红外气体分析仪

红外气体分析仪（精选6篇）

红外气体分析仪 篇1

红外气体分析仪广泛应用于电力、石油、化工、建材、轻工及其他各种炉窑或烟道的气体分析[1], 如小型燃烧系统的操作优化;检测燃烧系统废气排放浓度;监测水果贮藏间, 温室, 地窖及仓库的空气状况;检测易燃易爆危险气体浓度等。它是环境监测、生物工程、医疗卫生等科研工作必不可少的检测工具。

1 组成及工作原理

红外气体分析仪主要由光路系统、检测器、滤波器室、切光装置、参比电机和控制电路构成[2]。

1.1 光路系统

光源通过反射镜后成为两束能量相等的平行红外光束, 两束能量相等的红外光分别通过参比气室和工作气室后能量就不再相等了, 参比气室内充氮气不吸收红外光能, 而工作气室内通以被测气体, 吸收一部分红外光能后固通能量就变小了。从而使到达检测器接收室的能量存在一定的差值。利用检测器把此差值转变成电讯号, 便可测出气体的浓度[3]。

1.2 检测器

检测器是一个电容微音器, 它是仪器的关键部件, 是利用中间的薄膜电容器作为其中的一个电极, 与另一个固定电极之间相隔一个很小的距离。

1.3 滤波气室

为了消除重叠干扰, 除了保证充入检测器内的气体具有极高的纯度外, 通常的方法是加装滤波室或滤光片[4], 在滤波室内充以干扰气体, 使干扰气体所对应的那些波长的红外光在到达检测器之前就被吸收掉, 以消除干扰气体对检测器的影响。滤光片则是只让待测组分对应的那段波长红外光通过, 其他波长的红外光被大大衰减。滤波室通常固定在气室与检测器之间的光路上。在光路上密封, 而透光的窗口是氟化钙晶片制成的。

1.4 切光装置

在切光源与气室装有同步马达带动的切光片, 其转动频率为6.48周/s。

1.5 参比电机

为了使整流元件工作在线性段, 利用参比电机产生一个与讯号同频率的参比电压加载到整流器作同步整流, 参比电机由一个四级磁钢转子和四个绕组组成[5]。转子由同步电机带动, 与切光片同轴旋转, 以保证参比电压与讯号电压频率完全相同, 参比电机的输出电压约5~7V。

红外线气体分析整机原理如图1所示。

2 电路设计

本次设计的红外线气体分析仪分为五级电路, 依次为讯号采集、讯号放大, 反馈电路、滤波和讯号输出电路。

2.1 讯号采集电路设计

讯号采集电路作为分析仪前置级, 选用图2所示原理电路, 它是具有选频能力的超低频放大器[6], 有四级三极管放大和二极阴极输出, G1为前置级, G2左边三极为第一级放大, 右边三极为双T网路阴极输出, G3左边三极为第二级放大, 右边为第三级放大, G4左边三极为第四级放大径直接交连至右边三极作阴极输出, 经同步半波整流后由指示表指示。

前置级是整流放大器的输入级, 用来放大从高阻抗讯号源 (电容微音器) 输出的微弱信号, 采用阴极输出, 将高阻抗变成低阻抗和后级放大相匹配, 因此前置放大实际上是一个阻抗变换器, 它的信号源 (检测器) 是一个容量变化的电容器, 故需要加上一个固定的直流电压 (极化电压) 才能工作[7], 如图2, 图中R8、R5、C1、C6均是为了增加该级直流电压的稳定性及把波纹减到最低而设置的;R1、R2组成分压网络, 分出100V的电压再经R3、C2组成的滤波器作极化电压 (B点) 。

在检测电容器容量不变化和B点极化电压非常稳定的情况下, 电容器两端充电成为正、负电极。高阻R6上没有电流也就没有电压降, 6C1栅极也就没有变化符号, 但当检测器两端能量不等时, 产生的差压迫使电容量按切光片的调制频率而变动, 电容变小就放电, 变大就充电, 这个电流流经R6便产生一个微弱的电压降, 在栅极就得到变化的讯号。

2.2 讯号放大电路设计

讯号放大电路作为第二级, 采用电流负反馈式三极放大电路, 如图3所示, C3为高频旁路电容, C4是输入交连电容器, R9、R10组成一衰减器, 改变R9的阻值便可改变整机增益, R11是屏蔽负载电阻, R13是阴极电阻, 起负反馈作用, 使工作稳定并降低噪音。R12、C6起退交连作用。

第二级为一普遍的三极管放大, 双T带阻滤波网路接入反馈回路中, 形成一个选频放大器, 如图4所示。

双T滤波器是由两组T形滤波器组成[8], 其特征频率f0=1/2πRC=6.48周/s, 双T网对6.48周则呈现很大的阻抗, 其传输系数B=0, 而对f0以外的各频率其阻抗很小, 传输系数可达到1, 如图5所示。

把传输特性网路加到负反馈回路之上, 使得6.48周/s讯号频率由于阻抗大而反馈量最小, 大于或小于6.48周/s的讯号均得到不同程度的反馈衰减, 且离主频率越远衰减越大, 特性曲线如图6所示。

此分析仪放大器采用的双T网路对50周/s的讯号, 可衰减80~100倍。图4中C9、C10、R17和R15、R16、R11组成双T滤波器, 此回路由C8隔断直流, 经6N2作为阳极输出以提高双T网路的阻抗并使反馈更加稳定。R24是屏极负载, R25是栅漏电阻, C12是输出交联电容, R26、C13是阴极电阻及旁路电容, K1 (步进开关) 和R18-R23组成一组6档粗调衰减器, 相邻档之间改变放大量为2:1正常测量时仪器在指定档工作。

2.3 反馈电路设计

反馈电路作为第三级, 输出端由交联电容C14、电位器W1及R30组成微调衰减器, 如图7所示, 它可以把讯号衰减到原来的1/3左右, 这样它的变化范围能很好地覆盖粗调衰减器的每档, 两者相互配合, 可使整机的灵敏度均匀地连续调节, 达到所需要的灵敏度值。此电位器W1及R30同时也是下级三极管的栅漏电阻, 故当电位器接触不良或断路时, 会影响整机的正常工作, 此外R27是栅极串联电阻, R28是屏极负载电阻, R29是阴极电阻。

2.4 滤波与讯号输出电路

把滤波和输出电路两级相连, 简化设计。电路由6N1双三极管组成, 两级直接交联, 末极阴极输出, 如图8所示, C16旁路电容, 把剩余的谐波短路, 使输出波形更圆滑, C15、R32均是反馈元件, C15起防止寄生振荡作用, R33、C18组成滤波器起退耦作用, R37为阴极电阻。

3 结论

本文通过对红外气体分析仪的采集电路、放大电路、反馈电路、以及滤波和输出电路五级控制电路进行了模块设计, 明晰了一般分析仪的控制设计过程与方法。该分析仪控制系统设计经实践证明, 可靠性好, 并易于分析器件精度。本文的分析仪控制设计, 对分析仪的新产品开发和仪器故障诊断有着重要的指导意义。

参考文献

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[4]张达, 陈美美, 谢经勇.红外气体分析仪在高炉喷煤系统的应用[J].科技资讯, 2008 (07) :7.

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[6]杨斌, 何小刚, 牛昱光.基于数字信号处理的红外气体分析仪[J].科技情报开发与经济, 2007 (6) :196-197.

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[8]张永怀, 张进永, 刘君华.智能红外多组分气体分析仪[J].测控技术, 2004 (5) :9-13.

红外气体分析仪 篇2

工业发展带来经济腾飞的同时, 也给环境带来极大的负担。环境污染, 尤其是大气污染程度不断加深, 严重影响了人们的正常生活和身体健康。固定污染源烟气的排放是大气污染气体的主要来源之一, 研发具有实时性、智能化、稳定性好、可靠性高且操作简单的烟气监测系统, 对于我国烟气自动监测系统的发展, 控制烟气中污染物质的排放具有实际意义。

1 红外线气体分析仪在烟气自动检测系统中的应用

1.1 测量原理我国当前使用的气体分析仪器在监测范围、测量精度、组分分析方面, 存在较大的局限性, 而新型的非分散红外线 (NDIR) 技术, 则能实现对多组分烟气浓度的检测, 该技术检测原理为气体红外吸收, 在测量过程中无需消耗物质, 因此具有使用寿命长、稳定性好、选择性强、测量范围广、高精准度, 具有广泛的推广意义。

烟气中的主要成分为硫、氮、碳的氧化物, 主要以二氧化硫 (SO2) 、一氧化碳 (CO) 、一氧化氮 (NO) 和二氧化氮 (NO2) 为主, 这类气体在红外波段有独特的吸收波, 被称为特征吸收波 (表1) 。特征吸收波根据物质不同, 波形各异, 因此可用作鉴别各类物质的依据。而气体浓度的确定, 则是根据特征吸收光谱对红外能量的吸收能力进行检测的。根据朗伯-比尔吸收定律可知, 当待测气体组分有红外光通过时, 气体分子吸收特定波长的红外线。

1.2 测量方式单光束双波长法中有测量滤光片和参比滤光片, 其中测量滤光片是对有特征吸收红外光谱通过的待测组分进行测量, 透过测量气室的光线强度受烟气浓度的影响, 测量值记为I;而参比滤光片测量组分不吸收通过的红外光, 因此透过测量气室的光线强度几乎不受被测组分浓度变化的影响, 测量结果作为参照, 记为I0。根据朗伯-比尔定律, 待测气体吸收光度与其浓度关系满足关系式:-In (I/I0) =LkC, I为测量光强度, I0为参照光强度, L是红外线经过吸收气体的路径, k待测气体的吸收系数, C为气体的浓度, 单位为mg/m3。

气体滤波相关法是将被测气体填充在气体滤光池中, 代替上述方法中的参比滤光片, 利用此法可提高被测气体组分对特征波的吸收效果。这一测量系统由五部分组成:光源由能斯特灯发射红外光;测量气室有抽气孔和充气孔, 为待测气体组分浓度的稳定提供了保障, 而高温伴热功能, 可有效防止水蒸气和污染物冷凝, 造成对测量结果的干扰;切光轮主要负责将光束信号射频模式化;滤波轮上安装不同被测气体的气体滤光池和测量滤光片, 滤波轮和切光轮的旋转动作由无刷直流电动机提供动力, 对各组分的测定则由自动化控制系统发送控制指令完成测量;光电管前安装放大器, 以提高弱信号接收的可靠性。

被测气体滤光池和测量滤光片的位置由设备内部处理器控制, 一次测量过程可对待测气体进行多次扫描, 以提高信号的信噪比, 减少测量误差。利用微处理器可对各式干扰进行有效处理;使用靠减去干扰组分浓度的方法可对不同待测组分光谱重叠进行有效处理;而校正因子则是用来处理干扰组分对测量组分吸收系数的影响。

1.3 技术分析①烟气分析。烟气分析仪采用的分析技术为单光束双波长与气体滤波相关技术的结合, 滤波轮上的气体滤波池能实现对不同气体的同时测量, 并利用干扰参数扣除技术, 大大提高了测量结果的准确度, 并能实现对一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、甲烷、氨气以及氯化氢八种气体的高精度持续性检测。如对一氧化碳的测量范围可达4000mg/m3, 精度可达到0.1%。②信号放大电路。信号放大电路利用CMOS工艺制成的斩波稳零结合多级放大模式, 主要组成部件有多路开关和仪表放大器。信号放大电路增益高、响应快, 输入偏置电流小等优点, 能有效减少误差, 还具有自动调零的功能, 增加了测量的精准度和稳定性。③烟气连续排放监测系统。烟气连续排放监测系统的构成包括了多种学科, 如智能采样技术、数字滤波算法技术、软件自动识别补偿轻微污染技术、网络技术、分布技术、光功率软件修正技术以及多线程布控技术等。该系统具有的功能也较为完善, 目前已经实现的功能主要有定量测量功能、自动校零、异常报警、远程传输、报表生成等各项功能。

1.4 应用①对烟气监测及管理。红外线气体分析仪主要利用嵌入式软件, 完成对污染源气态污染物的监控职能, 并为相关部门提供检查对象的瞬时值和历史记录, 当污染源超标时, 还可利用自动报警功能对相关部门发出警示。该系统对污染源进行的连续性测量, 可为环保部门提供电子政务和办公自动化所需的基本材料, 为部门制定环保政策提供可靠的数据支持。嵌入式软件在信号处理方面具有较强的灵活性, 可对不同变量和浓度范围的气体进行测量;取样方面更加智能化, 与算法相结合, 可剔除异常测量值, 提高测量结果的准确率。②技术指标。该套设备所能达到的技术指标如下:零点漂移可控制在±2.5%范围内 (F.S/3d或7d) , 量程漂移不超过±2.5%, 线性误差在±5.0%以内, 响应时间不超过200s, 重复性低于0.5%, 输出波动低于0.4%, 可对电源、标定、分析仪故障发出警报输出。对各气体的测量量程分别可达到SO2为4000、NO2为1000、NO为2500、CO为2500, 检测下线为10 (单位:mg/m3) 。

2 结束语

随着社会的不断进步, 人们对环境问题越来越重视, 传统的经济发展模式对环境的损害较大, 已经不适应现代生产发展的需要, 加大节能减排力度, 减少环境污染是当前企业面临的重要任务。就目前技术发展水平而言, 我国还无法完全消除烟气等污染物的来源, 但可通过先进的检测技术, 对烟气排放中污染组分进行实时检测, 为企业和环保部门制定有效的环保措施提供依据。红外气体分析仪相对于传统的分析仪器, 具有检测范围大、精准度高、能对多组分进行同时检测的优点, 因此可广泛应用于烟气在线监测领域。

摘要：红外线气体分析仪具有准确度高、稳定性好、操作简单等优点, 可广泛应用于各大企业的烟气污染物排放检测领域, 为企业和环保部门制定决策提供科学的依据。本文主要围绕红外线气体分析仪的测量原理、测量方式、技术及其应用进行阐述, 希望能为读者提供一定的参考。

关键词：红外线,NDIR,烟气,监测

参考文献

[1]于晓曼, 刘文清, 黄书华, 等.基于非分散红外原理的烟气检测系统[J].计算机测量与控制, 2011, 19 (12) :2905-2907, 2938.

[2]贺鹏飞, 农永光, 郭炜, 等.烟气分析仪技术研究[J].价值工程, 2014 (29) :224, 225.

红外气体探测器的设计与实现 篇3

红外气体探测技术广泛应用于石油天然气、石油化工、冶金、油库和家庭生活等存在可燃性气体的各个领域, 如有害气体的泄漏、有毒气体的浓度测量, 生活环境的监测等。

如何提高红外气体探测器的工作性能、自动化程度、灵敏度, 以及降低成本是值得研究的课题。

1 红外线气体探测器原理

当红外辐射通过被测气体时, 它的分子就会吸收光能量, 不同的气体分子化学结构是不同的, 不同波长的红外辐射的吸收程度也就会不同, 当不同波长的红外辐射依次照射在样品物质上时, 某一些波长的辐射能被样品物质选择性吸收从而变弱, 产生红外吸收光谱。在一种物质不同浓度时, 在同一吸收峰位置有着不同的吸收强度, 并且吸收强度与浓度成正比关系。气体分子对红外辐射有选择性的吸收就是红外气体传感器的设计理论基础。

红外气体探测器核心部件为红外气体传感器, 红外气体传感器利用不同气体对红外波吸收程度不同, 通过测量红外吸收波长来检测气体。任何有温度的物体都会发射红外线, 温度越高, 发射量越大, 当有害气体进入红外探测范围内时, 其所发射的红外线会被报警器接收到, 当超过报警器的报警量时, 会自动接通电路报警。

2 红外线气体探测器电路设计

红外气体探测器电路由三端稳压电源电路、单片机电路、红外报警传感与显示电路三部分组成, 如图1所示。

2.1 三端稳压电源电路

三端稳压电源电路如图2所示。采用220V工频交流电, 经过降压、整流、滤波后, 通过LML7805三端集成稳压器芯为系统提供+5V工作电压, 使单片机系统、红外传感报警与显示电路正常工作。

LM78L05为输出晶体管提供了安全区域保护, 限制内部功耗。假如内部功耗超出了散热范围, 热关断电路将会启动, 防止芯片过热。电容C6、C7以滤除低频干扰为主, 防止芯片自激振荡;C4, C5以滤除高频干扰为主, 减少高频噪声。

2.2 单片机电路

单片机电路由晶振电路、复位电路和STC89C51单片机组成, 如图3所示。STC89C51单片机主要有以下功能:

(1) 自诊断功能:控制硬件和传感器正确运行。

(2) 零点自动跟踪:能够自动修正探测器由于受到温度和物理变化的影响出现的零点漂移, 保持零点不变。

(3) 迟滞循环:用于报警输出, 当危险气体浓度接近极限值时, 可避免探测器连续输出开关量。

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种产生方式:内部时钟;外部时钟。图3中电容C1和C21是单片机的起震电容, 与X1组成正弦波振荡电路, 作用是向单片机提供一个稳定的正弦波信号, 为单片机提供能量。电容值为5~30p F, 典型值为30p F。晶振CYS的振荡频率范围为1.2~12MHz, 典型值为12MHz和6MHz。

电阻R1与C3组成上电复位电路, 为单片机上电时提供一个复位信号, 上电瞬间复位信号为一个正脉冲信号。电容C3接高电平, 电阻R1接地, R1与C3右端接单片机引脚RST复位输入。当振荡器工作时, RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。这种复位电路的工作原理:通电时, 电容两端相当于是短路, RST引脚上为高电平, 电源通过电阻对电容充电, RST端电压慢慢下降, 降到一定程度, 即为低电平, 单片机开始正常工作。电容充电的过程中, 复位信号电压逐渐变低, 直到电容充满时, 复位信号电压完全降到0。

2.3 红外传感报警与显示电路

红外传感报警电路由红外线气体传感器、扬声器组成, 显示电路由电阻R2~R9和发红光二极管 (LED) D1~D8组成, 如图4所示。8个二极管为红外报警指示灯, 采用共阴极连接, 需要用高电平去驱动。电阻R2~R9为LED报警指示灯的限流电阻, 以防止电流过大而烧坏LED报警指示灯, 额定电流为6~8m A。限流电阻值需要根据LED正常点亮时的工作电流来计算, 不同颜色的LED其两端电压降不同, 限流电阻的阻值也不同, 计算公式:R= (U-ULED) /ILED, U为驱动电压值, ULED为LED正常亮度时的正向压降, ILED为LED正常点亮时的工作电流。

工业或家庭环境中可燃或有毒气体泄露, 当红外气体传感器检测到气体浓度达到爆炸下限或上限的临界点时, 报警与显示电路就会发出报警信号。这时, 扬声器发声, 同时排列成圆形的8个发红光二极管D1~D8顺时针连续闪烁, 及时警示工作人员和居民采取安全措施, 驱动排风系统、切断气源, 防止发生爆炸、火灾、中毒事故, 从而保障工业安全生产和居民生命安全。

3 仿真与实物实验

使用PROTEUS软件对红外气体探测系统进行仿真实验, 仿真电路如图5所示。

根据图1红外线气体探测器电路, 用电路板装接制作成红外气体探测器。通过现场测试, 当有可燃气体泄露时, 红外气体探测器检测到后立即报警, 扬声器发声, 8个红色的二极管D1~D8顺时针连续闪烁, 发出红光, 指示报警。实验结果与仿真实验结果相同, 实际能够实现红外气体探测报警。

4 结语

该红外气体传感器报警具有可靠性高、选择性好、精度高、无毒、受环境干扰小、寿命长、对氧气不依赖等优点, 市场前景广阔。用单片机对红外气体传感器进行控制, 具有硬件电路简单、设计程序简单和运算速度快、易实现、控制灵敏等特点。

摘要：介绍红外吸收式气体探测器的设计。系统主要由三端集成稳压电源、红外气体传感器、单片机、时钟振荡电路、LED报警指示电路等部分所组成, 具有报警及时、灵敏度高、稳定性好、适合气体多等优点。

红外气体分析仪 篇4

传统的用于检测气体的传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体体积分数,灵敏度低,抗干扰能力差。在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪和计算机联用来检测气体,由于现场环境恶劣,其检测效果普遍不好,在实际应用中比较繁琐。而基于红外光谱技术的气体传感器可以较好地解决上述问题。就目前而言,红外吸收光谱法是最精确的气体检测方法,具有灵敏度高、测量范围宽、精度高、响应速度快、误报率低、不消耗气体等优点[1]。但红外气体传感器信号易受外界光源、电磁等干扰影响,输出信号中存在大量噪声而影响检测精度。本文通过介绍红外气体检测原理和信号的特点,设计了一种可有效提高检测精度的信号调理电路和滤波程序,并给出实际测试图。试验证明该电路可有效滤除干扰信号,准确提取纯净有用信号,加以软件的辅助滤波,提高了传感器精度和稳定性。

1 红外气体检测原理

红外气体传感器的主要原理是基于甲烷对红外光谱的吸收原理,甲烷的吸收谱线峰值分别为3.392、3.433、6.522和7.658 μm[2],其理论基础是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律:

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式中:I为透射光强度;Io为入射光强度;C为被测气体体积分数;α为气体摩尔分子吸收系数;L为光和气体的有效作用长度(气室长度)。

根据式(1)可知,如果α和L已知,通过测量I和Io就可以得到C。对式(1)进行变换,得

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根据式(2)设计红外气体传感器,其主要组成包括气室、红外光源、热释电传感头等器件。热释电传感头的2个窗口分别装有窄带滤光片,从而构成参比通道和气体通道,红外光源发出的光被气室内气体吸收后,由热释电传感头转换成可采集的电压值,两通道的电压比值便对应着当前气室内气体体积分数。由于热释电传感头必须有变化的光照才有信号输出,故对红外光源进行频率为2 Hz的频率调制,另外由于光照强度的限制,热释电传感头输出的信号很微弱,通过测试发现传感器的参比通道和气体通道的输出电压范围分别为大于65 mV和小于120 mV,并且信号中经常掺杂几千赫兹的干扰信号,偶尔也会有1 Hz和50 Hz的噪声,主要是由于身体触碰、电磁干扰、市电干扰等环境原因造成的,对气体体积分数计算结果和精度影响比较大,这就要求必须设计一套符合该传感器的信号调理电路和滤波程序。

2 信号调理电路

检测信号的困难并不在于信号的微弱,而是由于信号中存在大量的噪声,所以,将有用信号从强背景噪声中检测出来的关键是抑制噪声。提高信号检测灵敏度或者降低噪声的主要方法是分析噪声产生的原因和规律以及被测信号的特征,采用适当的技术手段和方法把有用信号从噪声中提取出来[3]。

根据红外气体传感器输出信号的特征,为了保证调理后信号与原信号的一致性并最大限度地降低成本,本设计采用2路形式完全相同的单电源供电的两级放大滤波电路。每路调理电路的第一级为负反馈放大,主要作用是将所有信号放大到一定程度,调节两通道数据比值,并为后级滤波做基础;第二级主要作用是滤波,2路采用结构和参数完全相同的无限增益多反馈有源二阶带通滤波器,该滤波器反相端输入,失真较小,对元件灵敏度要求比较低,能够达到很好的效果。

对于单电源运放,其输出电压范围在低电平以上,很少能够完全实现轨到轨摆幅,在实际应用中,只能接近到电源、地线轨的50～200 mV,因此,对输入信号的范围有限制,为满足输入信号的需要,通常需要加参考电压,目的是使输出电压范围满足单电源运放的输出电压范围。本设计采用高精度、低噪声、低成本的集成运放LM358,外加1.2 V参考电压。通过实际应用发现该电路能够有效滤除噪声,提高电路稳定性,并能准确提取有用信号。气测通道信号调理电路如图1所示。

根据电路的放大特性,第一级放大倍数计算公式为

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对于第二级电路,其传递函数为

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式中:Vo(s),Vi(s)为Vo,Vi的拉普拉斯变换;Re=R33//R11;C=C12=C13;s为复自变量。

这是一个具有零点的二阶系统,其系统的自然振荡角频率undefined,阻尼比为undefined。

谐振频率为

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谐振放大倍数为

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上限频率为

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下限频率为

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带宽为

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品质因数为

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由此,整个信号调理电路的放大倍数为

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通过测试,可得如图2所示的电路幅频特性实测曲线。

图2下半部输出的波形显示传感器输出的波形中夹杂着一些高频率的噪声;上半部为通过信号调理电路处理后的信号,有效滤除了噪声,达到了预期的滤波效果。实际电路放大倍数为20.5倍,与计算值有偏差,其主要原因是电容的误差比较大,造成电路的中心频率偏移,传感器信号通过时有所衰减。其频率特性曲线如图3所示,横坐标表示频率,Hz;纵坐标表示衰减系数,dB/m。从图3可看出,电路中心频率为2.3 Hz,在2 Hz时大约衰减22.447 dB/m,虽有一定衰减,但仍在误差范围之内,满足设计要求。因为最终使用的是2路数据的比值求甲烷体积分数,电路中只要焊接同批次的电容即可保证2路电路基本相同。另外,此电路稳定性较好,通过各种干扰测试,电路都可以很好地提取出有用信号。

3 数字滤波

本文设计所选用的红外探测器为双通道热释电红外探测器,其输出2路电压信号,分别为气测通道电压信号Ugas和参比通道电压信号Uref,2路信号反映了λ=3.31 μm波段的红外光通过待测气体后的强度变化,根据红外气体检测原理,2路信号与入射光强I有如下关系:

式中:Cgas和Cref分别为气测通道和参比通道的滤光片的特性常数。

将式(12)、式(13)相比得

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当甲烷气体体积分数为0时,式(14)为

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定义undefined,将式(14)和式(15)相除得甲烷体积分数检测理论公式:

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可见F和体积分数C理论上呈指数关系,只要测出F,便可根据式(16)求出C。但是在实际中,由于各种因素的影响,很难找到一种合适的指数模型拟合这条曲线,只能将式(16)按泰勒公式展开,用多项式去拟合它们之间的关系,根据气测通道和参比通道的数据在Matlab中利用polyfit函数拟合F和C的多项式关系,由s=polyfit(F,C,5)得到其系数:

由以上分析最终得出公式为C=s(1)×F5+s(2)×F4+s(3)×F3+s(4)×F2+s(5)×F+s(6),然后采取中位值平均滤波算法,将最后计算结果写入单片机,最后可计算出甲烷气体体积分数C。

中位值平均滤波法是中位值滤波算法和平均滤波算法组合的复合滤波算法,即在一定时间内,对输入信号进行连续采样,然后除去最大值和最小值,求取剩余采样结果的平均值[4]。

在工程应用中,中位值平均滤波算法能够有效克服因偶然因素引起的波动干扰,消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差,并且对周期性和热噪声产生的干扰也有很好的抑制作用。采样次数的取值取决于系统参数,如果系统对灵敏度要求较高或者对反应时间要求较快,则采样次数的取值越小越好。考虑到灵敏度,以连续采样8次进行均值计算为宜。滤波后数据能够很好地保持信号的真实性,为单片机进行准确的甲烷气体体积分数转换提供了保证。具体方法:每次均值滤波处理后结果并不直接进行甲烷气体体积分数计算,而是与前次测量结果按不同权值求出一新的结果,该结果用于计算甲烷气体体积分数,公式为

undefined

式中:undefined分别为n,(n-1)次测量甲烷体积分数的加权平均值;Cn为第n次测量甲烷体积分数;P为权值,范围为0～1,本文取0.5进行试验。

将传感器置于一个标准大气压(T=24±0.2 ℃)下,对传感器进行检测,得到如表1所示的数据。

由表1可知,随着甲烷气体体积分数值的不断增大,相对误差大致呈减小趋势,当测量体积分数为2%的甲烷气体体积分数时,相对误差最大为4.5%,分析误差造成的原因有拟合误差,由于标定的数据点有限,所测的关系式与真实关系式有一定误差,虽然采取了恒温措施,但是恒温箱内温度还有一定波动,由此造成了结果的不准确。根据满量程精度定义,到70%量程的精度=测量最大绝对误差/满量程×100%,得到甲烷气体体积分数检测的满量程精度为0.54%。

4 结语

红外气体传感器信号调理电路可有效克服信号中混入的噪声,采用中位值平均滤波算法不仅对周期性和热噪声产生的干扰有很好的抑制作用,还提高了电路的稳定性和精度,甲烷气体体积分数检测的满量程精度可达到0.54%。

参考文献

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[5]牛余朋,成曙.单片机数字滤波算法研究[J].中国测试技术,2005,31(6):98-99.

红外气体分析仪 篇5

目前我国的环境问题对整个国民经济、生存环境都造成了很大的影响。CO是对城市空气质量造成影响的重要污染气体,CO2、CH4更是对整个大气的温室效应有着重要影响,三种气体的监测结果可以反应出城市空气质量水平和整个大气的温室气体状况,因此对这三种气体的监测有着重要的现实意义。我们利用非分散红外光谱吸收法,研制了用于这些痕量气体监测的系统。

非分散红外吸收光谱法是一种基于气体吸收理论的方法,红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测气体吸收之后,与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化,因此求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。但因为这些污染气体或者温室气体在空气中含量较低,吸收较弱,因此如何提高系统的测量精度是我们需要解决的问题。我们研制的非分散红外系统,是结合气体滤波相关检测技术的一种新方法,通过气体滤波消除了噪声的干扰。本文对系统的浓度算法进行了研究,通过低浓度标准样气的标定,获得待测气体的吸收曲线,通过吸收曲线进行未知浓度气体的反演,并通过实验验证了该方法可行。本系统对气体的检测有响应速度快、成本低、精度高等优点。

2 系统原理

内容CO、CO2、CH4等气体在红外波段都有自己的特征吸收带,特征吸收带就如同指纹一样具有可鉴别性,通过在特征吸收带对红外能量的吸收,可以反映出气体的浓度大小。当红外能量经过高浓度的待测气体时,其特征吸收峰附近的红外能量会被全部吸收,而光通路上不存在待测气体时,红外辐射在其特征吸收峰处没有影响,因此气体就可以看作是一种可以吸收红外能量的滤波器。结合气体滤波相关技术的非分散红外光谱吸收法气体监测的原理如图1所示。红外光源发出红外辐射,经过气体滤波相关信号调制后,进入怀特池(多次反射吸收池),红外辐射被吸收池里的待测气体充分吸收后,经过一个窄带滤光片的滤波,目的是把待测气体特征吸收峰之外的红外能量滤除,只留下可以反映光谱光强变化的那部分能量,再被红外探测器接收,通过相关算法及数据处理,最后得出实时所测的待测气体浓度值。

3 测量原理

比尔-朗伯定律反映了某种气体在一定浓度范围内对入射光的吸收情况:

其中:I0表示入射到待测气体的初始光强;L表示气体的厚度,即红外辐射经过吸收气体的路程;K表示待测气体的吸收系数;C表示待测气体的浓度;I′表示经过待测气体吸收之后的出射光强;e-LCK可以根据指数的级数展开为

如果光程确定,待测气体的吸收系数也是确定的,那么式(2)可以变换成:

其中α作为一个常数,因此式(3)又可以写成如下形式:

可见,气体的吸收率和气体浓度呈线性关系。因此,得到I′、I0就可以确定气体的吸收公式。利用配比不同浓度的标准样气来对吸收曲线进行定标,其精度可以通过降低标气浓度和多点标定来实现。

4 实现方法

选用能斯特灯作为光源,其在红外波段有较强而稳定的辐射输出,并且价格低廉,经久耐用,光源经过气体滤波相关轮的调制,所发出的连续红外辐射变成了脉冲形式的辐射如图2所示,GFC气体相关轮上面有两个气体池,一个是充有高浓度待测气体的参考池,一个是充有高浓度氮气的测量池,在相关轮周边有两个反射面,对应着两个气体池的位置,因此在相关轮旋转的过程中通过反射光偶的发射和接收,得到与两个气体池同频的相关信号,相关信号在后面的相关算法运算中是作为参比信号参与运算;相关轮旋转由深圳路斯拓公司生产的无刷直流电机带动,转速调整为60转/秒,运行稳定可靠。这两束携带有不同红辐射能量的信号进入怀特池,如图3所示,整个怀特池封闭并留有充气孔和抽气孔,保证了气体浓度的稳定,气泵接出气孔进行抽气,带动整个气路的运行,流速被限流小孔所限制1升/分钟。

1)首先,通过抽气的方式往怀特池内充入零气。零气是指对待测气体特征吸收没有干扰的气体,我们使用TE公司的零气发生器来提供零气。红外辐射经过多次反射被探测器吸收,探测器是Pb Se光电导探测器,在低温制冷的情况下有着较高的响应度。所获得的信号较弱,因此需要通过前置放大器把测量得到的光谱信号放大,送入到相关检测电路,进行弱信号提取。测量信号IN2和参比信号I0在待测气体特征吸收处并没有能量的损失,因此,光谱信号IN2-I0的差就反映出怀特池内没有待测气体时的情况,相当于式(4)中的I0。

2)获得背景谱之后,再往怀特池内充已知浓度为C0的待测气体。此时,IN2会因为怀特池中的待测气体吸收而减小,所以IN2-I0′的差就反映了待测气体为C0的光谱吸收度,相当于式(4)中的I′。

3)IN2-I0和I′N2-I0′代入式(4)可得CO的吸收曲线。

5 实验及其结果

5.1 吸收曲线标定

对CO进行实验测量,对怀特池分别充入0ppm、1ppm、2ppm、3ppm、4ppm的CO混合气体,对每一组测量和参比电平进行记录(3分钟一个点,每个组5个点),得到浓度和测量电平的对应关系表,见表1。

通过对每组数据的平均,拟合出CO的线性吸收曲线如图4所示,系数为0.988,横坐标是测量的电压值,纵坐标是CO的配气浓度值。图中虚线部分是两点定标的吸收曲线,实线部分是5点定标的吸收曲线,可见多点定标比两点定标精度更高。式(5)是两点标定的吸收公式,式(6)是5点定标的吸收公式。因为空气中CO的含量也就在4个ppm以内,而且浓度越低的气体配比越不容易,所以5点定标完全可以满足系统要求。

5.2 浓度反演

根据所得到的吸收公式,我们再通过配比CO的浓度,来进行浓度的反演,结果如表2。

图5实线部分是通过标定得出的吸收曲线,虚线部分是通过拟合得出的反演浓度曲线,可以看出,反演后拟合结果系数为0.996,说明这种吸收曲线反演算法能够得到准确的所求气体浓度值,成功应用在了浓度反演的过程中。

6 结论

通过理论和实验分析证明了非分散红外系统利用气体的线性吸收特性来进行的痕量气体浓度反演的方法式是可行的。对于空气痕量气体的测量由于本身浓度低,吸收弱,非分散红外系统结合气体滤波相关检测的方法,有效的获取了微弱的浓度信号,并把这种微弱的光谱变化转换成电平值,对电平值进行运算,得到待测气体的吸收曲线,然后根据吸收曲线方程进行浓度反演。为了提高浓度反演的精度,我们采用了低浓度标气、多点线性拟合的方法,保证了拟合的准确性和反演的有效性。成功实现了CO、CH4等气体的检测,方法简便实用。

摘要：针对城市痕量污染气体检测中,所测气体浓度低、吸收弱,采用两点标定和高浓度标气定标造成吸收曲线误差增大的问题,本文提出了采用低浓度标气、多点定标的方法来获得吸收曲线的方法来建立吸收方程。该方法是基于比尔-朗伯吸收定律的吸收方程,当测量气体浓度较低时,其浓度和吸光度呈线性关系来完成。采用低浓度标气、多点定标两种方法的结合,来获得测量气体的吸收曲线。试验结果表明,有很高的测量精度。

关键词：非分散红外,线性吸收,低浓度,多点定标

参考文献

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红外气体分析仪 篇6

CO是一种无色、无味、有毒且易燃易爆的气体, 常见于煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井等, CO中毒主要体现在CO进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合, 进而使血红蛋白不能与氧气结合, 从而引起机体组织出现缺氧, 导致人体窒息死亡。CO2是一种无色无味无臭的气体, 常见于化石燃料燃烧以及矿井等, CO2中毒主要表现为头痛、恶心、心跳加速等, 严重时可能导致缺氧, 造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。CO2含量猛增会导致温室效应、全球气候变暖、冰川融化、海平面升高等, 为了遏制CO2过量排放造成的温室效应制定了《京都议定书》。SO2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体, 常见于煤矿、石油等行业以及火山爆发, SO2中毒主要表现为头痛、头昏、流泪、畏光、咳嗽, 咽、喉灼痛等, 严重时可在数小时内发生肺水肿, 吸入极高浓度可引起反射性声门痉挛而致窒息, 同时SO2还是造成酸雨的主要原因之一。

GBZ 2.1《工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素》中提到CO的时间加权平均容许浓度 (PC-TWA) 为20 mg/m3, 短时间接触容许浓度 (PC-STEL) 为30mg/m3;CO2的PC-TWA为9000 mg/m3, PC-STEL为18000 mg/m3;SO2的PC-TWA为5 mg/m3, PC-STEL为10 mg/m3。因此, 当CO、CO2、SO2气体浓度超出一定限值时, 不仅会对环境造成严重影响, 还会对人民的生命财产安全造成严重威胁。

目前, 市面上已有多种从国外进口和国产的气体传感器, 如催化燃烧式、半导体式、电化学式和光学式等, 包含了单一气体传感器和多组分气体传感器, 其中基于红外技术的多组分气体传感器由于其具有使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等等一系列优点而被广泛应用。

随着科技的发展, 为满足各种复杂环境对气体传感器的发展要求, 在提高检测的准确性和及时性的同时, 红外气体传感器正朝着智能化、集成化、低功耗、低成本的方向发展。因此, 随着国家对环境污染监测和治理力度的加大, 研发体积小、重量轻、稳定性好的CO、CO2、SO2三组分红外集成气体传感器是防止事故、保护环境、保障人民生命财产安全的主要手段, 对于认真落实国务院颁布的《节能减排“十二五”规划》并及时准确监测和检测生态环境、居住环境、工作场所等环境质量和污染源等具有重要意义。

1 原理

非分散红外吸收光谱对CO、CO2、SO2具有较高的灵敏度。GB 9801-88《空气质量一氧化碳的测定非分散红外法》和HJ/T 44-1999《固体污染源排气中一氧化碳的测定非色散红外吸收法》中提到CO对4.67μm和4.72μm波长处的红外辐射具有选择性吸收;GB/T 18204.24-2000《公共场所空气中二氧化碳测定方法》和GBZ/T 160.28-2004《工作场所空气有毒物质测定无机含碳化合物》中提到CO2对4.26μm波长处的红外辐射具有选择性吸收;HJ 629-2011《固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法》中提到SO2对7.3μm波长处的红外辐射具有选择性吸收。因此, CO、CO2、SO2气体的基频吸收带出现在中红外波段 (2.5~25μm) , 由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动, 所以, 中红外波段最适于进行红外光谱的定性和定量分析, 并且CO、CO2、SO2气体的特征吸收峰出现在不同的波长范围内, 因此互不干扰。

在一定波长范围内, 气体对特定波长红外光线的吸收呈线性关系, 遵守朗伯-比尔 (Lambert-Beer) 定律, 待测组分是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的, 其表达式为:

式中:I0为红外光线被气体吸收前的光强度;I为红外光线被气体吸收后的光强度;k为待测组分对红外光线的吸收系数;c为待测组分的物质的量百分比浓度;l为红外光线经过的待测气体层的长度。

由式 (1) 可知, 待测气体浓度c满足以下关系:

由式 (1) 可以得出:

由式 (3) 可知, 在k和l确定的情况下, 吸光度A与待测气体浓度c成正比。事实上, 当吸光度A很小时, 吸光度才与待测气体浓度有较好的线性关系, 当吸光度A较大时, 吸光度不再随待测气体浓度线性增加, 而呈饱和趋势, 因此需要对其进行非线性校正。

2 系统设计

2.1 结构设计

CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的基本结构如图1所示, 主要包括:外壳、红外光源、进气口、出气口、气室、CO2集成探测器、CO集成探测器, SO2集成探测器, 信号放大处理器、温度传感器、单片机系统、声光报警系统。

2.2 器件选择

红外光源为内部配有抛物面反射镜的宽带脉冲红外光源, 具有安全性能好、发射率高、体积小、光电转换效率高、耗电省、寿命长、温度低等优点, 其封装窗口材料为氟化钙 (Ca F2) , 可通过波长范围为2~9.5μm的红外光, CO、CO2、SO2三种气体的特征吸收带都处于此波长范围内, 抛物面反射镜的配置可使红外光源发出平行红外光, 防止反射光、折射光等造成的光强度和光程改变的影响。

传感器的进气口和出气口上配置有疏水型防尘防潮过滤膜, 可防止空气中的粉尘、水汽等的影响, 具有较好的防潮防尘特性, 能提高传感器的抗干扰性和延长产品使用寿命。

CO2集成探测器为一组带通带中心波长为4.26μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的;CO集成探测器为一组带通带中心波长为4.67μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的, SO2集成探测为一组带通带中心波长为7.30μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的。红外探测器和相应的滤光片封装在一起, 可避免其他气体光信号对红外探测器的干扰。测量红外探测器和参比红外探测器与相应的滤光片是集成在一起的集成元件, 有利于传感器的小型化和稳定性的提高。测量红外探测器和参比红外探测器与相应滤光片的配置, 采用了双波长单光路的差分光学结构, 能消除气室光学元器件、其他干扰气体以及环境变化等因素的影响, 并且产生一个只与待测气体相关的信号, 提高了抗干扰能力和测量精度。

因光源波长的稳定性易受到温度的影响, 因此配置的温度传感器采集环境温度, 再利用单机片对其进行修正。

声光报警系统的配置, 能对危险环境做出及时和准确的报警。当检测到测量气体浓度超出限值时, 单机片输出信号, 此时LED闪烁, 并发出报警声, 以便工作人员采取相应的预防措施, 防止发生严重事故。

2.3 系统软件设计

单片机采用了C500系列, 在保持与80C51兼容的前提下, 增强了各项性能, 尤其是增强了电磁兼容性能, 增加了CAN总线接口。单机片系统准确读取接收到的信号, 通过初始化操作, 协调硬件电路的正常工作, 并对气室长度、温度、气体交叉干扰等影响测量精度和准度的因素进行自动校准, 并对数据进行处理和储存。

3 工作流程

图2为CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的工作流程图。气体经进气口进入气室, 红外光源发出平行脉冲波, 经由气室后平行照射到集成探测器上, 经滤光后, 波长为4.26μm的红外光照射到CO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 波长为4.67μm的红外光照射到CO集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 波长为7.30μm的红外光照射到SO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上, 以上三组信号和温度传感器的数据被传至信号放大处理器处理后传至单片机系统, 单片机系统对接收到的数据进行处理和储存并在显示屏上显示, 经处理过的数据经由声光报警系统后, 若气体测量浓度超过一定限值则指示灯变亮且发出报警声。

4 结论

本文介绍了一种基于红外差分吸收光谱检测原理的CO、CO2、SO2红外集成气体传感器。该传感器为单光源多组分红外检测器, 采用了配有抛物面反射镜且封装窗口材料为氟化钙的宽带脉冲红外光源、含有疏水型防尘防潮膜的进出气口、集成红外探测器和高性能的C500系列单机片系统, 在实现传感器集成化、小型化的同时, 能够稳定、准确、及时的完成自动在线测量CO、CO2、SO2三组分气体。能够很好地满足工业和环境等领域的迫切需要。

摘要：基于红外光谱吸收原理, 设计了一种可以同时监测一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (CO2) 、二氧化硫 (SO2) 三种气体的集成气体传感器。该传感器采用了单光源六探测器差分光学结构, 消除了光源、其他干扰气体等干扰因素所带来的影响。该仪器具有较好的灵敏度、稳定性、选择性和抗腐蚀性, 可准确、稳定的在线测量CO、CO2、SO2三种气体。同时, 通过更换带有特定波长滤光片的参比红外探测器和测量红外探测器, 可对不同气体进行在线检测。