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技术概览

PAS痕量气体监测

光声光谱法(PAS)气体测量仪器已在多个领域得到了应用。PAS技术高度准确、稳定,且不依赖背景直接测量,不需要任何载气或消耗品。

    光声检测

    在光声光谱法 (PAS) 中,待测气体被预选的调制光源照射后,气体分子吸收一些光能,并将其转换为麦克风所检测到的声音信号。红外光源是球形的加热黑体,调制光穿过光斩波器和滤镜后,被反光镜聚焦到PAS光声腔窗口上。斩波器是一个带槽的轮盘,可旋转并有效地“打开”和关闭光源。光学滤镜是窄带红外干涉滤镜。

    穿过窗口后,光束进入PAS光声腔。如果光的频率与电池中气体的吸收带一致,则气体分子将吸收部分光。电池中气体的浓度越高,吸收的光越多。随着气体吸收能量,气体被加热并因此膨胀并导致压力上升。在斩波器作用下啊,压力将交替增加和减少-从而产生声音信号。声音信号由两个麦克风检测到。来自两个麦克风信号的电输出信号在经过处理之前先接入到放大器中。

    光声气体监测仪测量原理

    schema_pas.png

    1. 空气样本被抽入测量腔,腔室被阀门密封。

    2. 来自光源的辐射穿过斩波器和滤镜进入腔室被吸收,产生热量并引起压力变化。

    3. 压力变化对应于斩波器频率,从而产生可以被麦克风检测到的压力波。

    4. 对与气体浓度成比例的麦克风信号进行后处理,计算测量结果。

    PAS 的优势

    光声气体测量是基于与传统红外气体分析仪相同的基本原理——气体吸收红外线的能力。 但是,PAS 与这些传统技术之间存在一些重要差异。

    吸收(与浓度成比例)是直接测量的,与背景无关。这意味着 PAS 高度准确,几乎不存在不稳定因素。此外,借助 PAS,可以在单个测量腔中同时监视所有气体和蒸气,因为可以分别检测要监视的每种物质。

    最后,由于样品池的体积很小,因此所需的样品量很小。低至10毫升的样本就可以测量。

    光源

    最适合气体检测和分析的光源类型是一种可以在辐射位于红外区电磁光谱,尤其是在 650 至 4000 cm-1.

    阳光是最常见的红外光源,也是Alexander Bell在光声实验方面的开创性实验中使用的光源。正如他本人所说,尽管无疑是最便宜的光源,但它并不是最可靠的光源!

    白炽灯是日光优秀的且更可靠的替代品。最简易的类型是加热到高温的金属丝。它的主要优点是稳定,廉价和持久。光谱输出是连续的且其中70%至80%在红外区域。

    光声光谱学需要窄带宽辐射,因此白炽灯会与光学系统结合使用,选择性地提供所需的波长波段。滤镜可用于固定波长辐射,对于连续可调波长的要求,可以使用衍射光栅,棱镜或干涉仪。

    气体交叉干扰补偿

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    曲线 3 显示了三种不同气体,即气体 1、气体 2 和气体 3 的红外吸收光谱。例如,为了测量气体 1 的正确浓度,需要测量 3 个不同的波长,分别用滤镜 A、滤镜 B 和滤镜 C 表示。

    如果仅使用滤镜 A 测量气体 1,则测得的浓度为气体 1,气体 2 和气体 3 的浓度之和。因此,计算出的浓度将是错误的。该错误称为气体 2 和气体 3 对气体 1 的干扰。同样,如果仅使用滤镜 C 测量气体 1,则由于气体 3 的干扰,计算出的浓度将是错误的。

    为了解决这一问题,在光声多气体监测仪1512和1314上实现了交叉补偿算法。仪器中安装了一个滤光片,滤光片 A、B、c 分别为三个部分。首先用滤光片 A 对样品进行测量,所测信号 (SA) 可以表示为::

    SA= a1,A x c1+ a2,A x c2+ a3,A x c3

    这里:

    • SA 是滤镜A进行的麦克风信号测量.

    • a1, A 是使用滤镜A对气体1的吸收 A.

    • c1 是气体 1 的浓度.


    用同样的方法,用滤镜 B 和滤镜 C 测量相同的样品,我们得到:

    SB= a1,B x c1+ a2,B x c2+ a3,B x c3

    SC= a1,C x c1+ a2,C x c2+ a3,C x c3

    现在我们有 3 个方程 3 个未知数, c1, c2 和 c3. 确认后,仪器将自动计算未知浓度并显示校正结果。这样,通过正确选择滤镜,其他气体的干扰通常可以减少 98 % 以上。

    类似的算法可用于补偿湿度干扰。

    重要! 以上计算是基于来自麦克风的原始信号,而不是基于数据库中存储的浓度。这意味着不可能将没有交叉补偿的测量结果反算为具有交叉补偿的测量结果,反之亦然。

    各种气体的检出限

    浓度单位换算

    “检测极限图”中的检测极限是在20° C和1个大气压条件下以 “ 百万分之一 ”(体积 ppm )给出。可通过以下公式将这些值转换为浓度单位“ mg / m3”:

    对于在 20 °C 和1个大气压下的气体:
    浓度 (mg/m3)= [浓度(ppm) * Molec. weight (g/mol)] / [24.04 l/mol]

    各种气体的检出限

    以下气体只是您可以使用我们的气体监测仪系列检测到的 300多种不同气体的示例。更多信息,请参阅气体检测极限挂图。

    气体检出限 (ppm)滤镜 编号
    Nitrous Oxide0.03UA0985
    Halothane0.02UA0972
    Isoflurane0.009UA0972
    Carbon Dioxide1.5UA0982
    MMA0.02UA0971
    SF60.006UA0988
    Freon 134a0.01UA0970