技术文章

1 引 言

        QGS-08C 红外线气体分析器是基于NDIR（不分光红外）和薄膜微音测量原理，在老一代模拟红外线气体分析器基础上，采用*的电气处理和软件分析方法，成功研制的新一代数字式红外线气体分析器。此分析器用于连续测定多种工业流程或实验室产生的气体（CO，CO2，CH4，SO2 NO 等）的浓度，可以长时间在线运行。仪器有零点/量程的手动/自动校准、线性化处理、温度补偿、开关量输出控制、电流/电压输出、系统设置等功能，均使用数字处理技术。QGS-08C 红外线气体分析器具有双量程及中间量程（量程比不大于1：10）测量功能。仪器精度高，稳定性好，抗*力强，受温度影响小，可靠性高，*适应环境恶劣的工业流程在线使用。仪器具有通讯功能，包括RS232、RS485、CAN 总线及以太网，经一条通讯线缆，可将分析器测量信息及状态信息发送给其他数字设备（如计算机、DCS 系统），可实现仪器状态的远程在线监测。

        通常工业流程中微量气体的分析采用在线色谱或质谱分析，但系统复杂，操作麻烦，可靠性低，且价格昂贵。QGS-08C 红外线气体分析器灵敏度高，稳定性好，适合ppm 级浓度的微量气体分析，在某些流程工艺段中*可以替代在线色谱或质谱分析仪器。

2 测量原理

        红外吸收光谱法表明许多非单元素气体分子在红外波段存在特征吸收，特征吸收强度与气体浓度成正比例关系。QGS-08C 红外线气体分析器据此物理原理设计，用于分析混合气体中某种或某几种待测气体组分的浓度。

        仪器采用单光源和薄膜电容检测器，测量气室和参比气室采用“单筒隔半”型结构，接收气室属于串联型，有前、后两室，二者之间用晶片隔开，提高了抗非测量组分干扰的能力。

        在检测器的内腔中位于两个接收室的一侧装有薄膜电容检测器，通过参比气室和测量气室的两路光束交替射入检测器的前、后吸收室。在较短的前室充有被测气体，这里辐射的吸收主要是发生在红外光谱带的中心处，在较长的后室也充有被测气体，由于后室采用光锥结构，它吸收谱带两侧的边缘辐射。

        当测量气室通入不含待测组分的混合气体（零点气）时，它不吸收待测组分的特征波长，红外辐射被前、后接收气室内的待测组分吸收后，室内气体被加热，压力上升，检测器内电容器薄膜两边压力相等，接收气室的几何尺寸和充入气体的浓度都是按上述原则设计的。当测量气室通入含有待测组分的混合气体时，因为待测组分在测量气室已预先吸收了一部分红外辐射，使射入检测器的辐射强度变小。此辐射强度的变化主要发生在谱带的中心处，主要影响前室的吸收能量，使前室的吸收能量减小。被待测组分吸收后的红外辐射把前、后室的气体加热，使其压力上升，但能量平衡已被破坏，所以前、后室的压力就不相等，产生了压力差，此压力差使电容器膜片位置发生变化，从而改变了电容器的电容量，因为辐射光源已
被调制，因此电容的变化量通过电气部件转换为交流的电信号，经放大后处理后得到待测组分的浓度。

3 性能指标

        可测量的气体组分zui小量程如表1 所示：

表1 可测量范围

主要技术指标如下：
重复性： ≤0.5%
稳定性： ±1% FS/7d
线性偏差： ±1% FS
响应时间（T90）：≤25s（MAX）
环境温度影响： ±1% FS （5℃～40℃）
气压波动影响： 每103Pa 压差为0.6% FS
干扰误差影响： ±1% FS

4 技术特点

QGS-08C 红外线气体分析器具有如下技术特点：

（1）稳定性好，非常适合在线使用。

（2）灵敏度高，既可以分析常量气体，又可以分析微量气体，适用量程范围广。

（3）抗背景气体*力强，只有与检测器内气体吸收谱线有重合的气体才有灵敏度。双层吸收气室结构降低了干扰组分的交叉灵敏度。

（4）环境温度影响小。环境温度的变化对气体吸收及检测器的灵敏度有一定影响，光学部件高温恒温（45～50℃），且增加软件补偿后，工作温度范围的影响误差控制在±1％FS 之内。

（5）当仪器剧烈振动时对测量会有一定影响，这是由此种传感器测量原理决定。仪器内部设计了振动消除措施，可以显著减弱振动的影响。

（6）QGS-08C 红外线气体分析器通过专业机构全面的电磁兼容性测试[6,7]，具有很高的可靠性和环境适应性，适用于电磁环境恶劣的工业流程。产品已经形成稳定的大批量生产，每年销售1000 台以上，故障率很低，年度统计在5%以下，实属令人放心的*水平，是技术成熟，质量稳定的产品，*适合在线使用。

表2 为薄膜微音检测方法与其它几种主要红外在线气体分析方法的比较。
表2 技术特点比较

注：★★★表示非常好；★★表示较好；★表示一般；×表示较差。

5 非防爆型QGS-08C 红外线气体分析器

        非防爆型QGS-08C 红外线气体分析器采用483mm（19″）嵌入式机箱，通常安装于483mm（19″）标准机柜内。本型号仪器属于非防爆型电气设备，禁止在有爆炸危险的场所使用。外观图如图1 所示。

6 隔爆型QGS-08C Ex 红外线气体分析器

        QGS-08C Ex 隔爆型红外线气体分析器是在QGS-08C 红外线气体分析器的基础上，采用隔爆型机箱重新设计完成的隔爆型产品。本仪器壳体采用Ex 元件，该Ex 元件防爆标志为ExdⅡC，为整体隔爆型式，*符合国家标准GB3836-2000《爆炸性气体环境用电气设备》的有关规定，并取得防爆合格证。具有新型防爆螺纹的可拆装结构，使得现场维护十分方便、简洁。

        防爆级别为ExdⅡCT6（含乙炔），防护等级为IP65。

        由于本仪器具有隔爆型防爆结构，可适用于含有ⅡC 级T6 组及其以下的爆炸性气体及其混合物形成的1 区、2 区危险环境中。

        隔爆型外观图如图2 所示。

7 典型应用

        QGS-08C 红外线气体分析器具有一系列突出的性能和品质，特别适用于石油、化工、化肥在气体分析工程项目中的在线分析系统。例如我国技术、规模zui大的大化肥生产装置（江苏灵谷化工限公司，45 万吨合成氨＋80 万吨尿素）就采用QGS-08C Ex 隔爆型红外线气体分析器20 台。整个在线气体分析工程项目于2009 年6 月全部投运成功。

        QGS-08C 红外线气体分析器适合在线分析流程气体浓度，尤其适合分析微量的气体浓度。在合成氨及空分领域具有广泛应用，典型工艺应用介绍：

        1）合成氨

        合成氨的生产过程：

        *步：原料气的制取。制备含有H2、CO、N2 的粗原料气。一般由造气、空分工序组成。

        第二步：原料气的净化。除去粗原料气中的H2、N2 以外的杂质。一般由原料气的脱硫、一氧化碳的变换、二氧化碳的脱除、原料气的精制工序组成。

        第三步：原料气的压缩与合成。将符合要求的氢氮混合气压缩到一定的压力后，在高温、高压和有催化剂的条件下，将氢氮气合成为氨。一般由压缩、合成工序组成。

        QGS-08C 可用于分析各工序中CH4、CO、CO2、NH3 等组分的含量。例如分析合成塔入口气体组分：0～20%的CH4，0～5％的NH3。合成塔出口气体组分：0～20％的NH3。

        在合成氨流程中，经变换和脱碳后的原料气尚有少量的一氧化碳（＜0.5%）、二氧化碳（＜0.1%），为了防止它们对氨合成催化剂的中毒，在送往合成以前，必须作zui后的净化处理，生产中称为精炼。精炼后气体中的一氧化碳和二氧化碳的总量，大化肥厂控制在小于10ppm，中小化肥厂控制在小于25ppmm。QGS-08C 适合精练以后CO 和CO2 的浓度分析，例如0～30ppm的CO，0～20ppm 的CO2。仪器稳定性好、可靠性高，在该工艺段应用被普遍认可。

        2）空分

        空气分离装置是用深度冷冻法（压缩和膨胀）将空气分离成高纯度的O2、N2、Ar 等气体的装置。空气中大约有380～500ppm 的CO2，CO2 在低于-78.5℃时就会结成固体，而分馏塔的操作温度在-180℃左右，若大量的CO2 进入分馏塔内，将会堵塞气路，使设备无法工作。为此，必须除掉空气中的CO2，CO2 是否已除去，需要用CO2 分析器来检测，工艺要求CO2 含量在1ppm 以下，仪器量程0～5ppm 或0～10ppm。QGS-08C *适合此工艺段的要求，已得到大量应用。

        3）北分麦哈克供货的山东兖矿国泰化工甲醇/醋酸一期工程，就是以QGS-08C 红外线分析器为主体的在线分析系统。该工程被评为建国六十周年百项经典工程之一。

8 结束语
        北京北分麦哈克分析仪器有限公司研发生产红外线分析器已有48 年历史，QGS-08C 和QGS-08C Ex 红外线气体分析器是基于引进德国Maihak 公司*技术，自主开发生产的新一代产品。QGS-08C 红外线气体分析器的优良性能、市场表现及工程应用实践经验都已表明：它是技术成熟、质量稳定的优良产品，它是我国在线气体分析器的代表之一。QGS-08C红外线气体分析器已经成为企业技术体系的重要核心和支柱，甚至是典型标志，为广泛开展在线分析系统的工程应用提供了zui有力的支持。特大型化肥和型化工的典型业绩，是国产在线分析仪及在线分析系统工程应用真实技术的有力证明。

参考文献

1、王森，在线分析仪器手册，化学工业出版社，2008
2、林钧挺等，中国红外产品指南，电子工业出版社，1994
3、金义忠，论在线分析系统的高准确度应用，分析仪器，2009（2）:51-55
4、北京北分麦哈克公司QGS-08C 红外气体分析器使用说明书，2008
5、北京北分麦哈克公司QGS-08E 红外气体分析器使用说明书，2009
6、金义忠，在线分析系统的广义抗干扰研究，分析仪器，2009
7、白同云，电磁兼容设计，北京邮电大学出版社，2001