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滨松产品在痕量气体分析的应用


本文将对滨松元器件在光学气体测量的应用进行盘点,内容涵盖NDIR、FTIR、TDLAS、CRDS/OA-ICOS四种测气方法的原理特点产品介绍及参数等。


光学气体测量方法的基本原理与优势


光学气体测量的原理可以理解为通过光学吸收检测特定气体。气体分子具有独特的吸收波长,可以通过测量其吸光度来测量气体密度。在红外区域,由于气体分子的振动,气体有许多吸收波长,因此红外区域用于测量各种气体。滨松为光学气体测量提供光源和探测器产品。


四种痕量气体分析方法


相比于电化学检测,光学气体检测的优势是高速响应:适用于实时气体监测。通过对单位时间内的大量数据进行积分和平均,可实现更高精度的测量。


相比于MOS类型检测,光学气体检测的优势是高精度:光学气体检测受共存气体和水蒸气的影响较小。检测每种气体的特定吸收波长,可以实现高选择性的检测。


相比于催化型检测,光学气体检测的优势是长寿命:光学测量进行非接触式检测,有助于降低系统的损耗,并减少传感器本身的退化。此外,维护的频率可以减少。


以下介绍四种痕量气体分析方法(提示:点击表格中的各类方法可快速跳转到详细内容处):


方法

波长

光源

测量对象

主要特征

NDIR

中红外

中红外LED
闪烁氙灯

主要为SO2、氮氧化物等

直接测量方式,需要对样气进行处理,适用于测量单一气体

FTIR

中红外

中红外LED
闪烁氙灯

宽吸收带、广泛吸收具有波长峰值的气体

扫描速度快,分辨率高;光通量大,灵敏度高,光谱范围宽,测量精度高

TDLAS

中红外

QCL激光器

中红外特征峰明显的

痕量气体

光谱分辨率高,灵敏度高,选择性好,能区分背景干扰;响应速度快,探测范围十分广泛

CRDS/OA-ICOS

中红外

QCL激光器

以CO2为代表的温室气体

精度高,可以在短时间内对特定气体监测


非色散红外技术(Non-Dispersive Infrared,NDIR)

1. 原理

红外光谱 : 吸收光谱。化合物分子振动时吸收特定波长的红外光;

色散 : 有分光(使用光栅或棱镜);非色散:无分光,通常使用单色光照射样品,或者使用滤光片只选取感兴趣的波长进行探测。

当环境中没有被测气体时,其强度是最强的,当有被测气体进入到气室之中,被测气体吸收掉一部分红外光,这样,到达探测器的光强就减弱了。通过标定零点和测量点红外光吸收的程度和刻度化,仪器仪表就能够算出被测气体的浓度。


NDIR的理论依据是
朗伯比尔定律 : 一束单色光照射在一吸收介质表面,在通过一定厚度的介质后,由于介质吸收了一部分光能,透射光的强度就要减弱。光的吸收浓度与吸光物质的浓度和介质的厚度有关。此处的介质就是气体。


该技术依靠化合物的红外吸收光谱来区分气体。以NDIR最常见的被测气体之一CH4为例,红外光照射甲烷分子,C和H之间发生化学键振动。不同气体分子的分子量不同,因此红外吸收的波长不同。


2. 特点

环境部:根据测试方法规定,CO2、CO需以NDIR进行测量。
(1)市场上常见的传感器不是什么气体都能测,CO2就无法测,但是NDIR传感器能测CO2
(2) 检测原理简单,维护成本低。NDIR的稳定性只取决于光源,选择正确的光源即可,很有可能的情况是仪器坏了但是探测器都是好的。
(3)必须通过采样将样气送入气室,有采样误差。因此该方法一般适用于测量一种气体,其他气体吸收目标气体相同光谱范围的光,会引起正干扰。tips:若想用该方法测量多种气体,可以添加滤光轮切换滤光片,第二个轮子添加密封的标准气体用于校准即可。


信号特点:适合测量高浓度气体,无被测气体时,信号强度最大,浓度越高,信号越小
实现单色:宽带光源+滤光片
机械调制:斩波器


3. 滨松产品


NOx,CH4 等常见化合物气体分子的吸收波长落在中红外区域。因此需要选择能发出中红外光的光源,和获得中红外光的探测器。


以下介绍滨松推荐的光源系列产品:


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中红外LED:L15893, L15894, L15895系列(点击了解)

峰值发射波长:3.3 μm、3.9 μm、4.3 μm
高输出, 提供表面贴装类型
用于测 CO2、CH4 的光源或指示灯


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闪烁氙灯模块:L13651-0X-3系列等(点击了解)

窗材:MgF2;宽波长:185~7500 nm
输出从紫外到红外的连续光谱
瞬时高峰值输出、低发热
可以选择中红外闪烁氙灯L12745-01-3


中红外石墨烯光源:宽光谱2~10 um


滨松光源产品    中红外LED

滨松光源产品    闪烁氙灯模块

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L13651-01-3/ -02-3/ -03-3/ -04-3(点击了解)

电弧尺寸:1 mm;
功率:2 W;5 V电池供电
窗材:MgF2;光谱分布:160~7500 nm
电容(μF):0.141/ 0.094/ 0.047/ 0.02


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L12745-01-3/ -02-3/ -03-3(点击了解)

电弧尺寸:1.5 m;
功率:20 W
窗材:MgF2;光谱分布:160~7500 nm
电容(μF):0.64/ 0.32/ 0.1



优点介绍:
(1)LED:成本较低,能够做到随时开关,设计发光点较为简单。
(2)闪烁氙灯模块:光谱宽,能够测量多个气体组分。
(3)中红外石墨烯光源:宽光谱,2~10 um


InAsSb 光伏探测器

(点击了解)

是分析领域用于中红外探测的主要产品
波长灵敏度在3~5 μm之间
配备了支持CO2/CH4的带通滤波器
中心波长:3.3 μm、3.9 μm、4.26 μm、4.45 μm


滨松探测器产品    InAsSb探测器


4. 应用场景

NDIR检测方法主要用来测量CO、CO2、CH4,针对这几个关键气体的检测,典型的应用场景有:水中TOC分析、医用人体呼吸机、锅炉焚烧入口的VOC浓度监测、温室气体浓度监测等。


傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy,FTIR)


1. 原理




由光源发出的光经过干涉仪转变成干涉光,干涉光中包含了光源发出的所有波长光的信息。干涉光通过样品时,某一些波长的光被样品吸收,成为含有样品信息的干涉光,由计算机采集得到样品干涉时域强度分布,经过计算机快速傅里叶变换后得到以波长或波数为函数的红外光谱图。


2. 特点

  从干涉信号(干涉图)中通过算术处理获取光谱信息
  FTIR中没有狭缝之类的色散元件,提高了光能利用率,样品置于全部辐射波长下,因此全波长范围下的吸收必然会改进信噪比,使测量灵敏度和准确度大大提高。
  更适合用于测量挥发性有机化合物:甲苯、苯、氯氟化碳等。

国家环境标准规定了固定污染源废气/气态污染物(SO2、NO、NO2、CO、CO2)的便携FTIR测定法。



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InAsSb光伏探测器

P12691

(点击了解)

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II型超晶格红外探测器

 P15409-901标准系列

(点击了解)

无需液氮,易于使用

截止波长8.3 μm
峰值波长6.70 μm

液氮冷却型,有效降低暗电流

峰值波长5.4 μm
良好的线性


滨松探测器产品    InAsSb光伏探测器 P12691

滨松探测器产品    II型超晶格红外探测器 P15409-901标准系列

tips:以上是作者为推荐探测器型号,实际上对于所有的InGaAs探测器,FTIR均适用


4. 应用场景


FTIR广泛用于塑料、纤维、涂层等众多高分子及无机非金属材料的定性和定量分析,所以它可以应用在:原材料和成品的质量检验、薄膜与涂层的分析、汽车尾气或烟囱的排放物监测、失效分析、食品中反式脂肪酸含量测定等。


可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)



1. 原理

原理:用单一窄带的激光频率扫描一条独立的气体吸收线。
朗伯比尔定律:使气体分子对被调制的激光进行吸收,从而根据吸收量实现对气体分子浓度的测量

该技术使用的光源是可调谐半导体激光器,具有窄线宽,入射波长随注入电流改变。该特性可以实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。以下是原理图:



2. 特点


(1)高选择性,高分辨率:由于半导体激光器的高单色性,可以利用待测气体分子的一条孤立的吸收谱线进行测量,避免了不同分子光谱的交叉干扰,从而准确的鉴别出待测气体对所有在红外有吸收的活跃分子都有效。同样的仪器可以方便地改成测量其它组分的仪器,只需要改变激光器和标准气;


(2)速度快,灵敏度高。时间分辨率可以在ms量级;


(3)可以选择性地测量来自同一分子不同同位素的气体的吸收,因此适用于同位素测量领域;


(4)适用于痕量气体分析:大多数气体中红外特征峰明显。



DFB QCL:光谱窄,低功率,可达到单模输出,可调谐(调谐范围窄)


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连续波量子级联激光器
(QCL)L1200X系列(点击)

半导体激光器
预制件分布式反馈(DFB)构造
快速波长调谐
电流调制

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InGaAs PD
G12180~G12183系列(点击)

适用于近红外
0.9 ~2.6 μm的光谱响应
高速,高灵敏度,低噪声


滨松光源产品    QCL L1200X系列


4. 应用场景


由于TDLAS具有高精度、高选择性、高分辨率等特点,它可以广泛的应用在恶劣工业环境下的气体浓度检测,比如:汽车和船舶尾气的排放、石油化工厂区的有毒有害气体泄漏监测等。


TDLAS小分类:光腔衰荡光谱(CRDS)


光腔衰荡光谱(CRDS)是近几年来迅速发展起来的一种高灵敏度的吸收光谱检测技术。


原理:

在传统的红外光谱仪中,痕量气体产生的吸收量太少,通常灵敏度只能达到ppm级别。CRDS通过使用长达数公里的有效吸收光程来突破这种灵敏度限制。它能在几秒钟或更短的时间内对气体进行监测,灵敏度可以达到ppb级别,甚至有些气体可以达到ppt级别。


TDLAS小分类:离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)


离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)在CRDS的原理上进行了优化。它采用离轴入射的方式,不需要像CRDS一样必须让衰荡腔的模式和气体分子的特定波长匹配。




方法对比:


CRDS和OA-ICOS都主要用于温室气体的检测。目前国标中有对CO2和CH4用CRDS法测定的标准要求,要求对250至520 ppm的CO2浓度做到0.1 ppm的重复精度,对1.2 ppm~4 ppm的CH4实现2 ppb的重复精度。


由于衰减腔的反射率很高,所以每次通过的光比较微弱。需要选择大功率激光器和响应速度快的红外探测器。
但是OA-ICOS测量的是反射镜背后的微弱光,所以对探测器的要求可以低于CRDS。


滨松中国的产品阵容



相关资料




介绍量子级联激光器(QCL)在痕量气体检测中的应用及优势。


本网页介绍了量子级联激光器(QCL)在痕量气体检测中的应用。


介绍有关量子级联激光器(QCL)的一些资料合集。


本文涉及到的相关产品参数说明。



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