技术资料

Non-Dispersive InfraRed History

非分散红外技术（NDIR）发展史

20世纪30年代，非色散红外气体分析仪（NDIR）首先在德国发明并使用。这种分析器是第一个在线连续过程气体分析仪。从那以后,成千上万的这类分析仪被发明出来，并被应用于燃烧、污染、医疗、汽车、化工、炼油和其他领域。尽管这种技术已经在百分率到百万分率范围内被用来测量超过100不同的气体，CO是被这种技术测量最多的气体，并且由于它在燃烧应用方面的意义，它被认为是主要的例子。CO被作为监测燃烧产生的污染气体的代表。多年来对这项技术的持续改进使得这种技术成为最成功和最通用的气体分析技术。比尔朗伯科技将以CO的NDIR分析仪为例，为大家简要介绍该技术的发展历程。

一、前言

二、早期的开发阶段

这两位科学家是第一个使用microphonic 气体探测器，并使用两个能够电加热到1000K的镍铬线圈作为辐射源，通过斩波器实现辐射调制，将被测气体充入气室，同时在参照室充满氮气。如果在样品室里有辐射吸收，则样品室探测器的气压会变化。通过一个可变的孔径，使照射入样品室和参照室的两束光的能量变得相同。再使用隔膜电容器的电容改变调制频率，由此产生的交流电压放大，进行修正，并记录，从而分析气体浓度。

二、发展状况

非色散红外气体分析技术（NDIR）所需的科学理论来或多或少是在19世纪20年代发展的： 1666年，天文学家艾萨克·牛顿开始探讨太阳光的光谱，是最早的光谱研究工作； 1752年，托马斯·米尔威苏格兰首次观测到谱线； 1800年，威廉·赫歇尔用棱镜和温度计了解到提供最大加热效果的射线超出了可见光的红色射线的范围； 1802年，托马斯·杨在使用用衍射光栅得到光的波长是分辨光的色彩的本质； 1823年，约翰·赫歇尔描述了利用谱线检测少量的化学物质； 1852年，奥古斯特·比尔和兰伯特证明谱线吸收与物质浓度呈对数关系，标志着朗伯-比尔定律诞生； 1861年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发表麦克斯韦方程组； 1891年，A·迈克尔逊发明了干涉仪； 1900年，马克斯普朗克提出了量子理论，同年，威廉·科采集了有机物的红外光谱； 1926年，W·海森堡和E·薛定谔发展波动力学； 1928年11月3日，德国柏林人Hans Schmick的能够确认气体成分的红外光谱仪器被美国授予专利。接下来的两年又有两个相似的设备被授予此项专利。 1930年，Schimick 又获得了负滤波方法的专利。 显然这项技术被忽略了多年，直至在二战期间被用于制作红外设备，才重新被提上日程。有趣的是要注意，这是利兹和诺斯罗普仪器的基础，在二战期间却被盟军利用了。这些设备使用了热电类型的探测器，并提供了CO 0~1%含量范围的测量，同时通过利用气体过滤器元件实现气体的选择性。随着Ultrarot absorpions schreiber（URAS）的发展，非色散红外分析技术终于迎来了决定性时刻，1937年，来自于德国路德维希港法本公司的欧文·莱勒和卡尔·拉夫特博士提出了NDIR。

NDIR技术的一长串的改进，大多数都有细微的影响，稳定性和灵敏度都在逐渐提高。例如：胜斐迩于1973年申请了专利，进一步改善测量室，进一步缩小零点漂移；1975年斯泰伯演示了一个方法来减少交叉灵敏度；Fabinski在1979年显示了如何利用负筛选样品气体提高检测灵敏度十倍。通过数代人的努力，NDIR技术继续发展在减少交叉干扰、提高了气体检测灵敏度和缩小零点漂移的道路上。 非分散红外分析技术（NDIR）有着有趣的发展历史，它开始于1937年，经过数代人的努力和发展，它的测量级别从20世纪30、40年代的0-1000 ppm一直下降到目前的0 -5ppm水平。正如最初的发明这个分析技术是为了满足一种应用需求，未来的这种分析技术还将继续应对未来的需求，满足未来几代人的需要。

图1、欧文·莱勒

可以被红外气体分析仪测量的气体包括：CO，CO2，CH4，C2H2，C2H6，C3H6，NO，N2O，环氧乙烷，丁二烯，丙酮，乙醇，苯，二甲醚等等。 20世纪30年代期间是化工行业一个快速增长期： 1938年3月，莱勒和拉夫特的有利特征的新的测量方法被证明，申请了专利并于； 1952年，许可生产Ultrarot absorpions schreiber通过从巴斯夫对哈特曼&布劳恩在法兰克福注册包括商标。 1955年底，URAS-1提供在很短的时间内测量CO、CO2、或甲烷等30气体有可能应用气体。当时主要应用是安全、过程测量在化工、环境监测健康和爆炸物检测、锅炉烟道气体检测、植物病理学、医学使用。 1957年，拉夫特博士继续NDIR技术的开发工作，并加入德国Berkwerksverband 有限公司。为了解决硬煤开采行业采矿的问题，拉夫特博士开发出可靠和准确的工具来测量CO和CH4——两层探测器，见图5。 两层探测器带来NDIR的一些改善，这种设计有两个优点：一、优异的零点稳定性；二、交叉干扰较小。但这种方法需要被测量气体在填充进气室后的很长一段时间内，至少24个月或36个月内是稳定的，而某些气体如二氧化氮和氯化氢是不稳定的，因而被填充到检测器中，并不能达到良好的测量效果。在这种情况下，研发新的光谱检测组件是必要的，拉夫特博士继续他的研究工作，也给下一代留下了改进空间。

朗伯-比尔定律

图2、卡尔·勒夫特

图3、原款URAS实验平台

图4、URAS实验平台结构简图

NDIR

非色散红外气体分析仪（NDIR）

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