红外线分析仪
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
（2-1）
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(N2、H2、 O2、 CL2、等)外， (CO、 CO2、 NO 、NO2 、SO2、 NH3)等无机物，CH4 、C2H4、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。
（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。武汉瑞恒工控公司的RH 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。
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。
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