紅外線氣體分析儀在煙氣自動監測系統中的應用

賴春林

摘 要：紅外線氣體分析儀具有準確度高、穩定性好、操作簡單等優點，可廣泛應用于各大企業的煙氣污染物排放檢測領域，為企業和環保部門制定決策提供科學的依據。本文主要圍繞紅外線氣體分析儀的測量原理、測量方式、技術及其應用進行闡述，希望能為讀者提供一定的參考。

關鍵詞：紅外線；NDIR；煙氣；監測

0 引言

工業發展帶來經濟騰飛的同時，也給環境帶來極大的負擔。環境污染，尤其是大氣污染程度不斷加深，嚴重影響了人們的正常生活和身體健康。固定污染源煙氣的排放是大氣污染氣體的主要來源之一，研發具有實時性、智能化、穩定性好、可靠性高且操作簡單的煙氣監測系統，對于我國煙氣自動監測系統的發展，控制煙氣中污染物質的排放具有實際意義。

1 紅外線氣體分析儀在煙氣自動檢測系統中的應用

1.1 測量原理 我國當前使用的氣體分析儀器在監測范圍、測量精度、組分分析方面，存在較大的局限性，而新型的非分散紅外線（NDIR）技術，則能實現對多組分煙氣濃度的檢測，該技術檢測原理為氣體紅外吸收，在測量過程中無需消耗物質，因此具有使用壽命長、穩定性好、選擇性強、測量范圍廣、高精準度，具有廣泛的推廣意義。

煙氣中的主要成分為硫、氮、碳的氧化物，主要以二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）為主，這類氣體在紅外波段有獨特的吸收波，被稱為特征吸收波（表1）。特征吸收波根據物質不同，波形各異，因此可用作鑒別各類物質的依據。而氣體濃度的確定，則是根據特征吸收光譜對紅外能量的吸收能力進行檢測的。根據朗伯-比爾吸收定律可知，當待測氣體組分有紅外光通過時，氣體分子吸收特定波長的紅外線。

表1 煙氣中各組分特征吸收波

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][氣體

特征吸收波/μm][CO2

4.3][CO

4.65][NO

5.3][H20

3-6][SO2

7.3]

1.2 測量方式 單光束雙波長法中有測量濾光片和參比濾光片，其中測量濾光片是對有特征吸收紅外光譜通過的待測組分進行測量，透過測量氣室的光線強度受煙氣濃度的影響，測量值記為I；而參比濾光片測量組分不吸收通過的紅外光，因此透過測量氣室的光線強度幾乎不受被測組分濃度變化的影響，測量結果作為參照，記為I0。根據朗伯-比爾定律，待測氣體吸收光度與其濃度關系滿足關系式：-In（I/I0）=LkC，I為測量光強度，I0為參照光強度，L是紅外線經過吸收氣體的路徑，k待測氣體的吸收系數，C為氣體的濃度，單位為mg/m3。

氣體濾波相關法是將被測氣體填充在氣體濾光池中，代替上述方法中的參比濾光片，利用此法可提高被測氣體組分對特征波的吸收效果。這一測量系統由五部分組成：光源由能斯特燈發射紅外光；測量氣室有抽氣孔和充氣孔，為待測氣體組分濃度的穩定提供了保障，而高溫伴熱功能，可有效防止水蒸氣和污染物冷凝，造成對測量結果的干擾；切光輪主要負責將光束信號射頻模式化；濾波輪上安裝不同被測氣體的氣體濾光池和測量濾光片，濾波輪和切光輪的旋轉動作由無刷直流電動機提供動力，對各組分的測定則由自動化控制系統發送控制指令完成測量；光電管前安裝放大器，以提高弱信號接收的可靠性。

被測氣體濾光池和測量濾光片的位置由設備內部處理器控制，一次測量過程可對待測氣體進行多次掃描，以提高信號的信噪比，減少測量誤差。利用微處理器可對各式干擾進行有效處理；使用靠減去干擾組分濃度的方法可對不同待測組分光譜重疊進行有效處理；而校正因子則是用來處理干擾組分對測量組分吸收系數的影響。

1.3 技術分析 ①煙氣分析。煙氣分析儀采用的分析技術為單光束雙波長與氣體濾波相關技術的結合，濾波輪上的氣體濾波池能實現對不同氣體的同時測量，并利用干擾參數扣除技術，大大提高了測量結果的準確度，并能實現對一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、甲烷、氨氣以及氯化氫八種氣體的高精度持續性檢測。如對一氧化碳的測量范圍可達4000mg/m3，精度可達到0.1%。②信號放大電路。信號放大電路利用CMOS工藝制成的斬波穩零結合多級放大模式，主要組成部件有多路開關和儀表放大器。信號放大電路增益高、響應快，輸入偏置電流小等優點，能有效減少誤差，還具有自動調零的功能，增加了測量的精準度和穩定性。③煙氣連續排放監測系統。煙氣連續排放監測系統的構成包括了多種學科，如智能采樣技術、數字濾波算法技術、軟件自動識別補償輕微污染技術、網絡技術、分布技術、光功率軟件修正技術以及多線程布控技術等。該系統具有的功能也較為完善，目前已經實現的功能主要有定量測量功能、自動校零、異常報警、遠程傳輸、報表生成等各項功能。

1.4 應用 ①對煙氣監測及管理。紅外線氣體分析儀主要利用嵌入式軟件，完成對污染源氣態污染物的監控職能，并為相關部門提供檢查對象的瞬時值和歷史記錄，當污染源超標時，還可利用自動報警功能對相關部門發出警示。該系統對污染源進行的連續性測量，可為環保部門提供電子政務和辦公自動化所需的基本材料，為部門制定環保政策提供可靠的數據支持。嵌入式軟件在信號處理方面具有較強的靈活性，可對不同變量和濃度范圍的氣體進行測量；取樣方面更加智能化，與算法相結合，可剔除異常測量值，提高測量結果的準確率。②技術指標。該套設備所能達到的技術指標如下：零點漂移可控制在±2.5%范圍內（F.S/3d或7d），量程漂移不超過±2.5%，線性誤差在±5.0%以內，響應時間不超過200s，重復性低于0.5%，輸出波動低于0.4%，可對電源、標定、分析儀故障發出警報輸出。對各氣體的測量量程分別可達到SO2為4000、NO2為1000、NO為2500、CO為2500，檢測下線為10（單位：mg/m3）。

2 結束語

隨著社會的不斷進步，人們對環境問題越來越重視，傳統的經濟發展模式對環境的損害較大，已經不適應現代生產發展的需要，加大節能減排力度，減少環境污染是當前企業面臨的重要任務。就目前技術發展水平而言，我國還無法完全消除煙氣等污染物的來源，但可通過先進的檢測技術，對煙氣排放中污染組分進行實時檢測，為企業和環保部門制定有效的環保措施提供依據。紅外氣體分析儀相對于傳統的分析儀器，具有檢測范圍大、精準度高、能對多組分進行同時檢測的優點，因此可廣泛應用于煙氣在線監測領域。

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