红外线气体分析仪在烟气自动监测系统中的应用

赖春林

摘 要：红外线气体分析仪具有准确度高、稳定性好、操作简单等优点，可广泛应用于各大企业的烟气污染物排放检测领域，为企业和环保部门制定决策提供科学的依据。本文主要围绕红外线气体分析仪的测量原理、测量方式、技术及其应用进行阐述，希望能为读者提供一定的参考。

关键词：红外线；NDIR；烟气；监测

0 引言

工业发展带来经济腾飞的同时，也给环境带来极大的负担。环境污染，尤其是大气污染程度不断加深，严重影响了人们的正常生活和身体健康。固定污染源烟气的排放是大气污染气体的主要来源之一，研发具有实时性、智能化、稳定性好、可靠性高且操作简单的烟气监测系统，对于我国烟气自动监测系统的发展，控制烟气中污染物质的排放具有实际意义。

1 红外线气体分析仪在烟气自动检测系统中的应用

1.1 测量原理 我国当前使用的气体分析仪器在监测范围、测量精度、组分分析方面，存在较大的局限性，而新型的非分散红外线（NDIR）技术，则能实现对多组分烟气浓度的检测，该技术检测原理为气体红外吸收，在测量过程中无需消耗物质，因此具有使用寿命长、稳定性好、选择性强、测量范围广、高精准度，具有广泛的推广意义。

烟气中的主要成分为硫、氮、碳的氧化物，主要以二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）为主，这类气体在红外波段有独特的吸收波，被称为特征吸收波（表1）。特征吸收波根据物质不同，波形各异，因此可用作鉴别各类物质的依据。而气体浓度的确定，则是根据特征吸收光谱对红外能量的吸收能力进行检测的。根据朗伯-比尔吸收定律可知，当待测气体组分有红外光通过时，气体分子吸收特定波长的红外线。

表1 烟气中各组分特征吸收波

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][气体

特征吸收波/μm][CO2

4.3][CO

4.65][NO

5.3][H20

3-6][SO2

7.3]

1.2 测量方式 单光束双波长法中有测量滤光片和参比滤光片，其中测量滤光片是对有特征吸收红外光谱通过的待测组分进行測量，透过测量气室的光线强度受烟气浓度的影响，测量值记为I；而参比滤光片测量组分不吸收通过的红外光，因此透过测量气室的光线强度几乎不受被测组分浓度变化的影响，测量结果作为参照，记为I0。根据朗伯-比尔定律，待测气体吸收光度与其浓度关系满足关系式：-In（I/I0）=LkC，I为测量光强度，I0为参照光强度，L是红外线经过吸收气体的路径，k待测气体的吸收系数，C为气体的浓度，单位为mg/m3。

气体滤波相关法是将被测气体填充在气体滤光池中，代替上述方法中的参比滤光片，利用此法可提高被测气体组分对特征波的吸收效果。这一测量系统由五部分组成：光源由能斯特灯发射红外光；测量气室有抽气孔和充气孔，为待测气体组分浓度的稳定提供了保障，而高温伴热功能，可有效防止水蒸气和污染物冷凝，造成对测量结果的干扰；切光轮主要负责将光束信号射频模式化；滤波轮上安装不同被测气体的气体滤光池和测量滤光片，滤波轮和切光轮的旋转动作由无刷直流电动机提供动力，对各组分的测定则由自动化控制系统发送控制指令完成测量；光电管前安装放大器，以提高弱信号接收的可靠性。

被测气体滤光池和测量滤光片的位置由设备内部处理器控制，一次测量过程可对待测气体进行多次扫描，以提高信号的信噪比，减少测量误差。利用微处理器可对各式干扰进行有效处理；使用靠减去干扰组分浓度的方法可对不同待测组分光谱重叠进行有效处理；而校正因子则是用来处理干扰组分对测量组分吸收系数的影响。

1.3 技术分析 ①烟气分析。烟气分析仪采用的分析技术为单光束双波长与气体滤波相关技术的结合，滤波轮上的气体滤波池能实现对不同气体的同时测量，并利用干扰参数扣除技术，大大提高了测量结果的准确度，并能实现对一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、甲烷、氨气以及氯化氢八种气体的高精度持续性检测。如对一氧化碳的测量范围可达4000mg/m3，精度可达到0.1%。②信号放大电路。信号放大电路利用CMOS工艺制成的斩波稳零结合多级放大模式，主要组成部件有多路开关和仪表放大器。信号放大电路增益高、响应快，输入偏置电流小等优点，能有效减少误差，还具有自动调零的功能，增加了测量的精准度和稳定性。③烟气连续排放监测系统。烟气连续排放监测系统的构成包括了多种学科，如智能采样技术、数字滤波算法技术、软件自动识别补偿轻微污染技术、网络技术、分布技术、光功率软件修正技术以及多线程布控技术等。该系统具有的功能也较为完善，目前已经实现的功能主要有定量测量功能、自动校零、异常报警、远程传输、报表生成等各项功能。

1.4 应用 ①对烟气监测及管理。红外线气体分析仪主要利用嵌入式软件，完成对污染源气态污染物的监控职能，并为相关部门提供检查对象的瞬时值和历史记录，当污染源超标时，还可利用自动报警功能对相关部门发出警示。该系统对污染源进行的连续性测量，可为环保部门提供电子政务和办公自动化所需的基本材料，为部门制定环保政策提供可靠的数据支持。嵌入式软件在信号处理方面具有较强的灵活性，可对不同变量和浓度范围的气体进行测量；取样方面更加智能化，与算法相结合，可剔除异常测量值，提高测量结果的准确率。②技术指标。该套设备所能达到的技术指标如下：零点漂移可控制在±2.5%范围内（F.S/3d或7d），量程漂移不超过±2.5%，线性误差在±5.0%以内，响应时间不超过200s，重复性低于0.5%，输出波动低于0.4%，可对电源、标定、分析仪故障发出警报输出。对各气体的测量量程分别可达到SO2为4000、NO2为1000、NO为2500、CO为2500，检测下线为10（单位：mg/m3）。

2 结束语

随着社会的不断进步，人们对环境问题越来越重视，传统的经济发展模式对环境的损害较大，已经不适应现代生产发展的需要，加大节能减排力度，减少环境污染是当前企业面临的重要任务。就目前技术发展水平而言，我国还无法完全消除烟气等污染物的来源，但可通过先进的检测技术，对烟气排放中污染组分进行实时检测，为企业和环保部门制定有效的环保措施提供依据。红外气体分析仪相对于传统的分析仪器，具有检测范围大、精准度高、能对多组分进行同时检测的优点，因此可广泛应用于烟气在线监测领域。

参考文献：

[1]于晓曼，刘文清，黄书华，等.基于非分散红外原理的烟气检测系统[J].计算机测量与控制，2011，19（12）：2905-2907，2938.

[2]贺鹏飞，农永光，郭炜，等.烟气分析仪技术研究[J].价值工程，2014（29）：224，225.

[3]王强，钟琪，周刚，等.NDIR法便携烟气SO2分析仪技术性能及现场应用比较[J].中国环境监测，2014（3）：149-153.