爱华网一、概述
红外线是电磁波谱中的一段，介于可见光区和微波区之间，红外线的波长大于可见光线，其波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm 之间；远红外线，波长为6.0～l000μm 之间。
当它通过介质时，能被某些分子和原子所吸收，吸收的波带取决于分子和原子的结构。在整个电磁波谱中红外波段的热功率最大，红外辐射主要是热辐射，在红外线分析仪中，使用的波长范围通常在1~16μm之内。
由于各种物质的分子本身都有一个特定的振动和转动频率，只有在红外线光谱的频率与分子本身的特有频率一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能，该红外辐射的波长称为该种分子的特征吸收波长。（其实所谓特征吸收波长就是指特征吸收峰处的波长。）
下图为部分常见气体的红外吸收光谱图：
从图中可以看出，所有碳氢化合物对波长大约为3.4μm 处的红外线都表现出吸收特性，成为C-H键化合物谱振频率的集中点，所以不能从这个波长去辨别碳氢化合物，而要从其他波长去辨认。
二、红外线分析仪测量原理
红外线分析仪是基于被测介质对红外光有选择性吸收而建立的一种分析方法，属于分子吸收光谱分析法。
使红外线通过装在一定长度容器内的被测气体，然后通过测定通过气体后的红外线辐射强度来测量被测气体浓度。
根据朗伯-比尔吸收定律
式中 Ι0——射入被测组分的光强度
Ι——经被测组分吸收后的光强度
k——被测组分对光能的吸收系数
c——被测组分的摩尔百分比浓度
l——光线通过被测组分的长度（气室长度）
（2-1）式表明待测组分是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的，当kcl很小时，上式可简化为线性吸收定律
（2-2）式表明，当cl很小时，辐射能量的衰减与待测组分的浓度成线性关系。
为了保证读数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析仪的测量气室较短；当浓度低时，测量气室较长。经吸收后的光能用检测器检测，转换为被测浓度的变化。
下面以采用微音检测器的不分光型红外分析仪为例介绍红外线分析仪的基本结构和工作原理。
由光源发出一定波长范围的红外光，切光片在同步电机的带动下做周期性旋转，将红外线按一定的周期切割（即连续地周期性地遮断光源），使红外光变成脉冲式红外线辐射，通过测量气室和参比气室后到达检测器，在检测器内腔中位于两个接受室的一侧装有薄膜电容检测器，通过参比气室和测量气室的两路光束交替的射入检测器的前、后吸收室。在较短的前室充有被测气体，这里辐射的吸收主要发生在红外光谱带的中心处，在较长的后室也充有被测气体，它吸收谱带两侧的边缘辐射。
当测量气室通入不含待测组分的混合气体（零点N2）时，它不吸收待测组分的特征波长，参比气室也充有N2，红外辐射被前、后接受气室内的待测组分吸收后，室内气体被加热，压力上升，检测器内电容薄膜两边压力相等，电容量不变。
当测量气室通入含待测组分的混合气体时，因为待测组分在测量气室已预先吸收了一部分红外辐射，使射入检测器的辐射强度变小。
测量气室里的被测气体主要吸收谱带中心处的辐射强度，主要影响前室的吸收能量，使前室的吸收能量变小。被测量气室里的被测组分吸收后的红外辐射把前、后室的气体加热，使其压力上升，但能量平衡已被破坏，所以前、后室的压力就不相等，产生了压力差，此压力差使电容器膜片位置发生变化，从而改变了电容器的电容量，因为辐射光源已被调制，因此电容的变化量通过电气部件转换为交流的电信号，经放大处理后得到待测组分的浓度。
三、红外线分析仪的类型和特点
（一）红外线分析仪的类型
按是否把红外光变成单色光来划分，分为不分光型（非色散型）和分光型（色散型）两种。不分光型（NDIR）：光源发出的连续光谱全部投射到被测样品上，待测组分吸收其特征吸收波带的红外光。固定分光型（CDIR）：采用一套分光系统，使通过测量气室的辐射光谱与待测组分的特征吸收光谱相吻合。
按光学系统来划分，可分为双光路和单光路两种。双光路：从两个相同的光源或者分配精确的一个光源，发出两路彼此平行的红外光束，分别通过几何光路相同的分析气室、参比气室后进入检测器。单光路：从光源发出单束红外光，只通过一个几何光路，但是对检测器而言，接受到的是两个不同波长的红外光束只是它们到达检测器的时间不同而已。
按使用的检测器类型来划分，分为气动检测器和固体检测器。气动检测器有薄膜电容、微流量检测器，气动检测器是靠气动压力差工作的。薄膜电容检测器中的薄膜振动就是靠这种压力差来驱动的，微流量检测器中的流量波动也是由这种压力差引起的。这种压力差来源于红外辐射的能量差而这种能量差是由测量光路和参比光路形成的，气动检测器一般和双光路系统配合使用。固体检测器包括光电导检测器和热释电检测器，检测元件为固体器件，固体检测器直接对红外辐射能量有响应，对红外辐射光谱无选择性，它对待测气体特征吸收光谱的选择性是借助于窄带干涉滤光片实现的。
按检测组分的数量来划分，有单组分和多组分两种。
（二）红外线分析仪的特点
（1）能测量多种气体除了单原子的惰性气体（He、Ne、Ar等）和具有对称结构无极性的双原子分子外，等无机物，等烷烃、烯烃和其他烃类及有机物，都可以用红外线分析仪来测量。
（2）测量范围宽可分析气体的上限达100%，下限达几个ppm的浓度，当采取一定的措施后，甚至可以进行痕量（ppb 级)的分析。
（3）灵敏度高。
（4）测量精度高，一般都在±2%FS，不少产品能达到±2%FS。
（5）反应快，反应时间T90一般在10s 以内。
（6）红外线分析仪有良好的选择性，特别适合对多组分混合气体中某一待测组分的测量，而且当混合气体中一种或几种组分的浓度发生变化时，并不影响对待测组分的测量。
四、红外线分析仪的主要部件
红外线分析仪由发送器和测量电路两大部分构成，发送器是红外线分析仪的“心脏”，它将被测组分的浓度变化转化成某种电参数的变化，再通过相应的测量电路转换成电压或电流输出。发送器又由光学系统和检测器组成，光学系统的构成部件主要有：红外辐射光源组件，包括红外辐射光源、反射体和切光（频率调制）装置；气室和滤光元件，包括测量气室、参比气室、滤波气室和干涉滤光片。
（一）红外辐射光源
按发光体种类分，光源有合金丝光源、陶瓷光源、半导体光源等。按光能输出形式分，有连续光源和断续光源两类。按辐射光谱的特征来分，有广谱（宽谱）光源和干涉光源。从光路结构考虑，有单光源和双光源之分。红外线分析仪对光源的要求：
①辐射的光谱成分要稳定；
②辐射的能量大部分集中在待测气体特征吸收波段；
③辐射光最好能平行于气室中心入射；
④光源寿命长，热稳定性好，抗氧化性好，金属蒸发物要少；
⑤光源灯丝在加热过程中不能释放有害气体。
典型的红外线辐射源是由镍铬合金或钨丝绕制成的螺旋丝，用低电压源加热，温度升至600～800℃之间发出暗红色光，发射出0.7～7μm的连续波长的红外光。
（二）反射体和切光（频率调制）装置
（1）反射体
反射体的作用主要是保证红外光以平行的形式发射，减少因折射造成的能量损失。因此对反射体的反射面要求很高，表面不易氧化且反射效率高。反射体一般采用平面镜或抛物面镜。
（2）切光（频率调制）装置
切光装置包括切光片和同步电机，切光片由同步电机（切光马达）带动，作用是把光源发出的红外光变成断续的光，即对红外光进行频率调制。调制的目的是使检测器产生的信号为交流信号，便于放大器放大，同时改善检测器的响应时间特性，理论和实践表明：切光频率一般应取在5~15HZ范围内。
常见的光源和切光片为下图所示：
（三）气室和窗口材料（晶片）
（1）测量气室和参比气室
测量气室和参比气室的结构基本相同，外形都是圆筒形，筒的两端用晶片密封。也有测量气室和参比气室各占一半的“单筒隔半”型结构。测量气室连续地通过被测气体，参比气室完全密封并充有中性气体（多为N2）。
（2）窗口材料（晶片）
晶片通常装在气室两端，要求必须保证整个气室的气密性，具有较高的透光率，同时也能起到部分滤光的作用。因此，晶片应有高的机械强度，对特定的波长段有较高的“透明度”，还要耐腐蚀、潮湿、抗温度变化的影响等。窗口所使用的晶片材料大多为氟化钙（CaF2)和熔融石英晶片。
晶片上沾染灰尘、污物、起毛等都会使仪表的灵敏度下降，测量误差和零点漂移增大。因此，必须保持晶片的清洁，可用擦镜纸或绸布擦拭，注意不能用手指接触晶片表面。
（四）滤光元件
红外光是所谓的广谱辐射，比被测组分的吸收波段要宽得多，此外被测组分的吸收波段与样气中某些组分的吸收波段往往会发生交叉甚至重叠，从而对测量带来干扰。因此必须对红外光进行过滤处理，即滤光或滤波，常用的滤光元件有滤波气室和干涉滤光片两种。
（1）滤波气室
早期红外采用，现在仍然使用，滤波气室和参比气室的结构一样，但长度要短。滤波气室内部充有干扰组分气体，吸收其相应的红外能量以抵消（或减少）被测气体中干扰组分的影响。例如CO分析仪的滤波气室内填充适当浓度的CO2和CH4，可以将光源中对应于这两种气体的红外波长吸收掉，使光源中不再含有这些波长的辐射，就会消除测量气室中的CO2和CH4干扰影响。
（2）干涉滤光片
滤光片是一种形式最简单的波长选择器，它是基于各种不同的光学现象（吸收、干涉、选择性反射、偏振等）而工作的，它仅使具有特征吸收波长的红外辐射通过。特点是通带很窄，滤波效果很好，它可以只让被测组分特征吸收波带的光能通过，通带以外的光能几乎全部滤除掉。厚度和体积小，不存在泄漏问题。一般干扰组分多时采用干涉滤光片。缺点是由于通带窄，透光率不高，到达检测器的光能小，灵敏度较低。
（五）检测器
红外线分析仪使用的检测器目前主要有四种：
（1）薄膜电容检测器
又叫作薄膜微音器，有金属薄膜动极和定极组成电容器，当接受气室内的气体压力受红外辐射能的影响而变化时，推动电容动片相对于定片移动，把被测组分的浓度变化转变成电容量的变化。
薄膜电容检测器是红外线分析仪长期使用的传统检测器，目前使用仍然很多，特点是温度变化影响小、选择性好、灵敏度高，但检测器必须要密封并按交流调制方式工作。缺点是金属薄膜易收机械振动的影响。接收气室如果漏气，哪怕是微漏也会导致检测器失效。
（2）微流量检测器
微流量检测器是一种利用敏感元件的热敏特性测量微小气体流量变化的新型检测器。其传感元件是两个微型热丝电阻和另外两个辅助电阻组成的惠斯通电桥。热丝电阻通电加热到一定温度，当有气体流过时，带走部分热量使热丝元件冷却，电阻变化，通过电桥转变成电压信号。
（3）光电导检测器
光电导检测器是利用半导体光电效应的原理制成的，当红外光照射到半导体元件上时，它吸收光子能量后使非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从而降低了半导体的电阻，引起电导率的改变，所以又叫半导体检测器或光敏电阻。
（4）热电检测器
热电检测器是基于红外辐射产生热电效应的原理的一类检测器。一类是把多支热电偶串联在一起形成的热电堆检测器；另一类是热电晶体的热释电效应（晶体极化引起表面电荷转移）为机理的热释电检测器。
五、测量误差分析
1、背景气中干扰组分造成的测量误差
所谓干扰组分就是指与待测组分特征吸收波带有交叉或重叠的其他组分。为了消除干扰组分的干扰，准确检测待测组分的浓度，可采取多种措施，如设置滤波气室、或干涉滤光片，使这些干扰组分特征吸收波带的光在进入测量气室或检测器之前就被吸收掉，只让待测组分特征吸收波带的光通过。
水分干扰：水分广泛存在于工艺气体中，生产状态的变化，预处理运行的变化，环境温度、压力的变化，都会使进入分析仪中的气样的含水量发生变化。水分在1~9μm波长范围内几乎有连续的吸收带，其吸收带和许多组分特征吸收波带重叠在一起。当两者的吸收波带重叠时，即使采取前述措施，也难以消除水分干扰带来的测量误差。因为这些措施对水分和被测组分的作用是完全相同的，由于气样中水分的含量会随时变化，所以很难估计其对测量误差的影响。减少或降低水分对待测组分的干扰，目前的有效办法是在预处理系统中除水脱湿，降低气样的露点。常用的办法是采用带温控系统的冷却器降温除水。
近年来，为解决不同组分之间的交叉干扰和重叠干扰，采用模块化多组分分析仪，模块化多组分析仪可以同时测量多种气体组分，因此可以通过计算来消除不同组分之间的干扰测量。西克麦哈克公司的S700型分析仪就具有这种自动校正功能。典型的例子是：测量SO2 和NO 的红外分析模块增加了H2O 的测量功能，用H2O的测量值对SO2、NO 的测量值进行动态校正。测量H2 的热导模块，可同时测量CO2，用CO2 的测量值对H2的测量值进行动态校正。
2、样品处理过程可能造成的测量误差
红外线分析仪的预处理系统承担着除尘、除水和温度、压力、流量调节等任务，处理后应使样品满足仪表长期稳定运行的要求，样品的温度、压力、流量恒定。当样气中含水量较大时，主要危害有以下几点：
（1）样气中存在水分会吸收红外辐射，从而给测量造成干扰。
（2）当水分冷凝在晶片上时，会产生较大的测量误差。
（3）水分存在会增强样气中腐蚀性组分的腐蚀作用。
（4）样气除水后可能造成样气的组分发生变化。
高含水的气样温度降至室温、过饱和的水析出后，各组分的浓度均会发生变化。若气样中有一些易溶于水的组分，这些组分被水部分溶解，会使个组分的浓度变化更大。工艺要求检测的浓度指标一般是指不含水分的“干气”中的含量，而经过预处理后的气样中水分不可能完全除掉，仍将占有一定的比例。随着预处理运行状况的变化，环境温度、压力的变化，气样中水含量亦随之变化，一些极性较强的组分如CO2、SO2、NO等，随着水温、气样压力及水气接触时间长短的不同而有不同的溶解度。为了降低样气含水的危害，在样气进入仪器之前应先通过冷却器降温除水（最好降至5℃以下），降低其露点，然后伴热保温，使其温度升高至40 ℃左右，送到分析仪进行分析。
由于红外线分析仪恒温在50 ℃ ~60 ℃下工作，远高于样气的露 点温度，样气中的水分就不会冷凝析出了。
注意：不可采用水洗的办法对高温高含水样品加以处理，因为水洗时样气中易溶组分与水充分接触，会加大其溶解度，洗涤水中的溶解氧也会析出，从而导致样品组成的更大变化。
有时也采用干燥剂（如硅胶、分子筛、氯化钙或五氧化二磷）对低湿样品进行处理，但应慎重，因为干燥剂往往同时吸附其他组分，吸附量又易收环境温度压力变化的影响，弄不好反而会增大附加误差。
3、电源频率变化造成的误差
不同型号的红外线分析仪切光频率是不一样的，它们都是通过同步电机经齿轮减速后带动切光片转动。一旦电源频率发生变化，同步电机带动的切光片转动频率也发生变化，切光频率降低时，红外辐射光传到检测器后有利于光能的吸收，有利于提高仪表的灵敏度，但响应时间减慢。切光频率增高时，响应时间增快，但仪器的灵敏度下降。仪表在运行时，一旦供电频率变化超过仪表规定的范围，灵敏度将发生较大的变化，使仪表输出示值偏离正常示值。所以红外线分析仪供电电源要求频率稳定，波动不能超过±0.5HZ。
4、不正确接地造成的影响
现在的仪表内部通常都不止一个电源，而且有些电源还是相互隔离的，其电源回线即地线根据工作性质不同区分为模拟地、数字地、信号地、保护地等，多种电源及其地线交织在一起，处理不好会引起仪表的测量误差，甚至无法测量。所以仪表或系统的正确、良好接地很重要。
5、环境温度和大气压力变化造成的影响
红外线分析仪检测过程需在恒定的温度下进行。环境温度发生变化将直接影响红外光源的稳定，影响红外辐射的强度，影响测量气室连续流动的气样密度，还将直接影响检测器的正常工作（检测器的输出阻抗下降）。
红外分析仪内部一般设有温控装置和超温保护电路，即使这样，环境温度变化特别在夏季对仪器的测量还是有影响的，最好安装在小屋内并设置空调。另外，如果没有必要，不要轻易打开分析仪箱门，一旦恒温区域被破坏，需较长时间才能恢复。
大气压力在同一个地区、同一天都会有变化，大气压力的变化，对气样放空的流速有直接影响，会使气室中气样的密度发生变化，从而造成附加误差。对一些微量分析或测量精确度要求很高的仪表，可增加大气压力补偿装置，以消除这种影响。对于中间量程（如测量范围90%~100%）的红外分析仪，压力变化不但对灵敏度有影响，对“零点”也有影响，必须配置大气压力补偿装置。
6、样品流速变化造成的影响
样品的流速其实跟压力是紧密关联的，预处理系统运行中由于堵塞、带液或压力调节系统工作不正常，会造成气样流速不稳定，使气室中的气体密度发生变化，产生测量误差。为了减少流速波动造成的测量误差，取样点应选择在压力波动较小的地方，预处理系统设置稳压装置，能在压力波动较大条件下正常工作，并能长期稳定运行。分析尾气放空排放管道不能安装在有背压、风口或易受扰动的环境中，放空排放管道最底点应设置排水阀。最好在检测气室出口设置背压调节阀门或性能稳定的气阻阀，以提高气室背压，减少流速变化对测量的影响，还可以提高仪表的灵敏度。
在日常维护中应定期检查气室的放空流速，一旦发现异常，应找出原因加以排除。
六、仪表的调校、维护和检修
（一）调校
红外线分析仪一般调校内容主要有以下三项。
1、相位平衡调整
相位调整，就是调整切光片轴心位置，使其处在两束红外光的对称点上，要求切光片同时遮挡或同时露出两个光路，即所谓同步。使两个光路作用在检测器气室两侧窗口上的光面积相等。相位调整的标志就是在仪表的测量气室中通入零点样气（一般为N2）的情况下，使检测器的输出信号最小。
2、光路平衡调整
光路平衡调整，就是调整参比光路上的偏心遮光片（也称挡光板、光闸），以改变参比光路的光通量，使测量、参比两光路的光能量相等。
在调整光路平衡时，也是在仪表的测量气室中通入零点样气。来调整装在检测器上的遮光板的位置，遮光板位置的改变，可以控制红外辐射光到检测气室中能量的大小（光强的大小），从而使两束红外辐射光强相等。光路平衡调整的标志就是在仪表的测量气室中通入零点样气（一般为N2）的情况下，使检测器的输出信号最小。
3、零点和量程校准
分别通入零点气和量程气，反复校准仪表的零点和量程。
现在有些红外分析仪内部带有校准气室，填充一定浓度的被测气体，产生相当于满量程标准气的信号，可以不需要外部标准气就可以实现仪表的校准。校准时，传动电机将相应的校准气室送入光路，此时仪表的测量池必须同高纯N2。
对于用户来说，日常维护经常进行的工作是仪表的零点和量程的校准，这种校准是以相位和光路平衡为前提条件的。仪表在出厂前，生产厂家已经对相位和光路平衡进行过全面调校，实际使用过程中，相位平衡一般不会发生变化，而光路系统由于受各种因素影响（气室污染、泄露以及更换检测器、气室、光源、滤光片等），可能出现失衡现象，造成零点和量程的漂移，严重时甚至无法通过校准加以消除，此时就需要进行光路平衡调整。
（二）日常维护
1、定期标定
分析仪进行正常工作以后，一般是每3 个月要用标准气校验一次。标定时先通N2检查分析仪零点，再通入量程气检查分析仪的范围。如果分析仪的零点和范围与标准气偏差较大时，可按相应分析仪的校验中所规定的步骤，校正零点和范围。
2、取样系统的维护
（1）定期清洗或更换过滤器。
（2）每天按时巡检，检查样品气的流量、压力、温度是否符合要求。
（3）每天检查样品管路连接处有无泄漏，特别是对有毒的、可燃性的样品，应特别注意。
3、仪表气室单元的维护
（1）采样单元在当基准检测器信号降到它的原始值的50%以下（现场通常是标定无法消除偏差）时，就应该拆下来清洗。
（2）采样单元的窗口的清洁应利用脱脂棉、镜头纸、洗涤剂或合适的溶剂（例如异丙醇）来进行。要避免使用腐蚀性的清洗化合物，因为这些物料会损坏光学表面。
（3）窗口应保持光学清洁，即无污垢、划痕、灰尘、指纹等等，在处理窗口时建议带上棉手套或指套。
七、红外线分析仪的故障处理
红外线分析仪种类很多，故障原因及处理方法不尽相同，下表仅供参考。
常见故障与处理
