新型非分光红外多组分气体分析仪的研制

    引言

    近年来，环境污染日趋严重，化石燃料燃烧和工业现场排放的二氧化硫、一氧化氮是造成酸雨等环境问题的主要原因。随着汽车数量的剧增，汽车废气带 来的污染也日趋严重，已成为大气污染的主要来源之一^[1]。为了对二氧化硫、一氧化氮等污染气体进行有效监测，开发自动化、实时化、操作简单、维护方便的气体分析仪器具有重大意义。

    在常见的气体分析方法中，非分光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等，广泛用于各种工业环境现场。

    国内传统的非分光红外气体监测仪大多仍采用上世纪 80 年代国际上的红外气体分析部件与结构型式，存在很多缺陷，例如：镍铬丝作为红外光源，热稳定性差、寿命短、测量误差大；机械调制红外光，仪器的功耗增大、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。

    本文研制的非分光红外气体分析仪采用电调制红外光源、热释电红外探测器，低功耗单片机数据采集、嵌入式系统实时监控等先进技术，使得仪器具有响应速度快、数据准确可靠、重复稳定好，操作维护简便等优势，实现对 SO₂、NO 的连续在线测量。

    1 测量原理

    仪器的基本测量原理基于非对称多原子分子气体（如 SO₂、NO 等）对特定波长的红外光具有选择性吸收的性质^[2-3]，例如：SO²和 NO 的吸收峰值波长分别为 4 μm 和 5.25 μm。吸收关系遵循朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律，即当一束光强为 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，吸收关系用公式表示为：

    I＝I₀e^－KCL              (1)

式中：I 表示红外光被气体吸收后的光强度；I₀表示红外光被气体吸收前的光强度；C 表示气体的浓度；L 表示红外光通过气室的长度；K 表示气体的吸收常数。

    当气体的种类一定时，其特征吸收波长也就确定了，即 K 一定；当气室长度 L 一定时，从(1)式可以看出，I 的大小仅与气体浓度 C 有关，测出 I 的大小就可以得到气体的浓度 C。

    2 硬件设计

    如图 1 所示，分析仪的基本结构主要包括光学系统、电路系统和上位机监控系统等 3 部分。