之前文章提到,激光法也會有交叉干擾,但它的抗交叉干擾能力確實(shí)要大大的優(yōu)于紅外技術(shù),可以說交叉干擾是紅外氣體分析最讓人頭疼的問題。
紅外氣體分析技術(shù)在長達(dá)幾十年的發(fā)展過程中,形成了多個不同的技術(shù)路線,能在工業(yè)在線分析應(yīng)用的常見方案包括以下幾種:
(1)熱釋電+短氣室+黑體光源(本文簡稱普通NDIR方案)
(2)大功率黑體光源+長光程氣室+硒化鉛探測器+相關(guān)輪(本文簡稱相關(guān)輪方案)
(3) 大功率黑體光源+短光程氣室+薄膜微音或微流傳感器(本文簡稱高精度方案)
具體可以參考我的公眾號文章《十分鐘成為紅外氣體分析專家》1、抗交叉干擾能力理論分析
我們以天然氣中的CO2測量為例來分析三種方法的抗交叉干擾能力。紅外CO2測量一般選用4.26um,如圖所示為hitran數(shù)據(jù)庫中查到的該波段CO2和甲烷的吸收波形。其中甲烷的吸收強(qiáng)度要弱4個數(shù)量級,因此高濃度的甲烷會對低濃度的ppm級的CO2測量產(chǎn)生影響。

圖1 甲烷與二氧化碳在4.26um處吸收
(1)普通NDIR方案抗干擾能力這類分析技術(shù)一般采用公用光路,在探測器上采用參考和測量兩個通道提高穩(wěn)定性。兩個通道采用窄帶濾光片,目前的濾光片常見的半寬為90nm。盡管氣體的吸收點(diǎn)是離散的,單從吸收譜線看濾光片無法避免這一干擾。因此普通NDIR方案的抗干擾能力最差。
(2)相關(guān)輪方案抗干擾能力相關(guān)輪方案中有一個相關(guān)輪,里面有兩個密封的腔,內(nèi)封氮?dú)夂虲O2(被測氣),通過相關(guān)輪的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)測量與參考。該方案只使用了一個4.26um的濾光片,用于排除雜散光。信號的產(chǎn)生是由于密封的高濃度CO2氣體先對光進(jìn)行吸收,氣室中的被測氣吸收的就少,另一個密封的氮?dú)鉀]有對光進(jìn)行吸收,氣室中的被測氣吸收的就多,兩者的差異產(chǎn)生了周期性信號。由于吸收點(diǎn)時離散的,當(dāng)有干擾氣甲烷時,只有和甲烷完全重合的CO2的譜線才會減弱甲烷譜線處的光能,因此氣室中有高濃度甲烷,產(chǎn)生的影響就要小得多,抗干擾能力也就強(qiáng)很多。

圖2 相關(guān)輪紅外原理
(3)高精度方案高精度方案中,微流和薄膜微音檢測器的抗干擾能力有所差異,我們先分析薄膜微音。與相關(guān)輪方案相比,可以理解為密封氣室從相關(guān)輪處移到了檢測器,并變成了前后結(jié)構(gòu)。因此薄膜微音相比普通NDIR也有更強(qiáng)的抗干擾能力。另外,薄膜微音檢測器的前后氣室結(jié)構(gòu),當(dāng)光進(jìn)入后氣室時,光能已被前氣室吸收大部分,剩余的光在后氣室會發(fā)生多次無規(guī)律反射,被后氣室的CO2所吸收。相比而言整個光路中,氣路中的干擾氣高濃度甲烷的吸收光程比CO2短很多,而GFC結(jié)構(gòu)中CO2和甲烷有著幾乎相同的吸收光路,因此總的來說薄膜微音結(jié)構(gòu)的抗干擾能力要優(yōu)于GFC方案。
對于微流方案來說,具體的抗干擾能力需要根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)來分析。

圖3 薄膜微音紅外原理
引自http://www.adev.com.cn/pdshowtwo/datumshow_279999.html
從理論分析看抗干擾能力,薄膜微音方案稍優(yōu)于GFC方案,GFC方案優(yōu)于普通NDIR方案,實(shí)際表現(xiàn)如何,我們設(shè)計試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。2、三種方案產(chǎn)品通氣測試
我們對三種方案的產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)際通氣試驗(yàn),三種產(chǎn)品分別是極善思傳感科技的量程100ppm的GFC方案產(chǎn)品(1號)和量程500ppm 的普通NDIR方案產(chǎn)品(2號),薄膜微音采用國內(nèi)某知名企業(yè)的100ppm薄膜微音CO2分析儀(3號)。
該測試雖然是針對特定產(chǎn)品進(jìn)行的測試,但基本代表了相同技術(shù)方案產(chǎn)品的抗交叉干擾能力。設(shè)計的試驗(yàn)同時對三個設(shè)備通入標(biāo)準(zhǔn)氣,記錄結(jié)果進(jìn)行對比。通入的標(biāo)氣及先后順序如下:(1)通高純氮?dú)饪戳泓c(diǎn)
(2)通入20ppm CO2,背景氮?dú)狻?br />(3)通入20ppmCO2,背景甲烷。
(4)通入20%甲烷,背景氮?dú)狻?br />(5)通入50%甲烷,背景氮?dú)狻?br />(6)通入80%甲烷,背景氮?dú)狻?br />(7)通入20ppm CO2,背景乙烷。
(8)通入20%乙烷,背景氮?dú)狻?br />(9)通入50%乙烷,背景氮?dú)狻?br />(10)通入80%乙烷,背景氮?dú)狻?br />(11)通入99.99%乙烷。
詳細(xì)測試數(shù)據(jù)請關(guān)注公眾號,發(fā)送聯(lián)系方式索要。從測量數(shù)據(jù)看,驗(yàn)證了前文的理論分析。
盡管存在一些交叉干擾,一般只需采用甲乙烷背景標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定即可使用,分析的結(jié)果可能會因?yàn)橐彝榈淖兓兓兓栽诠に囈蟮姆秶鷥?nèi),因此紅外CO2分析儀在天然氣行業(yè)仍然得到了廣泛應(yīng)用。
3、總結(jié)
紅外技術(shù)的交叉干擾是一個比較復(fù)雜的問題,什么時候可以讓步使用、什么時候需要精細(xì)補(bǔ)償、什么時候不能滿足要求等都需要根據(jù)具體問題進(jìn)行分析。
歡迎大家給我們提供場景和需求,我們將無償幫助分析問題與測試驗(yàn)證。