《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-30一氧化碳和二氧化碳浓度测量

一氧化碳和二氧化碳浓度测量一氧化碳（化学分子式CO）是一种无色、无味、无嗅、无刺激性的有害气体。几乎不溶于水。大气中一氧化碳主要来源于炼焦、炼钢、炼油、汽车尾气及家庭用燃料等的不完全燃烧产物。室内空气中一氧化碳主要来源于家庭烹饪中燃料的燃烧、吸烟等人为活动，还包括室外受污染空气进入室内而产生的污染，尤其是居住在交通繁忙道路两侧的居民。二氧化碳（化学分子式CO2）也是一种无色、无味、无嗅、无刺激性的气体，能溶于水，但溶解度有限。二氧化碳的来源广泛，主要有含碳物质充分燃烧、生物发酵和呼吸作用等，在室内主要是燃料燃烧、烹饪、吸烟和人类的呼吸作用等。二氧化碳是评价建筑空气环境卫生质量的一项重要指标。测定空气中所含的一氧化碳的方法有不分光红外吸收法、电导法和气相色谱法等。测定空气中所含的二氧化碳的方法有不分光红外吸收法、气相色谱法和容量滴定法等。不分光红外吸收法通过红外线气体分析器进行测定，本章节主要对红外线气体分析器进行介绍。1.测定原理物质对光的吸收是物质与辐射能相互作用的一种形式。射入物质的光子能量与物质的基态和激发态能量差相等时才会被吸收。由于吸光物质的分子（离子）只有有限数量的离子化的能级，物质对光的吸收在波长上具有选择性。能被某种物质吸收的波长，称为该物质的特征吸收波长。红外线气体分析器利用被测气体对红外光的特征吸收来进行定量分析。当被测气体通过受特征波长光照射的气室时，被测组分（即一氧化碳或二氧化碳）吸收特征波长的光。吸收光能的多少，与样品中被测组分浓度有关。透射光强度与入射光强度、对特征波长光辐射的吸收及吸光组分浓度之间的关系遵守比尔定律。 I=I0e-式中I——透射的特征波长红外光强度，cdI0——入射的特征波长红外光强度，cdk——被测组分对特征波长的吸收系数，L/（g·cm）；l——入射光透过被测样品的光程，cm；c——样品中被测组分的浓度，g/L。在红外线气体分析器中，红外辐射光源的入射光强度不变，红外线透过被测样品的光程不变，且对于特定的被测组分，吸收系数也不变，因此透射的特征波长红外光强度仅是被测组分的函数，故通过测定透射特征波长红外光的强度即可确定被测组分的浓度。2.仪器的构造红外线气体分析器由红外光源、切光器、气室、光检测器及相应的供电、放大、显示和记录用的电子线路和部件组成（REF_Ref30900\h图1）。一氧化碳和二氧化碳红外线分析器的光源是直径约0.5mm的镍铬丝。镍铬丝被加热到600～1000℃时，光源辐射出的红外线波长范围约为2～10μm。红外线辐射光经反射抛物状面汇聚成平行光射出，射出的能量相等的两束平行光，被同步电机带动的切光片切割成断续的交变光，从而获得交变信号，以减少信号漂移。两路平行光中，一路通过滤波室、参比气室（内充不吸收红外线的气体，如氮气），射入接收室。另一束光称为测量光束，通过滤波室射入测量气室。由于测量气室中有气样通过，则气样中的待测量吸收了部分特征波长的红外光，使射入接收室的光束强度减弱，待测量含量越高，光强减弱越多。图1红外线气体分析器的基本组成1，2—红外光源；3—切光片；4，5—滤光镜（气室）；6—测量室；7—参比气室；8—使两光路平衡的遮光板；9—薄膜电容微音器；10—固定金属片；11—金属薄膜一氧化碳和二氧化碳红外线分析器的光检测器是薄膜电容微音器。它是利用待测组分的变化引起电容量变化来测量待测组分的浓度的。电容的金属薄膜（动片）将接收室的空腔分成容积相等的两个接收室，接收室内充满等浓度的CO气体。在铝箔的一侧还固定一圆形金属片（定片），距薄膜0.05～0.08mm，二者组成一个电容器。红外光束射入接收室后，被其中的CO吸收，使气体温度升高，从而导致内部压力升高，测量光束与参比光束平衡时，两边压力相等，动片薄膜维持在平衡位置。当测量气室中有待测组分时，通过参比气室的红外光辐射保持不变，而通过测量气室进入接收室的红外光由于待测组分的吸收而减弱，使这一边的温度降低，压力减小，金属薄膜偏向固定金属片一方，从而改变了电容器两极间的距离，也就改变了电容量。这个电容量的变化就可指示气样中待测组分的浓度，见REF_Ref29453\h式（2）。采用电子技术，将电容量变化转变成电流变化，经放大及信号处理后，进行记录和显示。 C=KεFD式中F——电容极板面积；D——薄膜动极与固定电极间距离；K——比例系数；ε——气体介电常数。3.仪器的使用方法环境空气中非待测组分能影响测定结果。比如，进行二氧化碳浓度测试时，由于在透过红外线的窗口，安装了红外线滤光片，它的波长的4.26μm，二氧化碳对该波长有强烈的吸收；而一氧化碳和甲烷等气体不吸收。因此，一氧化碳和甲烷的干扰可以忽略不计。但水蒸汽对测定二氧化碳有干扰，它可以使气室反射率下降，从而使仪器灵敏度降低，影响测定结果的准确性，因此，必须使空气样品经干燥后，再进入仪器。公共场所等室内环境测试中，一般将内装空气样品的塑料铝箔复合薄膜采气袋接在装有变色硅胶或无水氯化钙的过滤器上再与和红外线分析器的进气口相连接。监测大气中一氧化碳或二氧化碳的红外线分析器的使用应与取样技术结合起来。取样系统一般包括杂质过滤、干燥、压力控制和流量控制等，对于高温烟气还需有冷却装置（REF_Ref7107\h图2）。图2正压取样系统1—气体分析器；2—流量控制器；3—干燥器；4—化学过滤器；5—机械过滤器；6—阀；7—气水分离器；8—冷却器；9—烟道气入口；10—冷凝水出口红外线分析器投入正常工作以后，每周至少要用标准气样校准刻度1次，以保证仪器分析的准确性。所用的标准气样可以是标准混合气制造部门提供的