同时测量大气中二氧化碳和水汽浓度的红外气体分析仪

　　1 仪器的性能特点

　　该仪器能同时测量大气中二氧化碳(CO2)和水汽(H20)的浓度。测量范围为：二氧化碳300-500ppm，水汽6.5～8.5g/kg;噪声：二氧化碳约为0.8ppm，水汽0.02g/kg(峰一峰值)。

　　2 测量原理

　　本仪器是以二氧化碳和水汽对红外线吸收的原理为基础的一种光机电测量系统。其原理框图如图1所示，其中1～8为光机部分，其余框图为电路部分。当作为红外光源的镍铬合金电阻丝被加热到1000K时就会发出红外光，此红外光经过第1个氟化钙(CaF2)透镜校准后变成平行光束，光束通过20 cm 大气路径，再经过第2个氟化钙透镜聚焦到4 mm 的硒化铅检测器表面。该检测器的传感器装在电制冷器上，使其工作温度保持在-10%。步进电机带动一个斩波轮，轮上装有3个滤光片和1个虚设的滤光片，它们按相隔90。均匀分布，如图2所示。

　　3个滤光片的中心波长分别为4.3 μm、2.6μm、3.9μm，它们分别与二氧化碳的吸收波长、水汽的吸收波长及对任何气体都不吸收(参考)相对应，而虚设的滤光片实际为挡光片，使红外光无法通过，即全黑。

　　当红外光经过滤光片照射到硒化铅检测器上时，就会使气体的浓度变成微弱的电信号，经前置放大器、缓冲器送到差分放大器，与全黑信号进行比较，剩下二氧化碳和水汽及参考信号。由于在斩波轮对应于虚设滤光片的边沿上设置了1个反光镜，反射式光电传感器遇到此反光镜时将产生一代表全黑的电信号，此信号经施密特触发器整形后送到时序脉冲发生器，并按要求产生4个时序采样脉冲，分别对全黑、参考、水汽、二氧化碳进行采样。最后将采样一保持电路输出的二氧化碳、水汽及参考的电压信号进行MD转换，通过算术处理、存储器及微处理器等一系列记忆、运算后，再经D/A转换器，最终得到二氧化碳及水汽浓度的数值，从而达到测量的目的。其中参考电压用来控制红外光源的加热装置，使其保持恒温。

　　3 各部分电路的作用

　　由图1的测量原理可知，该气体分析仪的结构除光机部分外，主要电路由前置放大器与缓冲器、差分放大器与采样一保持电路、步进电机与驱动电路、时序脉冲发生器等4部分组成，其中各放大器均由集成运放组成。

　　(1)前置放大器与缓冲器置于检测头内的前置放大器将硒化铅传感器的电压信号转换成电流信号进行传送，再经缓冲放大器将电流信号转换成为电压信号V 送到差分放大器的输入端。

　　(2)差分放大器与采样一保持电路时序脉冲发生器产生的4个对应全黑、参考、水汽及二氧化碳的采样脉冲Y1～Y4 分别加到4个采样一保持电路LF 198的控制端VL 上。采样一保持电路I输出为全黑信号Vd ;差分放大电路将缓冲放大器输出的包含4种电压信号的Vo1。与全黑信号Vd 相减后得到有用的纯输出信号VO2 ，再经采样一保持电路II—IV将参考、水汽、二氧化碳信号分离出来以备处理。