红外线气体分析仪监测系统的应用及抗干扰措施

李建玉(宁波恒逸工程管理有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

红外线气体分析仪是一种利用专用的分析软件与固件，设计、加工制备的便携式的气体测定仪器，具有高精度、高分辨率、长寿命、易维护等特点。红外线气体检测在众多行业中都有着非常广泛的应用，例如：易燃易爆气体、有毒有害气体浓度的检测，该监测系统对石油化工行业安全生产具有重要的实践意义。其原理是由于许多气体分子在红外波段存在特征吸收，根据朗伯-比尔定律可知特征吸收强度与气体浓度成正比例关系。红外线气体分析仪可连续分析混合气体中某种或某几种待测气体组份的浓度，而市面上所售的不分光红外线气体分析监测系统还结合了薄膜微音检测和热释电检测技术，非常适用于有隔爆要求的工程项目在线使用。

1 红外线气体分析仪器的分类与研究现状

国内常用的红外线气体分析仪由光源、滤光元件、检测器以及气室部分组成，根据检测器的类型可将国内主流红外线气体分析仪划分为光电导检测器型、微流量检测器型、微音薄膜检测器型和热释电检测器型四种。西门子公司的U23、日本岛津公司的URA-208A就采用的是微流量检测器型红外气体分析仪，重庆川仪的PA200与北分麦哈克QGS-08C采用的是微流量检测器型红外气体分析仪，上海宝英的C600采用的是光电导检测器型红外气体分析仪，而美国热电60i与北京凯尔MGA-3000采用的是热释电检测器型红外气体分析仪[1-2]。众所周知，红外线、紫外线、可见光均对应一定波段的电磁波。当极性气体分子如CO2、NH3、CO等子受到红外光照射后，引起物质的偶极矩变化，使得气体分子的能级发生跃变，当气体分子固有频率与红外光谱中某一频率相同时，这种气体分子对红外光谱的吸收率就会达到极限值，通过此原理可推断气体的成分[3]。

近年来，在红外线气体分析仪研究方面，重大突破是开发设计了近红外光谱仪。近红外光谱仪不仅高效、快速、无损，而且大大缩小了原有系统的响应时间，其响应时间约1s，比传统的采样式红外分析仪快20s。在传感器件与测量方法上的改进较少，而红外线气体分析仪智能化发展较为迅猛，使得仪器具备自动标定与补偿、自动识别图谱、实效预测和自动进行故障诊断等功能。中国石化公司针对如何提高红外线气体分析仪的线性稳定性、重复性以及消除其零点漂移性进行了研究，结果表明调节气室长度，对该分析仪器量程进行改造，即将仪器原有0～100µL/L的量程改为常量测量，与改造前相比，该仪器的稳定性、重复性以及零点均有所改善，因而该举措是行之有效的[4]。

2 红外线气体分析监测系统的应用

长沙瑞控公司设计的JNYQ-I-44EX隔爆型红外线气体分析仪，可实现单组份、双组份气体检测，且可以同时分析三种气体浓度，即两路红外测量和一路氧气测量。该系统采用智能化数字处理技术实现气体浓度的分析，双气路与双通道的结构设计，有效提高了仪器的稳定性。并且采用大气压力补偿，可降低环境大气压力变化对仪器测量的影响，电流环输出和开关量输出相互隔离，消除了外界各种干扰对仪器测量的影响，可用于工业流程和科学实验室中在线分析CO、CO2、CH4、SO2和NO等气体浓度监测，具有自动化程度高、功能强、操作简便、灵敏度高、稳定性好、数字通信等特点[5-7]。

James将非分散红外气体分析仪应用于微电子气相沉积过程中，金属烷基酰胺前驱体的测量。利用非色散红外分析仪可测量气相沉积过程中金属前驱体戊基(二甲基胺)的分压，通过建立二甲基胺吸光度的函数，校准非色散红外分析仪的光学响应密度，并在流动试验中除去的物质质量之间的差异与流量，如重力测量和光学测定，在以上条件下可以检测到二甲基胺[8]。植物表面附着的微藻与生物膜系统可以降低生物质回收的成本，是解决CO2问题的一种具有潜力的方法[5]。通过红外气体分析监测系统能够精确测量藻类生物膜上的CO2固定能力，优化单细胞微藻的光合作用。通过考虑样品气体与参比气体之间水蒸气浓度的差异，对气体分析仪进行了校正。校正后的CO2浓度与参比气体的CO2浓度一致，可表征玻璃纤维膜过滤器上微藻的光合能力[9]。

张进美等将密封隔爆型EL6010红外线气体分析仪应用于壳牌煤气化装置中，主要进行CH4、CO2、CO的体积分数含量指标参数的测定，该系统测量的准确程度对煤气化装置的节能效率有重要影响。该企业从2018年引入了该监测技术，至今运行稳定[10-11]。广东南方碱业2007年引进了两台FQ-B型红外线气体分析仪，仪器的测量浓度分别为50%和100%，用于测量碳酸化工序中、下段气中的CO2浓度。通过对仪器调试、分析，发现中、下段气体主要含有CO、NH3、H2S、CO2、水分等成分，当待测气体进入仪表时，必须剔除能被红外线气体分析仪吸收的CO2以外的杂质，因而待测气体的预处理是监测其他气体成分的关键[12]。单元伟等采用红外线气体分析仪检测甲烷浓度，检测结果也卓有成效[13]。

3 红外线气体分析监测系统的校正与抗干扰措施

3.1 红外线气体分析监测系统的校正

仪器的不确定度分为A类不确定度与B类不确定度，A类不确定度由实验标准偏差表征，而B类不确定度是基于经验或概率分布估计的类似标准偏差表征。张焕鹏等采用Model-1080型红外线气体分析仪对甲烷测量的A类不确定度进行了评定。其不确定度主要来源于线性误差、测量的重复性、零点漂移以及标准气体稀释装置引入的不确定度。研究结果表明，Model-1080型红外线气体分析仪甲烷测量值的不确定度μ(γ)=2.72%，这为甲烷的不确定度的评价提供了一定的实践基础[14-16]。红外气体分析系统随机误差的排除需要操作人员定期对使用仪器进行校准，目前，煤矿在用ULTRAMAT-23与JSG-7型的红外气体分析仪，主要针对CO气体的检测。而已有的JSG型气体分析仪具有可行的自我校准方法，而ULTRAMAT-23的校准仍然在探究阶段，由于仪器校准规范的缺乏，使得该仪器的应用范围受到很大的限制。为了解决ULTRAMAT-23在实际生产中的应用性，纪祥娟等采用不同浓度的气体标准物质对该仪器进行实验校准，进而可自主分析与评定该仪器测量的不确定度，发现仪器校正的结果较为合理，有利于ULTRAMAT-23仪器应用于生产实际[17-18]。

3.2 红外线气体分析监测系统的抗干扰措施

红外线气体分析仪进行烟气测量时，由于烟气成分的复杂性与水蒸气等的影响，严重干扰了烟气成分与含量的测量。胡体宝等针对烟气气体分析，提出低截止滤光片比较窄带干涉滤光片具有较高的灵敏度。在接收器的光路末端使用反光片对水蒸气具有较强的抗干扰作用。通过在接收器内加入特殊气体可消除水蒸汽等的正向干扰，可调整合适的浓度使气体之间正负抵消来消除蒸汽的干扰[19-20]。也有相关学者提出采用干涉滤光片作为参比气室与测量气室的窗口材料，通过干涉滤光片得到的较窄的通带，根据其透过的波长调整镀层材料的折射率厚度以及层次等加强仪器抗干扰能力[21]。

4 结语

红外线气体检测在众多行业中都有着非常广泛的应用，如石化与煤矿企业，该监测系统在实际安全生产中实行性较强。近年来，近红外光谱仪的高效性受到人们普遍关注，可用于有毒有害气体与易燃易爆气体成分与浓度的监测。该仪器的校准与抗干扰能力是其正常使用的必要条件，因而如何提高仪器自身的校准与抗干扰能力是红外线气体分析仪的重要发展方向。