紅外線氣體分析儀監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)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(shè)計(jì)、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(hù)等特點(diǎn)。紅外線氣體檢測在眾多行業(yè)中都有著非常廣泛的應(yīng)用，例如：易燃易爆氣體、有毒有害氣體濃度的檢測，該監(jiān)測系統(tǒng)對石油化工行業(yè)安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)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(jù)朗伯-比爾定律可知特征吸收強(qiáng)度與氣體濃度成正比例關(guān)系。紅外線氣體分析儀可連續(xù)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(jiān)測系統(tǒng)還結(jié)合了薄膜微音檢測和熱釋電檢測技術(shù)，非常適用于有隔爆要求的工程項(xiàng)目在線使用。

1 紅外線氣體分析儀器的分類與研究現(xiàn)狀

國內(nèi)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(jù)檢測器的類型可將國內(nèi)主流紅外線氣體分析儀劃分為光電導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)一定波段的電磁波。當(dāng)極性氣體分子如CO2、NH3、CO等子受到紅外光照射后，引起物質(zhì)的偶極矩變化，使得氣體分子的能級發(fā)生躍變，當(dāng)氣體分子固有頻率與紅外光譜中某一頻率相同時(shí)，這種氣體分子對紅外光譜的吸收率就會達(dá)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(fā)設(shè)計(jì)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(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，其響應(yīng)時(shí)間約1s，比傳統(tǒng)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(jìn)較少，而紅外線氣體分析儀智能化發(fā)展較為迅猛，使得儀器具備自動標(biāo)定與補(bǔ)償、自動識別圖譜、實(shí)效預(yù)測和自動進(jìn)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(wěn)定性、重復(fù)性以及消除其零點(diǎn)漂移性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明調(diào)節(jié)氣室長度，對該分析儀器量程進(jìn)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(wěn)定性、重復(fù)性以及零點(diǎn)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(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

長沙瑞控公司設(shè)計(jì)的JNYQ-I-44EX隔爆型紅外線氣體分析儀，可實(shí)現(xiàn)單組份、雙組份氣體檢測，且可以同時(shí)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(tǒng)采用智能化數(shù)字處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體濃度的分析，雙氣路與雙通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高了儀器的穩(wěn)定性。并且采用大氣壓力補(bǔ)償，可降低環(huán)境大氣壓力變化對儀器測量的影響，電流環(huán)輸出和開關(guān)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(yè)流程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中在線分析CO、CO2、CH4、SO2和NO等氣體濃度監(jiān)測，具有自動化程度高、功能強(qiáng)、操作簡便、靈敏度高、穩(wěn)定性好、數(shù)字通信等特點(diǎn)[5-7]。

James將非分散紅外氣體分析儀應(yīng)用于微電子氣相沉積過程中，金屬烷基酰胺前驅(qū)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(qū)體戊基(二甲基胺)的分壓，通過建立二甲基胺吸光度的函數(shù)，校準(zhǔn)非色散紅外分析儀的光學(xué)響應(yīng)密度，并在流動試驗(yàn)中除去的物質(zhì)質(zhì)量之間的差異與流量，如重力測量和光學(xué)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(tǒng)可以降低生物質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)能夠精確測量藻類生物膜上的CO2固定能力，優(yōu)化單細(xì)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(jìn)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(jìn)美等將密封隔爆型EL6010紅外線氣體分析儀應(yīng)用于殼牌煤氣化裝置中，主要進(jìn)行CH4、CO2、CO的體積分?jǐn)?shù)含量指標(biāo)參數(shù)的測定，該系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確程度對煤氣化裝置的節(jié)能效率有重要影響。該企業(yè)從2018年引入了該監(jiān)測技術(shù)，至今運(yùn)行穩(wěn)定[10-11]。廣東南方堿業(yè)2007年引進(jìn)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(diào)試、分析，發(fā)現(xiàn)中、下段氣體主要含有CO、NH3、H2S、CO2、水分等成分，當(dāng)待測氣體進(jìn)入儀表時(shí)，必須剔除能被紅外線氣體分析儀吸收的CO2以外的雜質(zhì)，因而待測氣體的預(yù)處理是監(jiān)測其他氣體成分的關(guān)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(jié)果也卓有成效[13]。

3 紅外線氣體分析監(jiān)測系統(tǒng)的校正與抗干擾措施

3.1 紅外線氣體分析監(jiān)測系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征，而B類不確定度是基于經(jīng)驗(yàn)或概率分布估計(jì)的類似標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了評定。其不確定度主要來源于線性誤差、測量的重復(fù)性、零點(diǎn)漂移以及標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋裝置引入的不確定度。研究結(jié)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(jià)提供了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)[14-16]。紅外氣體分析系統(tǒng)隨機(jī)誤差的排除需要操作人員定期對使用儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，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(zhǔn)方法，而ULTRAMAT-23的校準(zhǔn)仍然在探究階段，由于儀器校準(zhǔn)規(guī)范的缺乏，使得該儀器的應(yīng)用范圍受到很大的限制。為了解決ULTRAMAT-23在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用性，紀(jì)祥娟等采用不同濃度的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對該儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，進(jìn)而可自主分析與評定該儀器測量的不確定度，發(fā)現(xiàn)儀器校正的結(jié)果較為合理，有利于ULTRAMAT-23儀器應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際[17-18]。

3.2 紅外線氣體分析監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾措施

紅外線氣體分析儀進(jìn)行煙氣測量時(shí)，由于煙氣成分的復(fù)雜性與水蒸氣等的影響，嚴(yán)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(qiáng)的抗干擾作用。通過在接收器內(nèi)加入特殊氣體可消除水蒸汽等的正向干擾，可調(diào)整合適的濃度使氣體之間正負(fù)抵消來消除蒸汽的干擾[19-20]。也有相關(guān)學(xué)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(jù)其透過的波長調(diào)整鍍層材料的折射率厚度以及層次等加強(qiáng)儀器抗干擾能力[21]。

4 結(jié)語

紅外線氣體檢測在眾多行業(yè)中都有著非常廣泛的應(yīng)用，如石化與煤礦企業(yè)，該監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際安全生產(chǎn)中實(shí)行性較強(qiáng)。近年來，近紅外光譜儀的高效性受到人們普遍關(guān)注，可用于有毒有害氣體與易燃易爆氣體成分與濃度的監(jiān)測。該儀器的校準(zhǔn)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(zhǔn)與抗干擾能力是紅外線氣體分析儀的重要發(fā)展方向。