紅外線氣體分析儀監測系統的應用及抗干擾措施

李建玉(寧波恒逸工程管理有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

紅外線氣體分析儀是一種利用專用的分析軟件與固件，設計、加工制備的便攜式的氣體測定儀器，具有高精度、高分辨率、長壽命、易維護等特點。紅外線氣體檢測在眾多行業中都有著非常廣泛的應用，例如：易燃易爆氣體、有毒有害氣體濃度的檢測，該監測系統對石油化工行業安全生產具有重要的實踐意義。其原理是由于許多氣體分子在紅外波段存在特征吸收，根據朗伯-比爾定律可知特征吸收強度與氣體濃度成正比例關系。紅外線氣體分析儀可連續分析混合氣體中某種或某幾種待測氣體組份的濃度，而市面上所售的不分光紅外線氣體分析監測系統還結合了薄膜微音檢測和熱釋電檢測技術，非常適用于有隔爆要求的工程項目在線使用。

1 紅外線氣體分析儀器的分類與研究現狀

國內常用的紅外線氣體分析儀由光源、濾光元件、檢測器以及氣室部分組成，根據檢測器的類型可將國內主流紅外線氣體分析儀劃分為光電導檢測器型、微流量檢測器型、微音薄膜檢測器型和熱釋電檢測器型四種。西門子公司的U23、日本島津公司的URA-208A就采用的是微流量檢測器型紅外氣體分析儀，重慶川儀的PA200與北分麥哈克QGS-08C采用的是微流量檢測器型紅外氣體分析儀，上海寶英的C600采用的是光電導檢測器型紅外氣體分析儀，而美國熱電60i與北京凱爾MGA-3000采用的是熱釋電檢測器型紅外氣體分析儀[1-2]。眾所周知，紅外線、紫外線、可見光均對應一定波段的電磁波。當極性氣體分子如CO2、NH3、CO等子受到紅外光照射后，引起物質的偶極矩變化，使得氣體分子的能級發生躍變，當氣體分子固有頻率與紅外光譜中某一頻率相同時，這種氣體分子對紅外光譜的吸收率就會達到極限值，通過此原理可推斷氣體的成分[3]。

近年來，在紅外線氣體分析儀研究方面，重大突破是開發設計了近紅外光譜儀。近紅外光譜儀不僅高效、快速、無損，而且大大縮小了原有系統的響應時間，其響應時間約1s，比傳統的采樣式紅外分析儀快20s。在傳感器件與測量方法上的改進較少，而紅外線氣體分析儀智能化發展較為迅猛，使得儀器具備自動標定與補償、自動識別圖譜、實效預測和自動進行故障診斷等功能。中國石化公司針對如何提高紅外線氣體分析儀的線性穩定性、重復性以及消除其零點漂移性進行了研究，結果表明調節氣室長度，對該分析儀器量程進行改造，即將儀器原有0～100μL/L的量程改為常量測量，與改造前相比，該儀器的穩定性、重復性以及零點均有所改善，因而該舉措是行之有效的[4]。

2 紅外線氣體分析監測系統的應用

長沙瑞控公司設計的JNYQ-I-44EX隔爆型紅外線氣體分析儀，可實現單組份、雙組份氣體檢測，且可以同時分析三種氣體濃度，即兩路紅外測量和一路氧氣測量。該系統采用智能化數字處理技術實現氣體濃度的分析，雙氣路與雙通道的結構設計，有效提高了儀器的穩定性。并且采用大氣壓力補償，可降低環境大氣壓力變化對儀器測量的影響，電流環輸出和開關量輸出相互隔離，消除了外界各種干擾對儀器測量的影響，可用于工業流程和科學實驗室中在線分析CO、CO2、CH4、SO2和NO等氣體濃度監測，具有自動化程度高、功能強、操作簡便、靈敏度高、穩定性好、數字通信等特點[5-7]。

James將非分散紅外氣體分析儀應用于微電子氣相沉積過程中，金屬烷基酰胺前驅體的測量。利用非色散紅外分析儀可測量氣相沉積過程中金屬前驅體戊基(二甲基胺)的分壓，通過建立二甲基胺吸光度的函數，校準非色散紅外分析儀的光學響應密度，并在流動試驗中除去的物質質量之間的差異與流量，如重力測量和光學測定，在以上條件下可以檢測到二甲基胺[8]。植物表面附著的微藻與生物膜系統可以降低生物質回收的成本，是解決CO2問題的一種具有潛力的方法[5]。通過紅外氣體分析監測系統能夠精確測量藻類生物膜上的CO2固定能力，優化單細胞微藻的光合作用。通過考慮樣品氣體與參比氣體之間水蒸氣濃度的差異，對氣體分析儀進行了校正。校正后的CO2濃度與參比氣體的CO2濃度一致，可表征玻璃纖維膜過濾器上微藻的光合能力[9]。

張進美等將密封隔爆型EL6010紅外線氣體分析儀應用于殼牌煤氣化裝置中，主要進行CH4、CO2、CO的體積分數含量指標參數的測定，該系統測量的準確程度對煤氣化裝置的節能效率有重要影響。該企業從2018年引入了該監測技術，至今運行穩定[10-11]。廣東南方堿業2007年引進了兩臺FQ-B型紅外線氣體分析儀，儀器的測量濃度分別為50%和100%，用于測量碳酸化工序中、下段氣中的CO2濃度。通過對儀器調試、分析，發現中、下段氣體主要含有CO、NH3、H2S、CO2、水分等成分，當待測氣體進入儀表時，必須剔除能被紅外線氣體分析儀吸收的CO2以外的雜質，因而待測氣體的預處理是監測其他氣體成分的關鍵[12]。單元偉等采用紅外線氣體分析儀檢測甲烷濃度，檢測結果也卓有成效[13]。

3 紅外線氣體分析監測系統的校正與抗干擾措施

3.1 紅外線氣體分析監測系統的校正

儀器的不確定度分為A類不確定度與B類不確定度，A類不確定度由實驗標準偏差表征，而B類不確定度是基于經驗或概率分布估計的類似標準偏差表征。張煥鵬等采用Model-1080型紅外線氣體分析儀對甲烷測量的A類不確定度進行了評定。其不確定度主要來源于線性誤差、測量的重復性、零點漂移以及標準氣體稀釋裝置引入的不確定度。研究結果表明，Model-1080型紅外線氣體分析儀甲烷測量值的不確定度μ(γ)=2.72%，這為甲烷的不確定度的評價提供了一定的實踐基礎[14-16]。紅外氣體分析系統隨機誤差的排除需要操作人員定期對使用儀器進行校準，目前，煤礦在用ULTRAMAT-23與JSG-7型的紅外氣體分析儀，主要針對CO氣體的檢測。而已有的JSG型氣體分析儀具有可行的自我校準方法，而ULTRAMAT-23的校準仍然在探究階段，由于儀器校準規范的缺乏，使得該儀器的應用范圍受到很大的限制。為了解決ULTRAMAT-23在實際生產中的應用性，紀祥娟等采用不同濃度的氣體標準物質對該儀器進行實驗校準，進而可自主分析與評定該儀器測量的不確定度，發現儀器校正的結果較為合理，有利于ULTRAMAT-23儀器應用于生產實際[17-18]。

3.2 紅外線氣體分析監測系統的抗干擾措施

紅外線氣體分析儀進行煙氣測量時，由于煙氣成分的復雜性與水蒸氣等的影響，嚴重干擾了煙氣成分與含量的測量。胡體寶等針對煙氣氣體分析，提出低截止濾光片比較窄帶干涉濾光片具有較高的靈敏度。在接收器的光路末端使用反光片對水蒸氣具有較強的抗干擾作用。通過在接收器內加入特殊氣體可消除水蒸汽等的正向干擾，可調整合適的濃度使氣體之間正負抵消來消除蒸汽的干擾[19-20]。也有相關學者提出采用干涉濾光片作為參比氣室與測量氣室的窗口材料，通過干涉濾光片得到的較窄的通帶，根據其透過的波長調整鍍層材料的折射率厚度以及層次等加強儀器抗干擾能力[21]。

4 結語

紅外線氣體檢測在眾多行業中都有著非常廣泛的應用，如石化與煤礦企業，該監測系統在實際安全生產中實行性較強。近年來，近紅外光譜儀的高效性受到人們普遍關注，可用于有毒有害氣體與易燃易爆氣體成分與濃度的監測。該儀器的校準與抗干擾能力是其正常使用的必要條件，因而如何提高儀器自身的校準與抗干擾能力是紅外線氣體分析儀的重要發展方向。