二氧化碳红外气体分析仪eryanghuatan hongwai qiti fenxiyicarbon dioxi de infrared gas analyser

利用CO₂对红外光谱中某特定波长有强烈吸收能力的特性以测量植物气体环境中CO2浓度的仪器。可用于分析植物光合作用和呼吸作用， 也可测量动物的呼吸作用。普通大气中所含CO₂的浓度约为320μl/L，在植物叶片光合作用旺盛时， 叶片周围空气中的CO₂浓度远比这一数值低。因此， 需要用微量级的气体分析仪器来测定。过去主要采用普通的化学分析方法， 效率低， 不能连续测定， 也就不能很好地了解植物光合作用的整个过程。1890年左右F·帕馨等人发现CO2能吸收红外辐射这一特性后， 便采用红外气体分析仪来测定CO₂的浓度。由于仪器的自动化程度高， 能够连续采样， 并能将CO₂浓度的连续变化记录下来， 对研究光合作用非常有利， 现已普遍使用(见图1)。

图 1 CO₂红外气体分析仪

原理 不同的气体分子， 对于红外辐射区有着不同的吸收特征波长。CO2气体对4.26微米波长红外辐射有强烈的选择吸收能力。这是因在4.26微米波长红外线作用下，CO₂分子偶极子与之发生共振，因而能吸收这个波长的红外辐射。其他单原子(如H)及同原子分子(如N₂、H₂)则不存在振动偶极子，故不吸收红外辐射。当波长4.26微米的红外线通过含有CO₂的空气时，部分能量被CO₂吸收，能量的减少量可根据比尔定律(Beer’s Law)测定，即：
E=E₀×e-^KcL(1)
或 △E=E0-E=E0(1-e-^KcL) (2)式中 E₀是入射前的红外辐射能量；E是被CO₂吸收后的红外辐射能量：K是CO₂气体的吸收系数：c是空气中CO₂浓度；L是红外光线在气体层中通过的距离，对给定仪器为常量；△E只与CO₂气体浓度c有关，如能测出△E值，即可求得CO₂的浓度。
基本结构 一般可分为三部分，即光路部分、气样采集部分和电子放大显示部分。光路部分包括产生红外线的红外辐射源及信号调制器。气样采集部分包括测量气室和采样气路等。电子放大显示部分包括接收红外辐射的红外检测器、电讯号放大器、显示记录器等。
工作过程 仪器的作用是要测出△E值，以便能在显示器上直接读出空气中的CO₂含量。按结构可分为双气路和单气路两类。

图2 双气路型CO₂红外气体分析仪示意图

双气路型 图2中1和2表示两个波长和强度都相同的红外辐射源，一般由红外灯泡和光学滤光片组成。红外灯泡所产生的红外辐射，波长范围较宽，经过滤光片后，即变成了波长4.26微米的红外平行光束。红外光束1通过对比管到达检测器6，对比管4是密闭的，管内充满已知浓度的标准气体，例如纯净的N₂。管内CO₂浓度接近于零，不吸收4.26微米波长的红外辐射，因此检测器右边得到的能量相当于公式(2)中的E₀。红外光束2通过试样管5时，一部分能量被流动空气样品中的CO₂气体所吸收，因而到达检测器左边的能量，就相当于公式(2)中的E，显然检测器两边接收的能量不等，其差值相当于△E。检测器是个薄膜电容器，通过汇集膜7，它把△E变成电迅号，并送到信号放大器8加以放大，再经检波整流以后由显示器直接显示CO₂的浓度。显示器可以是电流表或自记电位差计9，也可用数码显示10并配备数字打印机。旋转遮光器3是一块由同步电机11驱动、其扇形角为90°的双扇形黑色薄板，两扇形相距亦为90°，它以恒速转动，薄板转动一周使光路各通断两次。就这样把原来两个光路所形成的直流信号变成了断续的脉冲信号。因为放大交流信号比直流信号方便，也比较准确， 精度高。
单气路型 结构简单，体积和重量都小，便于携带，它只用一个气室和一个红外辐射源。红外源放在一个受同步电机带动的圆形调制筒内，筒上开有6个窗孔，沿圆周均匀分布，互差60°；孔上装有A、B两种滤光片各三片，A.B相间排列， A型片只允许4.26微米波长红外光通过： B型片只允许CO₂不吸收的红外光通过。于是，当调制筒转动时，就会有CO₂能吸收和不能吸收的两种红外光束交替通过测量气室，室内流动空气中的CO₂将吸收其中一种光束的部分能量：因此，接收到的能量也交替为E和E₀，其差值就是△E。所以， 调制筒每转一周，就可得到三个△E值。如此循环往复，可得到较为准确的CO₂气体含量。
注意事项 ❶要除尘除湿。由于水汽分子是偶极子，也强烈吸收红外线，除湿不尽会严重影响CO₂气体的测量准确度。尘埃中的杂质，有一些能吸收红外线，也会干扰测量结果。
❷防止人为影响。人体在日常呼吸中呼出CO₂，不注意也会影响测量结果。另外，还要注意空气密度变化对CO₂浓度的影响。在精密测量时应考虑温度和气压的订正问题。
❸经常注意仪器的校准。仪器在使用一段时间后，可能发生某些性能方面的变化，影响测量的准确度。