红外仪简介

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1、红外分析仪的原理,仪表部：陈丙力,红外分析仪的原理,红外光的能量与分子振荡的能量相当。 近红外区光谱：0.78-2.5um。 中红外区光谱：2.5-40um。 远红外区光谱：40-1000um。 在分子中，根据量子力学理论，分子中存在电子能级和分子内原子间的振动和整个分子转动能级。当电子能级和振动-转动能级发生跃迁时，就会产生分子吸收光谱或分子发射光谱，表现为带状光谱。如果分子的能级由基态跃迁至激发态，产生吸收光谱：反之产生发射光谱。,红外分析仪的原理,电子能级跃迁吸收光谱位于紫外和可见光波段，（200-780）nm.1-20eV 分子内原子间的振动能级发生跃迁时吸收光谱位于近红外和中红外波段

2、（780nm-25um）。0.05-1eV.红外吸收光谱也称为分子震动光谱。 整个分子转动能级发生跃迁时，吸收光谱位于远红外和微波波段（25-10000）um。0.001-0.05eV,电磁波频谱,光谱区域,波数 (cm-1),电子激发,电子跃迁,分子跃迁,分子转动,106,105,103,102,104,107,10,1,X-射线,紫外线,红外线,微波,14,285,4,000,400,100,近红外,中红外,远红外,Absorbance,弱,强,红外分析仪的原理,分子不同能级间的跃迁，产生不同的分子吸收或发射光谱。振动能级跃迁所产生的电磁波谱处于中红外光谱区。 当特定的波长的红外光与分子相

3、遇时，如果光与分子不发生相互作用，则光随即通过该物质，不产生吸收光谱：,N2,Symmetrical Homonuclear Molecule:,dm/dx = 0 No IR Absorption Transparent,l = 2 - 25 m,红外分析仪的原理,如果光与分子以特定的方式发生相互作用，则物质吸收该波长的光。产生吸收光谱。这是我们称之为红外活性。,红外分析仪的原理,CO,红外分析仪的原理,将双原子红外活性分子看作是振动偶极子 当光子与样品中的分子相互作用时，会产生 两种结果。 1，光子的震动频率与分子的振动频率不匹配。 2，光子的频率与分子的振动频率相互匹配，此时分子就吸收光

4、子的能量，使偶极子的振幅增大频率不变。,分子振动,分子是由原子组成的,氢和氧原子,水分子,分子振动,: 伸缩振动和弯曲振动,对称振动 H-O-H,不对称H-O-H,弯曲振动 H-O-H,分子振动,在通常情况下，分子大多处于基态振动，分子吸收红外光从基态跃迁到第一激发态所产生的吸收带称为基频吸收带。 由基态到第二，第三，第四激发态的跃迁所产生的吸收带成为第一，第二，第三泛频吸收带。 如果从基态同时跃迁到多个第一激发态，所产生的吸收带称为组频吸收带。,几种气体分子的特征吸收波长,分子式 吸收峰波长UM CO 2.37 4.65 CO2 2.7 4.26 14.5 CH4 3.3 7.65 C2H4

5、 3.45 5.3 7 10.5 NH3 10.4 NO 5.2 SO2 7.3 H2O 2.0 2.8,红外分析仪的原理,非分光技术 其测量是基于在2.58UM中红外光谱区域特殊气体的不同原子的分子健间的谐振吸收。 被测量的各种气体依靠特定的吸收健来区分。每一气体有自己的吸收光谱。即（指纹）。 以下气体无自己的吸收光谱：单元子分子，如惰性气体。对称气体，如H2,O2,N2。这种气体无法用红外测量。 郎伯比尔定律：,红外分析仪的原理,A吸收的光能。 I0进入测量池的光能。 I1离开测量池的光能。 ()样品组分的消光系数。 样品组分的浓度。 L样品池的长度。,红外分析仪的分类,按红外光谱的特性分

6、类： 1， 分光型红外分析（色散型）。优点：选择性好，灵敏度较高。缺点：分光后，光束能量小（limas11,multiwave)。 2， 非分光型红外分析仪（非色散型）。灵敏度更高，信/噪比高，稳定性好。缺点：吸收峰有重叠。(Uras14,Uras26). 按检测器分类： 1，薄膜电容检测器。 2，微流量检测器。 3，半导体检测器。,红外分析仪的分类,按光学系统分： 单光路：Multiwave ,Limas11. 双光路：uras14.uras26,红外分析仪的组成,调制单元。 光源。 切光片。 切光马达。 气室。 标定池。 检测器。 加热器。 压力传感器。 Power module IR M

7、odule board. Sensor CPU Syscon board。,Uras 14 Diagram,Sensor electronic - board,RS 232,Internal Bus,Software e.g. 1.3.2,Detector specific dates EEPROM,Sensor CPU - board,60C,Sensor,Temp. Fuse,Heater,调制单元,调制单元,位置：附于主架上。 结构：1接受盘，2一个或两个光源，3切光片，4切光片和切光马达的连接，5电路板（光源电源接头，同步马达接头，光栅。），6 用以密封光源和调制 单元的O型圈）。 功

8、能：计算机控制同步马达驱动切光片，切光片交替的覆盖测量和参比气室。光线在每一周内交替的通过测量和参比气室各两次 ，红外检测器的信号通过安装在马达驱动轴上的标杆切割光栅来排列。通过把光调制，使测量信号更加稳定。,调制单元,光 圈,位置：光圈和其调节螺钉位于气室和调制单元之间的主架上。 结构：主架上通常安装有两个光圈。调节螺钉驱动其水平方向移动。 功能：光圈起遮光器的作用。用以调节光路平衡。,光 圈,光 源,红外光源： 按类型分类，单光源（ABB和SIEMENS)和双光源. 按发光体分类，陶瓷光源（ABB)，合金丝光源。激光光源（成本高，寿命短）。 ABB光源是陶瓷光源，抛物面反射体，寿命长，密封

9、隔爆。 为增长寿命，内部填充特殊气体。,光 源,光 源,切光片,切光片，把光源的光变成断续的光，对红外光进行调制，使检测器信号成为交流信号，便于放大器放大，可以改善检测器的响应时间特性。 两个内圈用于透过参比光，两个外圈用于透过测量光。,切光片,切光马达,切光马达,切光马达，频率7.3Hz.频率增高，灵敏度降低，原因：在一个周期内，接收到的辐射能减少，另外，气体的热量及压力传递跟不上辐射能的变化。,气 室,位置 ：位于带有调制单元的主架和检测器或校验单元之间。 结构：铝管,分两种类型。1 化学抛光，2 镀金。铝管中间有隔墙沿纵向把它一分为二。两端用红外窗口密封。一侧为参比侧（充氮气，完全密封）

10、。 ，一侧为测量侧，参比侧充入氮气。窗口材料（氟化钙）要求有良好的透射性能，不分光，不反射。要有一定的机械强度。不易破裂，不怕潮湿，能经受温度变化。对介质有良好的化学稳定性。,气 室,功能：1理想的光反射，2防腐蚀，3化学抛光气室提供较高的信号稳定性，尤其是用于烟气的测量，4反射特性在调柱平衡时给与纠正。5对于特殊的应用有特殊的气室。如流动参比气室，带虑波器的气室（滤波气室充有干扰气体）。 。,气 室,清理：拆下气室，对着阳光观察参比和测量侧，比较两侧是否接近，如果污染较严重，需要清洗，一般用，蒸馏水，酒精，丙酮等。 症状：偏移量太高。漂移较大。灵敏度降低。,气 室,气室,气室,气室,气室,气

11、室,滤波气室,位置：安装于气室和检测器之间或气室和标定池之间。 结构：滤波气室是镀金管，参比和测量由隔板分开，两侧由红外透光窗口分开。两个定位销用于滤波气室的定位。 功能：在测量和参比两侧，分别填充干扰气体。其吸收干扰范围的部分红外光。锐减交叉灵敏度。,滤波气室,光学滤波器,位置：根据测量任务，光学滤波器出于如下位置。1位于气室和红外检测器之间，2位于两个红外检测器之间，3位于标定单元和红外检测器之间。 结构：滤光片紧锢在金属圈中。安装位置不同，金属圈也不同。 功能：通过安装干扰滤波器，去掉干扰重叠部分的光谱。根据应用，此滤波器只允许一定波长范围的光通过。主要用于SO2,NO,N2O,CnHm

12、.,光学滤波器,标定池,标定池,位置：是一个可选部件，安装于气室和检测器之间，靠马达来驱动。 结构：其有四个气室，三个充氮气，一个充测试气。 功能：其用于标定量程，标定时要通零点气，如果一个光路有两个检测器，那么测试气要混合填充。,标定池,标定池,标定池,标定池的测试：目测，在正常测量和零点校验单元的滑块位于低位置。量程校准时把它移到高位置。,检测器,位置：位于气室的末端。根据应用，可以安装1-4个检测器，每一光路最多可以安装两个检测器。 结构：薄膜电容检测器：又称薄膜微音器，由金属薄膜动极和定极组成电容器，当接收气室的压力受红外辐射能的影响而变化时，推动动片相对于定片移动，把被测组分的变化转

13、化为电容量的变化。ABB检测器有两个气室，内部填充被测气体，气室是串联性的，它有两大优点：零点稳定，抗干扰能力强。预放大器和其在一起，测温元件在预放大器中，用以温度补偿。当有多个检测器时只有第一个检测器的测温元件被使用。有3个跨接线，分别为X1,X3,X10.,检测器,功能:光线进入检测器被所添充的气体吸收，通过分子碰撞把热能迅速转变为压力。压力的变化转变为电容的变化。通过高阻抗电路放大产生相应的MV信号，150V直流供电，主要的吸收发生在前室，在后室吸收两侧的光，这部分光与干扰组分叠加产生交叉灵敏度，较长的后室厚度吸收大部分的干扰光，其产生的压力正好与前室的相反，能够抵消一定数量的交叉灵敏度

14、。 特点：温度变化影响小，选择性好，灵敏度高。 缺点：薄膜易受机械震动的影响，调制频率不能提高。,检测器,ABB检测器是薄膜电容检测器。,微流量检测器,其测量微小气流，其传感元件是两个微型热丝电阻，和另外两个组成会斯通电桥，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，通过电桥转变为电信号。 热丝原件有两种，一种是栅状镍丝电阻，建成镍格栅(Siemens 120度)，它是把很细的镍斯编织成栅栏状，这种热丝垂直装配于气路中，为流量从格栅中间通过。另一种是铂丝电阻，在云母片上用超微技术，光刻上很细的铂丝制成，这种铂丝电阻平行装配于气路通道中，为流量从其表面通过

15、。 特点：耐震性能好。,微流量检测器,Siemens采用这一技术。,三明制的层状设计 1mm2 米面积内分布24根热丝 最小的交变流量 不使用膜式传感器 -,微流量检测器,0,15 mm,1mm2,气流,R1,R2,R2,R4,R1,R3,微流量检测器,特点: 无可动部件 没有可磨损的东西 没有麦克风效应 将流量线性地转化为电信号,温度调节电路板,位置：位于红外主架上。 结构：本电路板有两个加热电阻，温度传感器（NTC) 焊接到电缆上，一个电缆连接到位于护罩上的附加加热器。热熔短丝被卡子封于主架里。 功能：温度调节电路板用于控制光学部件的温度，尤其是气室，优点表现在以下方面：1 把温度的影响减少到最小，2 小量程测量，3减少其他外部原因产生的漂移。温度一般设定为55度，热熔短丝为85度。,温度调节电路板,测温元件的测试： 从Sensor cpu板上的X8 拔下4针插头，测量黄线和绿线，在25度时是10K欧姆。在55度实施3K欧姆。 热熔断丝的侧试：测量其电阻为连续值。,温度调节电路板,补充加热器罩,热熔断器,压力传感器,位置：根据分析模块的不同配置，压力传感器安装于不同的位置。 结构：压力传感器位于一块电路板上，其连接到红外板上。 功能：压力传感器测量样品池的压力，一般连接在样器排出口上。用于测量