红外线C02气体分析仪的结构与使用.doc

红外线C02气体分析仪的结构与使用国内外的红外线CO2气体分析仪种类很多，以下介绍广东佛山分析仪器厂生产的FQ-W型红外线CO2气体分析仪和北京分析仪器厂生产的QGD-07型红外线C02气体分析仪的结构与使用。一、型红外线气体分析仪型红外线气体分析仪可分为分析和电子两部分。1.分析部分 分析部分装在主箱体内（图6），其工作原理如图7所示。图6 红外线气体分析仪主箱体主要结构图1.薄膜微音器 2.左检测室 3.右检测室 4.校正装置 5.校正杆 6.前置放大器 7.调零装置 8.调零旋钮 9.参比气室 10.滤波室 11.工作气室 12.切光片 13.光源 14.参比电机 15.同步电机 16.光对称旋钮 17.相位旋钮图7 仪器的光原理 1.光源 2.平面反光镜 3、4.斜面反光镜 5.切光片 6.参比气室 7.工作气室 8.薄膜微音器由光源1发出的红外光经平面反射镜2、斜面反射镜3和4反射后分成两束能量相等的平行光束，分别通过参比气室6和工作气室7而到达检测器8的两个对称的接收室。参比气室中充入不吸收红外光的气体（如N2）。而工作气室中不断通过待测气样，气样中的被测成份吸收了对应波长的一部份红外光，这样到达检测电容器的两接收室的红外光能量就不相等了，其差值就是E。检测电容器8是由两个检测室和密封在壳体内的一个薄膜电容器构成。薄膜电容器的一个电极是个圆形金属块，它与壳体高度绝缘，由绝缘子引出导线；另一个电极是一片金属薄膜（约5微米厚）它与壳体相连，并把两个检测室隔开。检测电容器内充被测气体，并加以严格密封。经过参比气室进入左检测室的红外光能量为E0，经过工作室进入右检测室的红外光能量为E，左右两个检测室内的气体分别吸收红外光E0和E，受热膨胀，由于E0大于E，故左检测室的温度稍高于右检测室的温度。按气体方程PVRT，左检测室的压力将稍高于右检测室的压力（其差为P），这样薄膜将被迫凸起，薄膜电萜鞯娜萘勘湫。洳钗鰿）。这是检测电容器接收红外光的初始瞬间过程。如果红外光保持起始状态不变，由于联通左右检测室的平衡小孔的漏泄，压力差就会缓慢消失，薄膜就回到原来位置，并保持静止，再也没有讯号产生了。切光片5将使这一过程发生根本性的变化。切光片5是一块90度角的双扇形黑色薄板，它以每秒3.24周的速度转动，在每一周期中，它对光源的两束光同时地打开两次，切断（遮住）两次。当打开时，红外光射入检测室，薄膜向右凸起；当切断时，薄膜回复原位。这样薄膜产生了每秒6.48周的周期性振动，也就是薄膜电容器的容量产生了每秒6.48周的周期性变化。将薄膜电容器联接在如图8的电路中，并置以恒电压V，当电容量变小时，电容通过的电阻R放电；当电容量复原时，U通过R对电容充电，由此，在R上就得到一个频率为6.48周/秒的交变电讯号。由于C来源于P，P来源于E，E来源于工作气室中被测气体的不同浓度，故R上的交变电讯号大小就直接反映了被测气体的浓度。从R上得到的交变电讯号是很微弱的，一般在零点几毫伏至几毫伏之间，必须用电子放大器加以放大，并用标准气体校正电讯号值与被测气体浓度的对应关系，最后可以直接从表头上（或记录仪上）读出（或记下）被测气体的浓度。这就完成了红外线分析仪的分析过程。图8 测量原理图T.薄膜微音器 V.恒压电源 R.电阻箱体由铝合金铸成，具有较好的密封性。箱门左上角装有调零装置的旋转轴，盖上圆形的保护盖。在仪器工作过程中校对零点时，不需打开箱门，只要按下旋转轴就可转动调零旋钮进行调零。校正按钮装在箱门的右上角，也用圆形盖保护，在仪器工作过程中检查灵敏度时，也不须打开箱门，只要按下校正按钮，校正杆即动作。主箱体内各部件简述如下(1)检测电容器 FQ型红外线气体分析仪的检测器为薄膜微音器，它由优质铜合金或铝合金制成。薄膜把检测器分隔成左右两检测室，检测室内壁具高光洁度。内部充以一定浓度的被测气体后严格密封。一般充1020%的待测成分气体（红外线CO2分析仪，检测室内充CO2；SO2分析仪，检测室内就充SO2，检测室内充什么气体就决定该红外分析仪用来测定什么气体浓度）。检测电容器与前置放大级间用高频电缆连接，接头处应保持清洁干燥，以保证对检测电容器的外壳有1019欧姆以上的绝缘电阻。检测器是整台仪器的心脏，要特别小心爱护，不得拆动密封部位。 (2)气室 气室为管形结构，其长度随产品规格不同而不同。一般气室用合金铜管制成，内壁光洁度高并镀以黄金。微量机的参比气室和工作气室是相同的结构，长310mm，内径22mm。对于测量光合作用的农用红外线气体分析仪，参比气室也接上进出气管，参比气室和工作气室 可同时通气使用。气室的窗口材料都是氟化钙晶片。使用过程中（特别是拆装后）要经常注意检查工作气室和接管处的气密性。气室用两件压片固紧在支架上，松开压片螺丝可将拟定取下或调整位置。平时要把气室进出口关口，防止小虫与灰尘进入。 (3)光源 -红外线气体分析仪光源的发光体选用直径0.5mm的镍铬丝，绕成螺旋体，通7V稳压交流电，功率约21W，光源体温度约730。镍铬丝外用石英管保护。由一个平面反光镜和两个斜面反光镜将红外光分为能量基本相等的两束平行光入射气室。光源的窗口材料是氟化钙晶片。当发现光路或反射镜污染时，可以拧下螺丝，取下反射镜，用干净丝绸和无水酒精抹去污物。(4)参比电机和同步电机 参比电机是一个四极交流发电机，由一个四极磁钢转子和四组定子绕组组成。同步电机的转速为3.24周/秒、参比电机的转子和切光片同轴，由同步电机带动。参比电机发生6.48周/秒，电压约6.57V的交流电讯号，这个讯号与放大器的最后输出信号同频率，并加在相敏整流电桥上作同步半波整流。参比电讯号的相位可以用相位旋钮来调节。 (5)调零装置 调零装置是一块由蜗轮带动的偏心板，装在主箱体内的左上角。用手旋动蜗杆，可使偏心板遮盖参比气室上方的部分红外光，在调零时调节蜗杆使进入左右检测室的两束红外光能量相等。配合光对旋钮建立仪器的零点。在仪器工作过程中校对零点时，不须打开箱门，只要按下并转动箱门左上角的旋转轴，即可旋动蜗杆，进行零点调整。 (6)校正装置 校正装置主要是一个铜环，其径向上有一铜丝。当仪器调好零点后，校正装置动作时，铜环进入工作气室上方，铜丝遮住了一部分红外光，这时仪器有一指示值，此值是在仪器校准后定下来的，并写在仪器的出厂技术数据表上，称为“灵敏度值”。“灵敏度值”作为一个“模拟的标准气体”提供用户调整和检查校正仪器的刻度时使用。(7)光对称旋钮 调节切光片与光源孔的相对位置，使切光片对称切割二束红外光。(8)相位旋钮 与参比电机定子相连，转动相位旋钮可调节参比电机定子与切光片的相对位置，使放大器输出讯号与参比电机输出的参比电压信号同相位。(9)其它 主箱体内还装有前置放大级和气样进出口以及吹洗气进出口等。 2.电子部分 电子部分包括电源稳定器和电子放大器。(1)电源稳定器 是一个功率为120W的磁饱和稳压器，电压稳定度1%，输入电压允许变动范围165245V。输出电压为220V。磁饱和稳压器的特点是简单、体积小，但受电源频率变化的影响大。当电源频率变化大于1周/秒时，将会影响红外仪的精度，此时应改用电子管稳压器供电。(2)电子放大器 是一个高输入阻抗的超低频选频放大器。由前置级、四级三极放大、一级双T选频放大，一级功率放大和相敏整流器组成。具有良好的稳定性和较低的噪音。其线路图参考仪器说明书。(3)放大器面板 共有四个开关和2个电位器（图9），各开关和电位器的作用分别如下：图9 放大器面板名称1.指示表 2.指示灯 3.电源开关 4.同步电机开关 5.作用开关 6.步进开关 7.二次表调电位器 8.增益微调电位器 9.讯号检查孔电源开关 它是电子放大器和光源的总开关，在电源稳压器正常工作后，才应打开。打开电源开关，面板指示灯亮，光源体发出红光，电子管加热。 同步电机开关 它操纵同步电机启动，带动参比电子转子与转光片旋转，控制讯号产生。 步进开关 用来改变放大器的放大倍数，可用来转换仪器量程。量程共分1、2、3、4、5、6共六档，由6只电阻组成一个倍增分压器。由低档（如2）换向高档（如3）时，每进一档，放大器的放大倍数增加一倍，指示表的刻度（也即量程）缩小一半。如当在2档时，指示表满刻度值为300l/L，则换至3档时，指示表满刻度值为150l/L，由此类推。 作用开关 是用来检查、调整和选择仪器的工作状态的。设、C三档。作用开关至档时，指示表串联于前置级的阴极回路上，其指示值为阴极电流，这数值在出厂技术数据表上标明，它对于检查检测电容器的绝缘性能和前置工作状态是很重要的。在调整与检查仪器时，首先要把作用开关至档。作用开关置档时，放大器的输出信号经全波整流后输入指示表回路中，此时断开参比电机，只有放大器本身输出的讯号送入桥式整流器作全波整流用。档的作用：检查放大器的工作状态，检查和调整光能的对称程度。当零位及光同步均调好时，检测器无讯号输入放大器，放大器也就没有电流输给安培表，调整“调零旋钮”及“光同步旋钮”可使表接近零。调零旋钮调节表头为零时，并不是仪器真正零点，因为当两束光不同时为切光片所切断和打开，即使能量相等，由于光束进入检测器的两个检测室有先后，薄膜仍有振动，档仍有指示，只有光对称同步时，检测电容器才处于完全静止。因此档可检查光对称性。作用开关置C档时，输出整流电路加入了参比电压，通过对检测器经放大后的信号进行半波相敏输出，指示出待测气体浓度，因此C档是正常测量时的工作档。在测量时使用。 增益微调 是放大器放大倍数的微调，配合步进开关对仪表作刻度校准用。二次表调电位器 调节二次记录仪表跟红外仪的刻度同步。 3.电路连接电路连接法见图10，仪器由单相220V网络供电，经稳压器再与放大器连接，各部分之间各有专用电缆和插头，安装时可按插头上的标志对号入座。 图10 FQ-W红外线气体分析仪电路连接示意图4.仪器的调整与使用调整好仪器是使用好仪器的重要条件。一台完好的仪器，由于失调，会影响到仪器的稳定性和准确度，甚至无法使用。仪器的零部件较多，调整地方有78处，看起来比较复杂，但只要细心分析，并了解其各部分的作用及相互关系，反复实践，掌握好调校方法，达到运用自如并非十分困难之事。 (1)调试前的准备 在通电通气前，应检查分析部分各部件及相互位置是否正常。因为仪器在出厂前均经过严格检验，除了个别运输过程的原因外，一般情况下，可不变动各部件的原来位置。 对各个开关，旋钮均暂时不要调整。在通电前，应检查放大部分，如保险丝，电子管是否完好。并检查表头的机械零位是否正常。 如搁置一段时间的仪器，应用毛笔或洗耳球清洗箱体内各部分的污物。保证光路系统及电路系统的清洁。 吹洗后，接通磁饱和稳压器电源。指示灯亮后，再接通面板的“电源”开关。这时可把作用开关置于档（暂不开同步电机），步时开关置任何一档来进行预机。一般常量机预热8小时，微量机12小时。由于天气潮湿而致电气漏电等原因，有的仪器在规定的预热时间内，档仍不到技术数据表上规定的格数，此时可继续延长预热时间，对于搁置太久，存放条件潮湿的仪器，预热时间应更长些。 在预热期间，可向工作气室通“零气”。“零气”一般指经预处理后并吸收了被测组份的气体，或不吸收红外线的干燥无尘气体。“零气”随测量对象不同而不同。对CO2常量机，可用现场气经碱石灰除CO2作零气或经碱石灰除去2中的CO2作零气。 (2)前置级检查 经预热后，检查档的指示是否达到技术数据表上规定的格数，如达不到，则要考虑前置级、微音器的工作状态是否正常。 在正常情况下，前置级工作正常，微音器及连接电缆均无受潮时，阳极电流应为一正常值。档出现故障时，若拔去前置级和微音器的连接插头，指示能回复正常值，则故障为微音器漏电所致，应更换微音器。如指示仍不正常，毛病应在前置级。若指示摆动：（1）拔去线插，指示恢复正常，这说明微音器到前置盒的引线可能是由于潮湿而引起接触不良，这时，可用干净绸布擦干净，或用无水酒精清洗，后再用电吹风吹干，故障即可排除。（2）拔出线插，指示仍不正常，这说明前置级6C，电子管已坏，或前置电路受潮，这时可处理前置级。 如前置级零件换得太多，原表内之值仅作参考，真实数值可在仪器证实运行良好以后重新确定。 (3)零位调整 建立真正的零位是调整的关键，因此调零必须十分细致耐心。讯号电压和参比电压之间的相位，可以决定整流输出信号的极性，同相时，表头正偏转，反相时，表头负偏转。当仪器通入被测气体时，表头应该有正偏转的指示，这就是我们所要求的同相输出，所以调零的第一步必须对相位粗调。 零位调整步骤： 通零气后，步进开关在1档，作用开关在C档，开同步电机，旋动调零旋钮，使指示回零，目的是调整进入微音器的光量是否平衡。 步进开关仍在1档，作用开关旋至挡，调光同步旋钮，使表头的指示最小（接近于零）。目的是调整光源孔和切光片的相对位置，使切光片同时切割二束红外光。 步进开关调高一档，在2档，再旋作用开关，开关在C档。调调零旋钮使表头回零。因为在调节光同步后，对C档所调到的零位有一定的影响，故须使C档重新回零。C档调好后，再调回档有最小值。 步进开关从2档逐档向上旋动，并在康抵馗瓷鲜觫佟鄄街瑁钡郊际跏荼砩细墓鞯凳埂耸弊饔每刂糜贑档指示仍为零，置于档时应有最小值。 注意：C档在6档调零后，步进开关在16档指示仍为零，或只有微小的偏差。 档调好零位后，步进开关档数越高，指示就越大，且摆动的幅度也越大。有时，B档老调不到最小值，其可能原因：灯丝不平衡，耦合电容漏电所致。 (4)相位调整（最大值调整） 在调整好零位和光同步后，将进行相位微调，一般在工作档调，相位微调是通过相位旋钮来进行的，一次调好后一般不再动。相位旋钮的张角为600。通过相位粗调，一般情况下，其相位差900。在、C档调零后，再精细调整相位旋钮，就可以找到讯号电压和参比电压间的相角差为0的点。 调整步骤：放置一条细铜线（0.150.2mm的漆包线）于工作气室上，人为地给出一个信号，调整参比电机右下角的相位旋钮，使指示值达到最大（即调整以后，无论相位旋钮，向任何方向旋动，指示值均减少）。若相位旋钮转到头指示仍不断上升，可通过调整切光片的位置，找出同相点。 调整好后，除去铜线，指示应复零位，零位如有小量变动可通过调零装置调整，这样，分析系统的调整就算完毕。 注意，相位调整前一定要预先调好零位及光同步。 (5)灵敏度的调整（校正）上述调整完毕后，将步进开关置工作档，作用开关置C档，按下分析箱面板上的灵敏检查装置，指示表会有一正偏转。再调整放大器的增益微调电位器，使指示值达到技术数据表上规定的格数。 灵敏检查的原理：仪器在出厂前经标准气校准后，其步进开关的档数及增益微调电位器都均在一固定的位置上。在不改动步进开关的档数及变动增益微调的情况下，用一固定的挡光丝遮住工作气室，这挡光丝产生的信号模拟红外线吸收气体时所产生的信号使表头指示在某一定值上，记下这一定值，这就是技术数据表上的“灵敏度格数”指标。这个“灵敏度格数”实质上代表了标准气的气体浓度值。 在没有标准气的情况下，用模拟信号代替标准气校准仪表的方法是切