?

Máy phân tích khí hồng ngoại xác định nồng độ khí bằng cách đo sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở các bước sóng đặc trưng. Hoạt động của chúng dựa trên định luật Lambert–Beer, liên hệ sự hấp thụ quang học với nồng độ khí và chiều dài đường đi quang học. Tuy nhiên, trong các thiết bị thực tế, tín hiệu đo được còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ mẫu, áp suất mẫu, độ ổn định quang học và điều kiện hoạt động của bộ dò.

Nhiệt độ và áp suất là một trong những biến số môi trường và quy trình quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ chính xác, khả năng lặp lại và độ ổn định lâu dài của phép đo khí hồng ngoại.

Mối quan hệ giữa cường độ hồng ngoại tới và truyền qua có thể được biểu diễn dưới dạng đơn giản hóa như sau:

Mối quan hệ này giả định rằng các điều kiện đo liên quan được kiểm soát. Sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất có thể làm thay đổi mật độ phân tử khí, đặc tính hấp thụ, điều kiện đường đi quang học và phản ứng của các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ. Các hiệu ứng phát sinh có thể biểu hiện dưới dạng trôi điểm không, trôi điểm đo, nhiễu tăng hoặc giảm khả năng lặp lại.

Sự biến đổi nhiệt độ có thể gây nhiễu cho phân tích khí hồng ngoại thông qua cả khí mẫu và phần cứng của máy phân tích.

• Thay đổi đặc tính hấp thụ của khí: Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phân bố trạng thái năng lượng phân tử và có thể làm thay đổi vị trí và cường độ của các đặc trưng hấp thụ hồng ngoại. Do đó, cùng một nồng độ khí có thể tạo ra phản ứng hấp thụ khác nhau ở nhiệt độ khác nhau, dẫn đến trôi điểm đo hoặc phạm vi đo.
• Biến đổi mật độ khí: Khi áp suất không đổi, nhiệt độ khí tăng làm giảm số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích. Giảm nhiệt độ có tác dụng ngược lại. Nếu mối quan hệ này không được bù trừ đúng cách, nồng độ chỉ thị có thể sai lệch so với giá trị thực tế.
• Thay đổi đường đi quang học: Sự giãn nở và co lại do nhiệt của buồng khí và cấu trúc hỗ trợ của nó có thể gây ra những thay đổi nhỏ về chiều dài đường đi quang học hoặc sự căn chỉnh quang học. Vì chiều dài đường đi là một phần của mối quan hệ Lambert–Beer, những thay đổi này có thể làm nhiễu đường cơ sở đo.
• Độ bất ổn của nguồn sáng: Đầu ra của nguồn hồng ngoại có thể thay đổi theo nhiệt độ, ảnh hưởng đến lượng và phân bố phổ của bức xạ đi vào buồng đo.
• Phản ứng của bộ lọc và bộ dò: Các bộ lọc quang học và bộ dò hồng ngoại nhạy cảm với nhiệt độ. Sự biến động nhiệt độ có thể làm dịch chuyển phản ứng của thành phần hoặc làm mất ổn định đường cơ sở của bộ dò, góp phần gây trôi điểm không và khả năng lặp lại dữ liệu kém.
• Nguy cơ ngưng tụ: Ở nhiệt độ thấp, hơi nước hoặc các thành phần có thể ngưng tụ khác trong mẫu có thể hóa lỏng. Chất ngưng tụ có thể làm bẩn các cửa sổ buồng, hấp thụ năng lượng hồng ngoại, hạn chế dòng chảy mẫu và cản trở hoạt động bình thường của máy phân tích.

Sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng thường khó khắc phục hơn sự thay đổi chậm, ổn định vì buồng khí, bộ phận điện tử, nguồn sáng và bộ dò có thể không đạt được trạng thái cân bằng nhiệt ở cùng một tốc độ. Điều này có thể tạo ra sự trôi tạm thời ngay cả khi có cơ chế bù nhiệt độ.

Sự hấp thụ hồng ngoại phụ thuộc vào số lượng phân tử khí hấp thụ trong đường đi quang học. Vì lý do này, áp suất buồng mẫu có ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu đo được. Áp suất môi trường xung quanh cũng trở nên quan trọng khi hệ thống mẫu hoặc buồng đo theo dõi áp suất khí quyển.

• Áp suất cao: Sự gia tăng áp suất mẫu làm tăng mật độ số phân tử. Điều này thường làm tăng cường độ hấp thụ hồng ngoại và có thể gây ra kết quả đọc cao hơn nồng độ thực tế nếu các hiệu ứng áp suất không được bù trừ.
• Áp suất thấp: Sự giảm áp suất mẫu làm giảm mật độ số phân tử và làm yếu sự hấp thụ, có thể dẫn đến kết quả đọc thấp hơn thực tế.
• Áp suất không ổn định: Sự biến động áp suất nghiêm trọng có thể làm nhiễu dòng khí qua buồng và tạo ra các kết quả đọc không ổn định, nhiễu cao hơn hoặc giảm khả năng lặp lại.
• Sự thay đổi áp suất tạm thời: Sự biến đổi áp suất nhanh có thể vượt quá khả năng phản ứng hoặc phạm vi hiệu chỉnh của các thuật toán bù trừ thông thường. Điều này có thể dẫn đến lỗi đo tạm thời ngay cả khi có cảm biến áp suất.

Các hệ thống phân tích khí hồng ngoại công nghiệp thường kết hợp ổn định phần cứng, xử lý mẫu và bù trừ phần mềm. Cấu hình phù hợp phụ thuộc vào thành phần khí, điều kiện quy trình và thiết kế máy phân tích.

1. Ổn định nhiệt độ buồng khí. Giữ cho buồng và các thành phần quang học quan trọng trong phạm vi nhiệt độ được kiểm soát sẽ giảm sự trôi nhiệt và hỗ trợ các phép đo hấp thụ có khả năng lặp lại.
2. Áp dụng bù trừ nhiệt độ và áp suất. Các cảm biến tích hợp có thể cung cấp dữ liệu thời gian thực để hiệu chỉnh đầu ra của máy phân tích. Việc bù trừ hiệu quả nhất khi các cảm biến đại diện chính xác cho các điều kiện bên trong hoặc gần buồng đo.
3. Điều chỉnh áp suất mẫu. Các bộ điều chỉnh áp suất, bộ hạn chế hoặc các thiết bị xử lý khác có thể giảm thiểu sự khác biệt giữa điều kiện hiệu chuẩn và điều kiện đo.
4. Duy trì dòng chảy mẫu ổn định. Ổn định dòng chảy làm giảm sự nhiễu loạn và sự thay đổi thời gian lưu trong buồng, giúp cải thiện tính nhất quán của tín hiệu.
5. Ngăn ngừa ngưng tụ. Các đường dẫn mẫu, bộ lọc và buồng khí phải được duy trì trong các điều kiện ngăn nước hoặc các thành phần có thể ngưng tụ khác hóa lỏng.
6. Cho phép thời gian khởi động và ổn định đủ. Các phép đo được thực hiện trước khi nguồn, bộ dò, bộ phận điện tử và buồng khí đạt đến điều kiện hoạt động ổn định có thể cho thấy sự trôi tạm thời.
7. Hiệu chuẩn trong điều kiện đại diện. Bất cứ khi nào có thể, áp suất hiệu chuẩn, nhiệt độ và điều kiện xử lý mẫu phải nhất quán với hoạt động bình thường.

Tại sao máy phân tích khí hồng ngoại bị trôi khi nhiệt độ môi trường thay đổi?
Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến phản ứng hấp thụ khí, đường đi quang học, đầu ra nguồn hồng ngoại, đường cơ sở bộ dò, bộ lọc và các thành phần điện tử. Ảnh hưởng tổng hợp có thể biểu hiện dưới dạng trôi điểm không, trôi điểm đo hoặc giảm khả năng lặp lại.

Áp suất khí quyển có luôn bằng áp suất bên trong buồng khí không?
Không. Áp suất buồng phụ thuộc vào hệ thống mẫu, kết nối quy trình, điện trở dòng chảy, cách bố trí thoát khí và các thành phần kiểm soát áp suất. Việc hiệu chỉnh phép đo phải dựa trên áp suất đại diện cho các điều kiện thực tế của buồng khí.

Liệu bù trừ phần mềm có thể loại bỏ hoàn toàn lỗi nhiệt độ và áp suất không?
Việc bù trừ có thể giảm đáng kể các lỗi có thể dự đoán được, nhưng nó không nhất thiết có thể khắc phục các sự cố nghiêm trọng, ngưng tụ, quang học bị bẩn, dòng chảy không ổn định hoặc các điều kiện hoạt động nằm ngoài phạm vi bù trừ của máy phân tích. Việc xử lý mẫu ổn định vẫn là điều cần thiết.

Tại sao ngưng tụ đặc biệt có hại cho phép đo hồng ngoại?
Chất ngưng tụ có thể phủ lên các cửa sổ quang học, hấp thụ hoặc tán xạ bức xạ hồng ngoại, thay đổi thành phần mẫu và hạn chế dòng chảy. Những ảnh hưởng này không thể được khắc phục một cách đáng tin cậy chỉ bằng một thuật toán nhiệt độ hoặc áp suất tiêu chuẩn.

Nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hấp thụ khí và độ ổn định hoạt động của máy phân tích khí hồng ngoại. Sự thay đổi nhiệt độ có thể làm thay đổi sự hấp thụ phân tử, mật độ khí, điều kiện đường đi quang học và phản ứng của các thành phần, trong khi sự thay đổi áp suất ảnh hưởng đến số lượng phân tử hấp thụ trong buồng đo. Sự biến động nhanh chóng cũng có thể làm tăng nhiễu và vượt quá khả năng của các phương pháp bù trừ thông thường.

Do đó, nhiệt độ buồng ổn định, bù trừ nhiệt độ và áp suất hiệu quả, áp suất và dòng chảy mẫu được kiểm soát, và việc ngăn ngừa ngưng tụ đúng cách là điều cần thiết để duy trì các phép đo khí hồng ngoại chính xác và có khả năng lặp lại trong các ứng dụng công nghiệp.