红外CH4检测仪的设计

　　0　引　言

　　常用的测量气体主要有热传导式、电化学法和光干涉式等方法[1~3],这些方法都存在着监测范围有限、调校频繁、使用操作繁琐等缺点。利用红外吸收光谱原理对CH₄气体进行检测,在近几年发展比较快。红外吸收光谱法的优点是精度和灵敏度高、响应速度快、测量范围大,同时,选择性、稳定性和可靠性好,可以快速和连续监测。

　　本文基于C8051F040单片机研制了红外CH₄检测仪,

　　自制了气室,采用新型元器件,提高了测量精度、稳定性和可靠性,降低了功耗,减小了仪器体积,实现了智能化和低成本

　　1　传感器设计

　　1.1　工作原理

　　当红外光通过待测气体时,被测气体分子就要对特定波长(CH₄中红外区特定吸收波长为3. 3μm)的红外光有较强吸收作用,其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律

　　出射光强为

　　式中　I为出射光强; I₀为入射光强;μ为被测气体的吸收系数;C为被测气体体积分数;L为辐射通过被测气体介质的光程。

　　1.2　气室设计

　　红外传感器光源选用低温热辐射红外光源IR715,采用单光束双波长技术,为了补偿因探测器偏压而引起的信号波动和因功率变化引起的光源强度的变化,设置一路接收参考光热释电探测器与接收检测光热释电探测器接收同一光源。同时,为了解决单个探测器失配问题,在同一探测器S_i基底上集成2块热释电薄膜,通过与之对应的2个滤光片,其中, 1个滤光片中心波长为3. 3μm形成检测通道,另一个滤光片中心波长为4μm形成参考通道。加上不确定因素对光强的影响有:

　　检测光通道输出信号

　　参考光通道输出信号

　　对上两式求比值可求出体积分数值为

　　在气室设计中,把红外光源和探测器封装在镀金反射式气室中,如图1所示,顶部以带气孔的圆型盖片为反射面。热释电探测器封装上固定安装有干涉滤光片,通过检测透过的红外光的强度来反映被测CH₄气体的体积分数。为了使气体红外吸收信号具有较好的分辨力,在进行结构设计时,依据实验确定气室长度和粗细,当μCL较大时,仪表刻度是非线性的,为了实现线性刻度,应使,在此前提下尽量加长光程,以保证有一定的灵敏度,本文设计气室长为10 cm,光程为20 cm,内径为20 cm。其设计采用了反射式,不仅可增加光程,还避免了传统封闭式气室需要气泵抽送气而带来的检测仪体积和功耗的增加。为汇聚光线,将气室内壁加工成抛物线,光源和探测器分布于抛物线焦点处。同时,通过系统内置温度传感器监测工作环境温度,用于瓦斯数据的温度补偿.