新型非色散红外三组分气体分析仪的研究

　　0　引言

　　气体分析在火灾探测、地震预报、能源勘探、环境保护、高压设备故障诊断、化工过程控制、冶金、医疗卫生及军事等领域都有着越来越广泛的应用。

　　常用的气体分析方法主要有红外吸收光谱法、电化学法和化学传感器法等。与后两种方法比较,红外吸收光谱法具有很多优点:精度和灵敏度高、测量范围宽、响应速度快、良好的选择性、稳定性和可靠性好、可实现多组分气体同时测量、能够连续分析和自动控制。红外吸收光谱法分为非色散红外吸收光谱法和色散红外吸收光谱法,其中色散红外气体分析仪主要用于工作条件很好的实验室,而非色散红外气体分析仪相比具有更高的灵敏度和稳定性,广泛用于各种工作环境,因此受到各国重视。

　　近年来虽然国内研制的非色散红外气体分析仪有很大进步,但大都采用国际上80年代的红外气体分析部件与结构型式,存在诸多缺陷,例如:镍铬丝作为红外光源,热稳定性差、寿命短、测量误差大;电机机械调制红外光,仪器功耗大、稳定性差、故障率高、维护困难;薄膜电容微音器或InSb等作为探测器,使得仪器对震动十分敏感。

　　本文研究的新型非色散红外三组分气体分析仪采用广谱快速电调制型红外光源、窄带干涉滤光片、高灵敏度的快速响应热电堆红外探测器、微弱信号锁定放大电路、超低功耗TI的MSP430F149型单片机等高新技术,能够实现同时对CO、CO2、CH4等三种气体的连续自动分析。

　　1　工作原理

　　非对称多原子分子气体(如CO、CO2、CH4、H2O、NH3、NO、SO2等)在红外波段均有特征吸收峰。当红外辐射通过被测气体时,气体分子就会对红外辐射进行选择性吸收,也就是说气体分子只吸收固定特征波长的红外辐射,如CO、CO2、CH4的特征吸收波长分别为4.64μm、4.26μm、3.30μm。如图1所示,当一束光强度为I0的平行红外光入射到气体介质时,由于气体介质的选择性吸收,其出射光的光强衰减为I,吸收关系遵循朗伯-比尔(Lambert2Beer)定律,即

　　I=I₀exp(-KCL) (1)

　　式中:I表示红外辐射被气体吸收后的光强; I0表示红外辐射被气体吸收前的光强;K表示气体的吸收系数;C表示气体的浓度;L表示红外辐射通过气室的长度。

　　当气体的种类及特征吸收波长一定时,K也就确定了,当气室长度L一定时,从式(1)可以看出,I的大小仅与气体浓度有关,测出I的大小就可以得到气体的浓度C。

　　2　系统组成

　　如图2所示,系统主要由电调制红外光源、气室、窄带干涉滤光片阵列、四元热电堆红外探测器、锁定放大电路、A/D转换器、MSP430单片机、LCD显示模块等组成[3]。