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用热电器件实现的红外二氧化碳分析仪

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  1 引 言

  二氧化碳分析仪种类很多,应用广泛[1]。其中,红外光学式以其测量范围宽、有良好的选择性及能进行连续分析等特点,已成为二氧化碳气体分析中最常用的方法。

  本文所述的这一分析仪,以8031单片机为主机,在空间双光束结构的基础上采用了钽酸锂热释电探测器作光接收器件。因而具有反应时间短、灵敏度高、稳定性好等优点,能够在一些特殊的场合下(如恶劣条件下的隧道安全管理等)对二氧化碳气体进行连续、实时监测,可以发展成为一种有特色的二氧化碳气体分析装置。

  2 原 理

  二氧化碳分子有4种简正振动模式,可以发生拉伸及剪切共4种模式的振动,由于分子的高度对称性,两种拉伸振动间将发生耦合作用[2],耦合的结果使得拉伸振动在(4.26μm)附近发生强烈的红外吸收[3]。

  因此,当一定强度的中心波长为4.26μm的窄带红外光通过含有二氧化碳的混合气体时,入射光强度I0与出射光强度I之间存在如下关系:

 

  式中,μ为二氧化碳气体的吸收系数;c为二氧化碳气体的浓度;l为透射光路的长度,若令

  

  为二氧化碳气体的吸光度,显然,只要测出A及l,即可利用(4)式计算出二氧化碳气体的浓度。

  3 系统描述

  3.1 探测系统结构

  探测器系统由并列安置且结构相同的两套光学系统组成。其原理结构简图如图1所示。

  探测器工作时,测定用气路中内藏的取样泵首先将被测混合气体导入测定用光学系统侧的气路中,被加热的红外面光源发出的红外辐射入射红外窗口后,先穿过测定用气路(长20cm),然后由调制盘将其调制成钽酸锂热释电探测器可响应的脉冲光,再穿过窄带干涉滤光片(中心波长4.26μm,带宽0.1nm)后到达由钽酸锂热释电探测器构成的光电转换系统。最后由钽酸锂热释电探测器将其转变成电信号。

 

  比较用气路侧事先封入一定压力的氮气,由于氮气在红外光谱区内无振动吸收光谱,因而不吸收4.26μm附近的红外辐射。所以通过该侧气路进入钽酸锂热释电探测器的光量不会因气体吸收而发生变化。

  调制盘的结构简图如图2所示。其旋转速度为1200r/min。由高稳定性的音叉式精密时钟振荡器产生调制信号,再由软件进行2000分频、功率放大后予以激励。由于音叉式精密时钟振荡器的频率偏差不大于Hz,因此经2000分频后的频率偏差不大于Hz,几乎为零。所以由调制盘输出的光脉冲的频率是十分稳定的()。

  

  3.2 仪器的构成

  该分析仪的原理结构简图如图3所示,主要由探测器系统、信号放大与处理系统和显示输出系统三部分组成。

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