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西门子ULTRAMAT 6型气体分析仪在空分行业的应用


前言：
对于现代空分制氧机而言，绝大多数都是采用分子筛吸附净化原料空气中的水份、二氧化碳、乙炔及部分碳氢化合物。一般而言环境空气中的二氧化碳含量在300—400ppm(V/V)之间，经分子筛吸附后，空气中应小于1.0 ppm(V/V)，如何检测出含量如此之低的二氧化碳是判断分子筛的吸附能力及使用周期的重要依据，同时也是制氧机安生生产的光键之一。

一、红外线的检测原理：
一切物质都在不停的接收和辐射红外线，物体的温度越高，辐射出的红外线就越多。红外线是一种电磁波，波长为0.75～1000μm，介于可见光与无线电波之间，因其在可见光红光之外而得名，分近（0.75～1.50μm）、中（1.50～6.0μm）、远（6.0～l000μm）红外线。由于各种物质的分子本身都固有一个特定的振动频率，只有在红外光谱的频率与分子本身的振动频率相一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。所以各种气体或液体并不是对红外光谱范围内所有波长的辐射能都有吸收，而是具有选择性，即不同的分子混合物只能吸收某一波长范围内的红外辐射能。例如：CO2在2.7um，4.3 um，14—15 um；SO2在4.1um，7.4 um，8.7 um； CO：2.3um；CH4在10—11um时对红外线均有较大的吸收（透过率在0—5%）。从而导致红外线通过这些物质时，其中一些频率的红外光的强度大为减弱甚至消失。而一些单质分子气体，例如：N2, O2, H2, CL2 和所有的稀有(惰性)气体He, Ne, Ar, Kr, Xe等则对红外线无任何吸收。当红外线作用于物质时，红外线的辐射能如若被物质所吸收，则会转换成其他形式的能量，气体在吸收红外辐射能之后，温度会有所升高，压力也就上升。利用这种转换关系就可以确定物质吸收红外线辐射能的多少，从而确定物质的含量。其具体关系符合光的吸收定律又称作朗伯—比尔定律，即红外线通过物质前后的能量变化随着被测组分浓度的增加而以指数下降，其表达式为：
I=I0e-KCL 
式中：  I--红外线通过介质后的辐射强度          I0--红外线通过介质前的辐射强度；
         K--待测组分的吸收系数；                C--待测组分的浓度；
         L--红外线通过待测组分的长度(被测气体层的厚度)
    当测量组分已确定，即待测分析组分对辐射波段的吸收系数K确定；红外光源已定，即红外线通过介质前的辐射强度I0一定；红外线通过待测组分的长度L一定。从比尔定律可以得出通过红外线通过介质后的辐射强度I与待测组分的浓度C成一定的比例关系。

二、ULTRAMAT 6型气体分析仪检测器的构造：
ULTRAMAT 6型气体分析将测量系统是一个双通道型红外线接收装置，内部设有红外光源、分光器、斩波器、检测器、光耦合器、分析气室、其具体构成如下（图1）所示：
红外光源：红外光源为带一根电阻丝的圆形陶瓷板，独立的负载电源通过约为0.5A(11W)的电流将之加热到700℃。红外光源的外壳被密封得不透气，但也可为某些特
定需求提供一个吸收气室（以掩蔽被测验气体中某种特定气体的干扰）。一个表面镀铝的滤光片前置于红外光源。红外光源可上下左右有限制的移动。 分光器：分光器主要是将红外
光束分为测量光束和参比光束。并可在分光器内充满特定的气体，就可兼作滤波器用（吸收特定的某一波段的红外线）。斩波器：斩波器为黑色转动圆盘，可将持续的将光束切成交变光束。通过边缘不对称的设计来平衡圆盘，同时它也是控制相位整流并提供截断方波电压的挡光板。斩波器由电流驱动，该电流由磁线圈在圆盘中感应而生成(频率1kHz)。并可以修正频率的速率(10 ~ 15Hz)，因而也就可以通过调整一对线圈的电压相位来控制频率的速率（使用数字控制）。
检测器：使用一定浓度的待测气体将检测器填充密封，分左右及上下两层。待测气体会吸收红外脉冲辐射并受热膨胀，从而导致压力升高，产生一个流经微流量传感器的流量（两个微型热镍电阻)，通过测得电阻值的变化来评估出信号。对于双红外通道（2R），两个检测器之间是串接联系，在它们中间会安装一个零点调节器，允许对两个检测器分别进行标定。它主要作用于第一个检测器(从红外光源处看去)，第二个检测器只受到微弱的影响。 特别型号的分析仪在零点调节器和后面的检测器之间会安装一个提供两个光学过滤器的对偶滤波器。
光耦合器：光耦合器延长了下层接收气室的光程长度。通过改变旋杆的位置来改变第二层接收气室层的红外吸收，从而可以将各个干扰组分的影响分别降到最低。对于双红外通道，光耦合器主要作用于第二检测器(从红外源处看去)。某些特定型号的分析仪会将光耦合器填满干燥剂，从而避免由环境湿度的变化而引起的测量误差。
分析气室：分析气室包括取样部分和参比部分。参比部分通常会充满N2并设了一个可以吸收水蒸气的吸收腔。根据待测气体的浓度（量程），气室设计成各种不同光程（长度）：0.2mm、0.6mm、2.0mm、6.0mm、20mm、60mm、90mm 以及 180mm。待测气体浓度(%)和气室长度(mm)之积为测量提供了一个重要的基准值(%mm)，例如，特性与灵敏度中的下降度（斜率）。长度在20 ~ 180mm的气室内衬0.2mm的纯铝薄片，特殊情况下也可用钽来代替纯铝薄片。气室可以打开清洗，使用例如：酒精、乙醚、蒸馏水作为清洗剂，用一块缠绕在洗瓶圆刷上的无棉布（尼龙）作为清洗物。
微流量传感器：双层镍网平行设计，使用绝热网将其固定，镍网之间相距0.15毫米；每层镍网面积1mm2 ，内分布24根热丝，每层镍网都连接一个电阻共同构成一个惠斯登电桥。当给桥臂两端加上一定电压时，通过的电流将把镍网加热到100—120℃。当没有气流时，两层镍网的温度相同，它们的电阻也就相同，在电桥对角线处也就没有电压信号从电桥输出。当有气流通过微流量传感器时，将会产生一个温度梯度——气流经过的第一层镍网被冷却，而第二层的温度相对较高，这个温度差异导致每层镍网的电阻值各不相同，从而也就在电桥对角线形成一个电压，而这个电压值又正比于气流的大小。这样就将微小的交变气流流量线性地转化为电信号，从而进行测量。因其不使用膜式传感器 不会发生麦克风效应，并且没有任何的运动部件也就不可能产生任何磨损的零件。

三、ULTRAMAT 6型气体分析仪的测量原理：
ULTRAMAT 6型气体分析仪的测量原理是基于特定分子具有特定的红外光吸收波段，使用交替的红外双光束并利用双层检测气室和光耦合器来进行待测物质浓度的测量。高选择性地测量红外吸收波断在2—9um范围内的气体，例如CO，CO2，NO，SO2，NH3，H2O，CH4以及其它碳氢化合物。利用一个被加热到大约 700℃ 的红外光源（波长2—9um并可以左右移动以平衡光路系统）发出的红外光被分光器（分光器同时也可以起到滤波气室的作用）分成两路相等的光束（样气光束和参比光束），在斩波器的作用下交递性的通过参比池和样品池。当红外光通过参比池时，因参比池内充满高纯氮气，而氮气是不会吸收红外光气体，因而参比光束几乎毫无衰减的到达右侧检测器，在被检测器右侧内的气体（内充满了特定浓度的待测气体）吸收了大部份红外光后，剩余一小部份通过光耦合器反射至检测器左侧下部吸收。当红外光通过样气池时，在样气池内若有待测组份，红外光将会被待测组份产生一定的吸收，导致红外光发生一定的衰减后到达左侧的检测器。而被检测器左侧吸收后剩余的红外光也会由光耦合器反射至右检测器下部吸收。由于红外线在斩波器的作用下是交递性的通过样品池（先）和参比池（后）。当检测器左侧内的气体吸收红外线辐射并受热膨胀，从而导致压力升高，但检测器右侧此时未能有红外线通过，右侧内的气体温度及气压会下降。因而检测器左、右两侧的气体会相互吸收、抵消（在A和B处）。详见下图2：

但由于检测器上、下两层所吸收的红外线程度不同，将会在上、下层之间形成一个随斩波器频率一致的压力差，从而产生一个脉冲流量。当样品池中无样气存在时，检测器左右两侧所接收到的线外线辐射将一致，所产生的流经微流量传感器的流量（两个微型热镍电阻)的脉冲幅值将相等。而当样品池中有样气存在时（红外线产生衰减），检测器左右两侧所接收到的红外线辐射将发生偏差，偏差对应样气中的被测组份含量，所产生的流量脉冲幅值也将发生变化。此变化由一个相位控制整流器转换成电流信号，从而对被测组份进行测量（详见下图3）。


四、ULTRAMAT 6型气体分析仪的维护：
  1、 ULTRAMAT 6型气体分析仪本身具备强大的自诊断功能，可根据相关的故障代码提示进行维护、维修工作。
  2、 仪器应属高精密型光学电子设备，无论是否在开机状态，都应防震、防潮。
3、 被测气体应洁净并且干燥，因水蒸汽对红外线有较强的吸收，从而可能造成较大的测量误差。
  4、 仪器在运行一断时间后，当发生测量信号传输故障，或参数误输导致混乱。在可靠断电后未能恢复时。可从新引导用户程序（功能75），从而获取参数；若仍无法恢复，便引入厂家设置参数（功能75）。
  5、 仪器在校正零点时，若产生一个“零点调节储存耗尽80%（W2）”时；可在通入零气的情况下，先引入厂家设置参数（功能75），后再适当的调节红外发光源的位置。通过“诊断数据”菜单获取E(f)数据（功能2）。当E(f)值为±1000以内时便可。后固定红外发光源，从新进行零点校正（仪器初次投用校正时此点较为重要）。
  6、 如安装环境比较嘈杂，噪声较多（大型气体压缩设备附近），导致测量值波动。可适当的使用“电气常数”菜单（功能50）和“抑制噪音信号”菜单（功能76）相互配合进行调节，对噪音进行抑制和屏蔽。

总结：ULTRAMAT 6型气体分析仪作为一种非分光红外线测量原理的仪器，具有精度高，灵敏性好，线性范围宽的特点。并且自身所具有的仪器自检、诊断功能非常强大。维护、维修工作也较为简单。本厂共有四台该类型气体分析仪，已不间断在线使用了五年，一直较为稳定，是空分行业二氧化碳分析的首选仪器之一。


参考文献：  《自动检测技术》        宋文绪  杨帆  主编  高等教育出版社
     

气体分析的，有吗

原文由 风笑天(v2760755) 发表:

气体分析的，有吗

上面都是气体分析仪。