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紅外線(xiàn)氣體分析儀的原理分析

時(shí)間:2020-12-6閱讀:3256
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紅外線(xiàn)是一種看不見(jiàn)的光,其波長(zhǎng)范圍為0.78—1000微米。它在紅光界限以外,所以得名紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)可分為三部分,即近紅外線(xiàn),波長(zhǎng)為0.75~1.50μm之間;中紅外線(xiàn),波長(zhǎng)為1.50~6.0μm之間;遠(yuǎn)紅外線(xiàn),波長(zhǎng)為6.0~l000μm 之間。

 

 

波長(zhǎng)——在光的傳播方向上,相鄰兩光波同相位點(diǎn)間的距離稱(chēng)為波長(zhǎng)。

波數(shù)——波數(shù)是描述紅外輻射的一個(gè)參量,是指每厘米長(zhǎng)度內(nèi)所含紅外波的數(shù)目。

頻率——單位時(shí)間內(nèi)光波振動(dòng)的周數(shù)。

光子能量——光波以輻射的形式發(fā)射、傳播或接受的能量,用E表示,單位為J。

特征吸收波長(zhǎng)——在近紅外波段和中紅外波段,紅外輻射能量較小,不能引起分子中電子能級(jí)的躍遷,而只能被樣品分子吸收,引起分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷,所以紅外吸收光譜也稱(chēng)分子振動(dòng)光譜。當(dāng)某一波長(zhǎng)紅外輻射的能量恰好等于某種分子振動(dòng)能級(jí)的能量之差時(shí),才會(huì)被該種分子吸收,并產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)能級(jí)躍遷,這一波長(zhǎng)便稱(chēng)為該種分子的特征吸收波長(zhǎng)。

 

 紅外線(xiàn)氣體分析儀,是利用紅外線(xiàn)進(jìn)行氣體分析。它基于待分析組分的濃度不同,吸收的輻射能不同.剩下的輻射能使得檢測(cè)器里的溫度升高不同,動(dòng)片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產(chǎn)生一個(gè)電容檢測(cè)器的電信號(hào)。這樣,就可間接測(cè)量出待分析組分的濃度。


1.比爾定律  
紅外線(xiàn)氣體分析儀是根據(jù)比爾定律制成的。假定被測(cè)氣體為一個(gè)無(wú)限薄的平面.強(qiáng)度為k的紅外線(xiàn)垂直穿透它,則能量衰減的量為:I=I0e-KCL(比爾定律)  
式中:I--被介質(zhì)吸收的輻射強(qiáng)度;
I0--紅外線(xiàn)通過(guò)介質(zhì)前的輻射強(qiáng)度;
         K--待分析組分對(duì)輻射波段的吸收系數(shù);  
         C--待分析組分的氣體濃度;
         L--氣室長(zhǎng)度(赦測(cè)氣體層的厚度)
      對(duì)于一臺(tái)制造好了的紅外線(xiàn)氣體分析儀,其測(cè)量組分已定,即待分析組分對(duì)輻射波段的吸收系數(shù)k一定;紅外光源已定,即紅外線(xiàn)通過(guò)介質(zhì)前的輻射強(qiáng)度I0一定;氣室長(zhǎng)度L一定。從比爾定律可以看出:通過(guò)測(cè)量輻射能量的衰減I,就可確定待分析組分的濃度C了。


2.分析檢測(cè)原理
紅外線(xiàn)氣體分析儀由兩個(gè)獨(dú)立的光源分別產(chǎn)生兩束紅外線(xiàn) 該射線(xiàn)束分別經(jīng)過(guò)調(diào)制器,成為5Hz的射線(xiàn)。根據(jù)實(shí)際需要,射線(xiàn)可通過(guò)一濾光鏡減少背景氣體中其它吸收紅外線(xiàn)的氣體組分的干擾。
     紅外線(xiàn)通過(guò)兩個(gè)氣室,一個(gè)是充以不斷流過(guò)的被測(cè)氣體的測(cè)量室,另一個(gè)是充以無(wú)吸收性質(zhì)的背景氣體的參比室。工作時(shí),當(dāng)測(cè)量室內(nèi)被測(cè)氣體濃度變化時(shí),吸收的紅外線(xiàn)光量發(fā)生相應(yīng)的變化,而基準(zhǔn)光束(參比室光束)的光量不發(fā)生變化。從二室出來(lái)的光量差通過(guò)檢測(cè)器,使檢測(cè)器產(chǎn)生壓力差,并變成電容檢測(cè)器的電信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)節(jié)電路放大處理后,送往顯示器以及總控的LCD顯示。該輸 出信號(hào)的大小與被淵組分濃度成比例。

  

紅外線(xiàn)氣體分析儀的原理

 

 紅外分析儀的檢測(cè)器有薄膜微音器或半導(dǎo)體檢測(cè)器等。以薄膜微音檢測(cè)器為例,接收室內(nèi)充以樣氣中的待淵組分,兩個(gè)接收室中間用一個(gè)薄的金屬膜隔開(kāi),在兩測(cè)壓力不同時(shí)膜片可以變形產(chǎn)生位移,膜片的一側(cè)放一個(gè)固定的圓盤(pán)型電極??蓜?dòng)膜片與固定電極構(gòu)成了一個(gè)電容變進(jìn)器的兩極。整個(gè)結(jié)構(gòu)保持嚴(yán)格的密封,兩接收氣室內(nèi)的氣體為動(dòng)片薄膜隔開(kāi),但在結(jié)構(gòu)上安置一個(gè)大小為百分之幾毫米的小孔,以使兩邊的氣體靜態(tài)平衡。輻射光束通過(guò)參比室、測(cè)量室后,進(jìn)入檢測(cè)器的接收室。被接收室里的氣體吸收,氣體溫度升高,氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),產(chǎn)生的熱膨脹形成的壓力增大。當(dāng)測(cè)量室內(nèi)通入零點(diǎn)氣(N2)時(shí),來(lái)自?xún)蓺馐业墓饽芷胶猓瑑蛇叺膲毫ο嗟?,?dòng)片薄膜維持在平衡位置,檢測(cè)器輸出為零。當(dāng)測(cè)量室內(nèi)通入樣氣時(shí),測(cè)量邊進(jìn)入接收室的光能低于參比邊的,使測(cè)量邊的壓力減小,于是薄膜發(fā)生位移,故改變了兩極板問(wèn)的距離,也改變了電容量C。 
     紅外線(xiàn)氣體分析儀可以用來(lái)分析各種多原子氣體,如:C2H2、C2H4、C2H5OH、C3H6、C2H6、C3H8、NH3、CO2、CO、CH4、SO2等。不能用來(lái)分析同一種原子構(gòu)成的多原子氣體以及惰性氣體,如:N2、Cl2、H2、O2以及He、Ne、Ar等。

 

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