紅外線C02氣體分析儀的結構與使用.doc

紅外線C02氣體分析儀的結構與使用國內外的紅外線CO2氣體分析儀種類很多，以下介紹廣東佛山分析儀器廠生產的FQ-W型紅外線CO2氣體分析儀和北京分析儀器廠生產的QGD-07型紅外線C02氣體分析儀的結構與使用。一、型紅外線氣體分析儀型紅外線氣體分析儀可分為分析和電子兩部分。1.分析部分 分析部分裝在主箱體內（圖6），其工作原理如圖7所示。圖6 紅外線氣體分析儀主箱體主要結構圖1.薄膜微音器 2.左檢測室 3.右檢測室 4.校正裝置 5.校正桿 6.前置放大器 7.調零裝置 8.調零旋鈕 9.參比氣室 10.濾波室 11.工作氣室 12.切光片 13.光源 14.參比電機 15.同步電機 16.光對稱旋鈕 17.相位旋鈕圖7 儀器的光原理 1.光源 2.平面反光鏡 3、4.斜面反光鏡 5.切光片 6.參比氣室 7.工作氣室 8.薄膜微音器由光源1發(fā)出的紅外光經平面反射鏡2、斜面反射鏡3和4反射后分成兩束能量相等的平行光束，分別通過參比氣室6和工作氣室7而到達檢測器8的兩個對稱的接收室。參比氣室中充入不吸收紅外光的氣體（如N2）。而工作氣室中不斷通過待測氣樣，氣樣中的被測成份吸收了對應波長的一部份紅外光，這樣到達檢測電容器的兩接收室的紅外光能量就不相等了，其差值就是E。檢測電容器8是由兩個檢測室和密封在殼體內的一個薄膜電容器構成。薄膜電容器的一個電極是個圓形金屬塊，它與殼體高度絕緣，由絕緣子引出導線；另一個電極是一片金屬薄膜（約5微米厚）它與殼體相連，并把兩個檢測室隔開。檢測電容器內充被測氣體，并加以嚴格密封。經過參比氣室進入左檢測室的紅外光能量為E0，經過工作室進入右檢測室的紅外光能量為E，左右兩個檢測室內的氣體分別吸收紅外光E0和E，受熱膨脹，由于E0大于E，故左檢測室的溫度稍高于右檢測室的溫度。按氣體方程PVRT，左檢測室的壓力將稍高于右檢測室的壓力（其差為P），這樣薄膜將被迫凸起，薄膜電萜韉娜萘勘湫。洳釵鰿）。這是檢測電容器接收紅外光的初始瞬間過程。如果紅外光保持起始狀態(tài)不變，由于聯(lián)通左右檢測室的平衡小孔的漏泄，壓力差就會緩慢消失，薄膜就回到原來位置，并保持靜止，再也沒有訊號產生了。切光片5將使這一過程發(fā)生根本性的變化。切光片5是一塊90度角的雙扇形黑色薄板，它以每秒3.24周的速度轉動，在每一周期中，它對光源的兩束光同時地打開兩次，切斷（遮住）兩次。當打開時，紅外光射入檢測室，薄膜向右凸起；當切斷時，薄膜回復原位。這樣薄膜產生了每秒6.48周的周期性振動，也就是薄膜電容器的容量產生了每秒6.48周的周期性變化。將薄膜電容器聯(lián)接在如圖8的電路中，并置以恒電壓V，當電容量變小時，電容通過的電阻R放電；當電容量復原時，U通過R對電容充電，由此，在R上就得到一個頻率為6.48周/秒的交變電訊號。由于C來源于P，P來源于E，E來源于工作氣室中被測氣體的不同濃度，故R上的交變電訊號大小就直接反映了被測氣體的濃度。從R上得到的交變電訊號是很微弱的，一般在零點幾毫伏至幾毫伏之間，必須用電子放大器加以放大，并用標準氣體校正電訊號值與被測氣體濃度的對應關系，最后可以直接從表頭上（或記錄儀上）讀出（或記下）被測氣體的濃度。這就完成了紅外線分析儀的分析過程。圖8 測量原理圖T.薄膜微音器 V.恒壓電源 R.電阻箱體由鋁合金鑄成，具有較好的密封性。箱門左上角裝有調零裝置的旋轉軸，蓋上圓形的保護蓋。在儀器工作過程中校對零點時，不需打開箱門，只要按下旋轉軸就可轉動調零旋鈕進行調零。校正按鈕裝在箱門的右上角，也用圓形蓋保護，在儀器工作過程中檢查靈敏度時，也不須打開箱門，只要按下校正按鈕，校正桿即動作。主箱體內各部件簡述如下(1)檢測電容器 FQ型紅外線氣體分析儀的檢測器為薄膜微音器，它由優(yōu)質銅合金或鋁合金制成。薄膜把檢測器分隔成左右兩檢測室，檢測室內壁具高光潔度。內部充以一定濃度的被測氣體后嚴格密封。一般充1020%的待測成分氣體（紅外線CO2分析儀，檢測室內充CO2；SO2分析儀，檢測室內就充SO2，檢測室內充什么氣體就決定該紅外分析儀用來測定什么氣體濃度）。檢測電容器與前置放大級間用高頻電纜連接，接頭處應保持清潔干燥，以保證對檢測電容器的外殼有1019歐姆以上的絕緣電阻。檢測器是整臺儀器的心臟，要特別小心愛護，不得拆動密封部位。 (2)氣室 氣室為管形結構，其長度隨產品規(guī)格不同而不同。一般氣室用合金銅管制成，內壁光潔度高并鍍以黃金。微量機的參比氣室和工作氣室是相同的結構，長310mm，內徑22mm。對于測量光合作用的農用紅外線氣體分析儀，參比氣室也接上進出氣管，參比氣室和工作氣室 可同時通氣使用。氣室的窗口材料都是氟化鈣晶片。使用過程中（特別是拆裝后）要經常注意檢查工作氣室和接管處的氣密性。氣室用兩件壓片固緊在支架上，松開壓片螺絲可將擬定取下或調整位置。平時要把氣室進出口關口，防止小蟲與灰塵進入。 (3)光源 -紅外線氣體分析儀光源的發(fā)光體選用直徑0.5mm的鎳鉻絲，繞成螺旋體，通7V穩(wěn)壓交流電，功率約21W，光源體溫度約730。鎳鉻絲外用石英管保護。由一個平面反光鏡和兩個斜面反光鏡將紅外光分為能量基本相等的兩束平行光入射氣室。光源的窗口材料是氟化鈣晶片。當發(fā)現(xiàn)光路或反射鏡污染時，可以擰下螺絲，取下反射鏡，用干凈絲綢和無水酒精抹去污物。(4)參比電機和同步電機 參比電機是一個四極交流發(fā)電機，由一個四極磁鋼轉子和四組定子繞組組成。同步電機的轉速為3.24周/秒、參比電機的轉子和切光片同軸，由同步電機帶動。參比電機發(fā)生6.48周/秒，電壓約6.57V的交流電訊號，這個訊號與放大器的最后輸出信號同頻率，并加在相敏整流電橋上作同步半波整流。參比電訊號的相位可以用相位旋鈕來調節(jié)。 (5)調零裝置 調零裝置是一塊由蝸輪帶動的偏心板，裝在主箱體內的左上角。用手旋動蝸桿，可使偏心板遮蓋參比氣室上方的部分紅外光，在調零時調節(jié)蝸桿使進入左右檢測室的兩束紅外光能量相等。配合光對旋鈕建立儀器的零點。在儀器工作過程中校對零點時，不須打開箱門，只要按下并轉動箱門左上角的旋轉軸，即可旋動蝸桿，進行零點調整。 (6)校正裝置 校正裝置主要是一個銅環(huán)，其徑向上有一銅絲。當儀器調好零點后，校正裝置動作時，銅環(huán)進入工作氣室上方，銅絲遮住了一部分紅外光，這時儀器有一指示值，此值是在儀器校準后定下來的，并寫在儀器的出廠技術數(shù)據(jù)表上，稱為“靈敏度值”?！办`敏度值”作為一個“模擬的標準氣體”提供用戶調整和檢查校正儀器的刻度時使用。(7)光對稱旋鈕 調節(jié)切光片與光源孔的相對位置，使切光片對稱切割二束紅外光。(8)相位旋鈕 與參比電機定子相連，轉動相位旋鈕可調節(jié)參比電機定子與切光片的相對位置，使放大器輸出訊號與參比電機輸出的參比電壓信號同相位。(9)其它 主箱體內還裝有前置放大級和氣樣進出口以及吹洗氣進出口等。 2.電子部分 電子部分包括電源穩(wěn)定器和電子放大器。(1)電源穩(wěn)定器 是一個功率為120W的磁飽和穩(wěn)壓器，電壓穩(wěn)定度1%，輸入電壓允許變動范圍165245V。輸出電壓為220V。磁飽和穩(wěn)壓器的特點是簡單、體積小，但受電源頻率變化的影響大。當電源頻率變化大于1周/秒時，將會影響紅外儀的精度，此時應改用電子管穩(wěn)壓器供電。(2)電子放大器 是一個高輸入阻抗的超低頻選頻放大器。由前置級、四級三極放大、一級雙T選頻放大，一級功率放大和相敏整流器組成。具有良好的穩(wěn)定性和較低的噪音。其線路圖參考儀器說明書。(3)放大器面板 共有四個開關和2個電位器（圖9），各開關和電位器的作用分別如下：圖9 放大器面板名稱1.指示表 2.指示燈 3.電源開關 4.同步電機開關 5.作用開關 6.步進開關 7.二次表調電位器 8.增益微調電位器 9.訊號檢查孔電源開關 它是電子放大器和光源的總開關，在電源穩(wěn)壓器正常工作后，才應打開。打開電源開關，面板指示燈亮，光源體發(fā)出紅光，電子管加熱。 同步電機開關 它操縱同步電機啟動，帶動參比電子轉子與轉光片旋轉，控制訊號產生。 步進開關 用來改變放大器的放大倍數(shù)，可用來轉換儀器量程。量程共分1、2、3、4、5、6共六檔，由6只電阻組成一個倍增分壓器。由低檔（如2）換向高檔（如3）時，每進一檔，放大器的放大倍數(shù)增加一倍，指示表的刻度（也即量程）縮小一半。如當在2檔時，指示表滿刻度值為300l/L，則換至3檔時，指示表滿刻度值為150l/L，由此類推。 作用開關 是用來檢查、調整和選擇儀器的工作狀態(tài)的。設、C三檔。作用開關至檔時，指示表串聯(lián)于前置級的陰極回路上，其指示值為陰極電流，這數(shù)值在出廠技術數(shù)據(jù)表上標明，它對于檢查檢測電容器的絕緣性能和前置工作狀態(tài)是很重要的。在調整與檢查儀器時，首先要把作用開關至檔。作用開關置檔時，放大器的輸出信號經全波整流后輸入指示表回路中，此時斷開參比電機，只有放大器本身輸出的訊號送入橋式整流器作全波整流用。檔的作用：檢查放大器的工作狀態(tài)，檢查和調整光能的對稱程度。當零位及光同步均調好時，檢測器無訊號輸入放大器，放大器也就沒有電流輸給安培表，調整“調零旋鈕”及“光同步旋鈕”可使表接近零。調零旋鈕調節(jié)表頭為零時，并不是儀器真正零點，因為當兩束光不同時為切光片所切斷和打開，即使能量相等，由于光束進入檢測器的兩個檢測室有先后，薄膜仍有振動，檔仍有指示，只有光對稱同步時，檢測電容器才處于完全靜止。因此檔可檢查光對稱性。作用開關置C檔時，輸出整流電路加入了參比電壓，通過對檢測器經放大后的信號進行半波相敏輸出，指示出待測氣體濃度，因此C檔是正常測量時的工作檔。在測量時使用。 增益微調 是放大器放大倍數(shù)的微調，配合步進開關對儀表作刻度校準用。二次表調電位器 調節(jié)二次記錄儀表跟紅外儀的刻度同步。 3.電路連接電路連接法見圖10，儀器由單相220V網絡供電，經穩(wěn)壓器再與放大器連接，各部分之間各有專用電纜和插頭，安裝時可按插頭上的標志對號入座。 圖10 FQ-W紅外線氣體分析儀電路連接示意圖4.儀器的調整與使用調整好儀器是使用好儀器的重要條件。一臺完好的儀器，由于失調，會影響到儀器的穩(wěn)定性和準確度，甚至無法使用。儀器的零部件較多，調整地方有78處，看起來比較復雜，但只要細心分析，并了解其各部分的作用及相互關系，反復實踐，掌握好調校方法，達到運用自如并非十分困難之事。 (1)調試前的準備 在通電通氣前，應檢查分析部分各部件及相互位置是否正常。因為儀器在出廠前均經過嚴格檢驗，除了個別運輸過程的原因外，一般情況下，可不變動各部件的原來位置。 對各個開關，旋鈕均暫時不要調整。在通電前，應檢查放大部分，如保險絲，電子管是否完好。并檢查表頭的機械零位是否正常。 如擱置一段時間的儀器，應用毛筆或洗耳球清洗箱體內各部分的污物。保證光路系統(tǒng)及電路系統(tǒng)的清潔。 吹洗后，接通磁飽和穩(wěn)壓器電源。指示燈亮后，再接通面板的“電源”開關。這時可把作用開關置于檔（暫不開同步電機），步時開關置任何一檔來進行預機。一般常量機預熱8小時，微量機12小時。由于天氣潮濕而致電氣漏電等原因，有的儀器在規(guī)定的預熱時間內，檔仍不到技術數(shù)據(jù)表上規(guī)定的格數(shù)，此時可繼續(xù)延長預熱時間，對于擱置太久，存放條件潮濕的儀器，預熱時間應更長些。 在預熱期間，可向工作氣室通“零氣”?！傲銡狻币话阒附涱A處理后并吸收了被測組份的氣體，或不吸收紅外線的干燥無塵氣體?！傲銡狻彪S測量對象不同而不同。對CO2常量機，可用現(xiàn)場氣經堿石灰除CO2作零氣或經堿石灰除去2中的CO2作零氣。 (2)前置級檢查 經預熱后，檢查檔的指示是否達到技術數(shù)據(jù)表上規(guī)定的格數(shù)，如達不到，則要考慮前置級、微音器的工作狀態(tài)是否正常。 在正常情況下，前置級工作正常，微音器及連接電纜均無受潮時，陽極電流應為一正常值。檔出現(xiàn)故障時，若拔去前置級和微音器的連接插頭，指示能回復正常值，則故障為微音器漏電所致，應更換微音器。如指示仍不正常，毛病應在前置級。若指示擺動：（1）拔去線插，指示恢復正常，這說明微音器到前置盒的引線可能是由于潮濕而引起接觸不良，這時，可用干凈綢布擦干凈，或用無水酒精清洗，后再用電吹風吹干，故障即可排除。（2）拔出線插，指示仍不正常，這說明前置級6C，電子管已壞，或前置電路受潮，這時可處理前置級。 如前置級零件換得太多，原表內之值僅作參考，真實數(shù)值可在儀器證實運行良好以后重新確定。 (3)零位調整 建立真正的零位是調整的關鍵，因此調零必須十分細致耐心。訊號電壓和參比電壓之間的相位，可以決定整流輸出信號的極性，同相時，表頭正偏轉，反相時，表頭負偏轉。當儀器通入被測氣體時，表頭應該有正偏轉的指示，這就是我們所要求的同相輸出，所以調零的第一步必須對相位粗調。 零位調整步驟： 通零氣后，步進開關在1檔，作用開關在C檔，開同步電機，旋動調零旋鈕，使指示回零，目的是調整進入微音器的光量是否平衡。 步進開關仍在1檔，作用開關旋至擋，調光同步旋鈕，使表頭的指示最?。ń咏诹悖?。目的是調整光源孔和切光片的相對位置，使切光片同時切割二束紅外光。 步進開關調高一檔，在2檔，再旋作用開關，開關在C檔。調調零旋鈕使表頭回零。因為在調節(jié)光同步后，對C檔所調到的零位有一定的影響，故須使C檔重新回零。C檔調好后，再調回檔有最小值。 步進開關從2檔逐檔向上旋動，并在康抵馗瓷鮮觫佟鄄街瑁鋇郊際跏荼砩細墓韉凳埂聳弊饔每刂糜贑檔指示仍為零，置于檔時應有最小值。 注意：C檔在6檔調零后，步進開關在16檔指示仍為零，或只有微小的偏差。 檔調好零位后，步進開關檔數(shù)越高，指示就越大，且擺動的幅度也越大。有時，B檔老調不到最小值，其可能原因：燈絲不平衡，耦合電容漏電所致。 (4)相位調整（最大值調整） 在調整好零位和光同步后，將進行相位微調，一般在工作檔調，相位微調是通過相位旋鈕來進行的，一次調好后一般不再動。相位旋鈕的張角為600。通過相位粗調，一般情況下，其相位差900。在、C檔調零后，再精細調整相位旋鈕，就可以找到訊號電壓和參比電壓間的相角差為0的點。 調整步驟：放置一條細銅線（0.150.2mm的漆包線）于工作氣室上，人為地給出一個信號，調整參比電機右下角的相位旋鈕，使指示值達到最大（即調整以后，無論相位旋鈕，向任何方向旋動，指示值均減少）。若相位旋鈕轉到頭指示仍不斷上升，可通過調整切光片的位置，找出同相點。 調整好后，除去銅線，指示應復零位，零位如有小量變動可通過調零裝置調整，這樣，分析系統(tǒng)的調整就算完畢。 注意，相位調整前一定要預先調好零位及光同步。 (5)靈敏度的調整（校正）上述調整完畢后，將步進開關置工作檔，作用開關置C檔，按下分析箱面板上的靈敏檢查裝置，指示表會有一正偏轉。再調整放大器的增益微調電位器，使指示值達到技術數(shù)據(jù)表上規(guī)定的格數(shù)。 靈敏檢查的原理：儀器在出廠前經標準氣校準后，其步進開關的檔數(shù)及增益微調電位器都均在一固定的位置上。在不改動步進開關的檔數(shù)及變動增益微調的情況下，用一固定的擋光絲遮住工作氣室，這擋光絲產生的信號模擬紅外線吸收氣體時所產生的信號使表頭指示在某一定值上，記下這一定值，這就是技術數(shù)據(jù)表上的“靈敏度格數(shù)”指標。這個“靈敏度格數(shù)”實質上代表了標準氣的氣體濃度值。 在沒有標準氣的情況下，用模擬信號代替標準氣校準儀表的方法是切