眾所周知，基于紅外非色散原理（NDIR）制作的紅外氣體傳感器可能存在背景氣體交叉干擾。你了解其中原因嗎？你了解了其一你還了解潛伏極深的其二嗎？下面帶你去了解你未必知道的鬼魅型紅外氣體分析交叉干擾。
1. 常規(guī)紅外氣體交叉干擾
對于紅外氣體分析交叉干擾最直接的解釋是因?yàn)橹羞h(yuǎn)紅外窄帶濾光片的半寬造成的，這種濾光片的半寬一般達(dá)到90nm或180nm，這個(gè)范圍可能有多種氣體具有吸收作用，因此造成互相干擾。
如圖1、圖2所示分別為CO2與CH4在2200~2450cm-1（即波長4~4.5um）之間的吸收強(qiáng)度，CO2的最高吸收強(qiáng)度為3.5*e-18左右，而在這段范圍內(nèi)還存在的甲烷的吸收，最高強(qiáng)度小于4*e-22，吸收強(qiáng)度大約相差4個(gè)數(shù)量級左右。
按此推算，同等光程下，大約1%的甲烷對光能的吸收作用相當(dāng)于1ppm的二氧化碳吸收信號，即1%的甲烷可以造成二氧化碳約1ppm的誤差。這個(gè)粗略計(jì)算的數(shù)據(jù)與我們研制的天然氣專用CO2紅外NDIR檢測模塊（量程0~100ppm）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近。
圖1 CO2氣體在4~4.5um的吸收譜線
圖2 CH4氣體在4~4.5um的吸收譜線
這種直接的吸收線干擾是最容易理解的，也是我們說的常規(guī)紅外氣體交叉干擾原因。其他干擾包括H2O對CH4的干擾、CO2與CO之間的干擾等等，對于紅外NDIR原理的使用需要對交叉干擾進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與分析。
然而，交叉干擾的原因只有這一個(gè)嗎？當(dāng)然不是。
2. 鬼魅型紅外氣體交叉干擾
我們再來看看CO2對CH4的干擾。也即在類似沼氣的測量過程中會(huì)發(fā)生什么樣的交叉干擾呢？如圖3、圖4為CO2和CH4在2900~3100cm-1（即波長3.22~3.45um）之間的吸收譜線，紅外CH4模塊就是使用的這一波段。
圖3 CO2氣體在3.22~3.45um的吸收譜線
圖4 CH4氣體在3.22~3.45um的吸收譜線
從圖中可以看出，相同濃度等級的CO2應(yīng)不會(huì)對CH4產(chǎn)生干擾。我們來看實(shí)驗(yàn)。
以下為我們研制的低成本紅外小模塊進(jìn)行的測試實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)K為甲烷傳感器，量程0~100%，
測試前已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)，線性誤差小于1%。試驗(yàn)一：將高純CO2氣體通入量程為0~100%的6支CH4傳感器，結(jié)果如表1所示。
表1 在5個(gè)甲烷模塊中通入100%CO2的結(jié)果
從結(jié)果看，單純的CO2對甲烷傳感器并沒有顯著的干擾。
試驗(yàn)二：將20%、50%、80%的CH4氣體（背景氣為CO2）分別通入CH4傳感器，測試交叉干擾，結(jié)果如表2所示。
表2 不同濃度甲烷通入甲烷模塊測量結(jié)果
（平衡氣CO2）
神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了，高純CO2未對甲烷模塊產(chǎn)生干擾，但CO2與甲烷的混合氣體對結(jié)果產(chǎn)生了明顯干擾，而且三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體中，當(dāng)CO2濃度為50%時(shí)產(chǎn)生的干擾大于CO2背景為80%和20%時(shí)產(chǎn)生的干擾。為了防止由于模塊本身的問題造成的影響，我們還利用了某國外品牌傳感器進(jìn)行了相同試驗(yàn)，也出現(xiàn)了類似的交叉干擾。也就是說這個(gè)干擾確實(shí)存在。
在發(fā)現(xiàn)該問題的初期，為了尋找原因，我們咨詢了多位業(yè)內(nèi)進(jìn)行光譜研究的學(xué)者，也翻閱了一些理論書籍。
綜合起來，一個(gè)可能的原因是不同的氣體混合，由于分子之間的碰撞等原因，會(huì)對氣體吸收譜線的展寬等造成影響，即影響了吸收譜線本身的吸收強(qiáng)度。我們在進(jìn)行激光吸收光譜（TDLAS）的露點(diǎn)傳感器開發(fā)時(shí)也遇到了類似問題，同樣的露點(diǎn)在氧氣背景和氮?dú)獗尘爸械奈諒?qiáng)度完全不一樣，有時(shí)間后面與大家一起分享這個(gè)現(xiàn)象。
3.解決方法
對于常規(guī)的交叉干擾可以采用
增加濾波氣室、采用更窄半寬的濾光片等辦法減小干擾，也可以采用對背景氣進(jìn)行測量，然后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)霓k法進(jìn)行交叉干擾消除。筆者的天然氣專用CO2氣體分析模塊就是采用最后一種方法消除交叉干擾，也可以達(dá)到較理想的效果。
對于第二種原因造成的交叉干擾，以上方法均無法解決，
需要根據(jù)具體的使用工況進(jìn)行精心的帶背景氣標(biāo)定，以克服這種干擾。同時(shí)，如果使用過程中如果對這類原因沒有認(rèn)知，可能有時(shí)存在檢測誤差也不一定能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。
