非分光性红外线传感器技术 NDIR扩散非分光性红外线传感器 韦弗斯供

非分光性红外线传感器技术 NDIR扩散非分光性红外线传感器 韦弗斯供

NDIR红外气体分析作为一种快速、准确的气体分析技术，特别连续污染物监测系统（CEMS）以及机动车尾气检测应用中十分普遍。国内NDIR气体分析的主要厂家大都采用国际上八十年代初的红外气体分析方法，如采用镍锘丝作为红外光源、采用电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等。由于采用电机机械调制，仪器功耗大，且稳定性差，仪器造价也很高。同时采用薄膜电容微音器作为传感使得仪器对震动十分敏感，因此不适合便携测量。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，NDIR红外气体传感器在国外得到了迅速的发展。主要表现在无机械调制装置，采用新型红外传感器及电调制光源，在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统，使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。

二 NDIR气体分析基本机理

当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光,其强度为I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯--比尔吸收定律: dI/I=-KdN，式中K为比例常数。经积分得:lnI=-KN+α (1) ，式中:N为吸收气体介质的分子总数;α为积分常数。显然有N∝cl,c为气体浓度。则式(1)可写成:

I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)式(2)表明,光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体,μ则随入射波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体,

则式(2)应改为:I=I0exp(-l∑μi ci) 因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。

图为NDIR红外气体分析朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律原理图

扩散式架构比泵吸式架构更具有的优势，表现如下：

1.   扩散式架构为就地分布式实时检测，不存在泵吸式架构中采样泵机械或管路等物理的干扰条件，能够相当为真实地反映和警示每一个就地现场的SF6超标和氧量情况（尤其是缺氧情况一旦受到泵吸长距离输送，就破坏了现场的实际状态）。因而泵吸式不能准确反映每一个泄漏点位的真实水平。

2.   扩散式因为每个泄漏点位都配置了一只SF6红外传感器和一只氧量传感器，每个点位采样都是相互独立的，均为就地直接接触式模拟采集数字转化后采样，不存在泵吸式架构中的二次采样分析腔室，不受管路和分析腔室残余气体相互混合对检测准确度的影响。并且泵吸式架构中一个变电站*有一只红外SF6传感器和一只氧气传感器，一旦该传感器失效或不良，整个系统的所有监测点位将全部失效。

3.   扩散式为现场实时检测，不存在泵吸式冗长的采集管路，以及电磁阀切换并逐个分析带来的时间差，实时性相当好。报警响应速度迅速，不会因电磁阀逐个切换分析导致时间延迟。从上述行业标准7.1.3中强调泵吸式架构中导气管路不应超过30米，但实际应用中，即使中等规模的110KV变电站，由于受电缆沟槽的弯曲规范铺设，超过30米是极为常见的。并且该条款中也强调：若配置多个检测采样点，则每个采样点采样时间不应超过5分钟，总的采样周期不应超过1小时，既说明实时性不好，并且在实际应用中超过12个监测点的项目非常多，因而存在很大的应用局限性。

4.   扩散式因不存在机械结构的电磁阀，以及采样吸力泵，这两个部件都由于每时每刻经年累月都需运行采样，因而存在机械磨损在1年左右就不良，甚至损毁的风险。用户后续维护起来由于机械结构复杂，维护工作十分麻烦，维护成本非常高。

5.   扩散式也不存在因泵吸式从分析主机大量的四氟管铺设到现场监测点位，四氟管受后续施工或检修等因素导致电缆挤压，而抽取不到气体的情况常有发生，用户又不能自己排查或排查起来非常麻烦，工作量大。