繞法有兩種，一種是螺旋形繞法，它的優(yōu)點是比較近似點光源，但正面發(fā)射能量小。另一種是錐形繞法，它的優(yōu)點是正面發(fā)射能量大，但繞制工藝比較復雜。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行篩選，選出符合要求的，對稱的一對作為同一個儀器的光源。

 用金屬絲繞制燈絲總是會受到諸多因素的限制，目前已有采用半導體作為光源的。在激光技術得到廣泛應用的時代，采用激光作為紅外線光源應該是十分理想的，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整燈絲電壓進行改變。

（2）窗口材料（晶片）  各氣室、接收器氣室的窗口材料應對所用的紅外線波段有良好的透射性能，吸收和反射應很小。同時還應有一定的機械強度，不易破裂，不怕潮濕。表面粗糙度能長期保持，對所接觸的介質有良好的化學穩(wěn)定性。

工業(yè)用的紅外線氣體分析儀中，被廣泛應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，熱導率低，經(jīng)不住溫度的劇變，機械強度也比較低。盡管它有這么多缺點，但它對紅外線輻射在比較寬的波段內有較高的投射性能，因而還是被廣泛應用。藍寶石是無色人造單晶，機械強度高，化學性能穩(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，太薄了機械強度差。與窗口的結合可加墊片及壓環(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)都會使儀表靈敏度下降和零點漂移。窗口不清潔時只能用麂皮鏡頭紙擦拭，手指絕對不能接觸窗口。

（3）氣室    氣室有測量氣室、參比氣室和濾波氣室。他們的結構幾班相同，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。他們的結構它的是內壁光潔，不吸收紅外線，不吸附氣體，化學性能穩(wěn)定。制造氣室的材料可用黃銅鍍金，玻璃管鍍金或鋁合金，內壁經(jīng)過拋光，因為光纖的很大部分要經(jīng)過氣室內壁經(jīng)過多次反射才能達到接收器，光潔的內壁有良好的反射系數(shù)，光強損失小，而粗糙的內壁則會吸收很大一部分光強，是光強減弱，造成測量誤差。所以，常在氣體分析儀的氣室內壁鍍一層金或內部套一層鍍金的銅制圓管。

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

（4）濾波元件    濾波元件包括濾波氣室。質量好的濾光片（如干涉光片）濾光效果好，也能使儀表結構簡化。但是濾光片的制造工藝復雜，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用。至于是否要用以及用什么樣的濾波氣室或濾光片，這主要應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，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與待測組分濃度C直接為非線性關系，因而使檢測器的相應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，而且會接近上限的度數(shù)精度降低，所以刻度應以線性為好。

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C與L的乘積很小時，透射光強與濃度C之間基本上是線性關系（前已講過）。當濃度C確定之后，減少測量氣室的長度L，可以改善線性關系，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應于待測這份特征吸收波段的紅外線輻射能，經(jīng)過轉換變成熱能后，再將熱能轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，就是說，它對紅外線波長是有選擇的，當前工業(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)過光調制，即射入的紅外線光束不是連續(xù)的。調制頻率一般為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、半導體光電檢測器等。目前大都采用薄膜微音器，它的特點是溫度變化影響小，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格，它的質量將直接影響儀表的性能。薄膜是產(chǎn)生信號的敏感部分，安裝松緊要合適，太松可能會使其與定片短路，太緊則會降低測量靈敏度，甚至使薄膜破裂。同時固定片也必須平整，不得出現(xiàn)折皺。

由于紅外線氣體發(fā)生器對光源進行了調制，在運轉過程中，動片也是以相應于調制光源的頻率發(fā)生振動，只是根據(jù)待分析組分濃度不同，振動的振幅也不同。由于10HZ左右的頻率處在音頻范圍內，因此在儀表運行過程中接收器氣室內會發(fā)出微音，所以也稱接收器為薄膜微音器。