一种新型红外气体分析装置的硬件设计

　　1前　言

　　气体无处不在,而且与人们的生产、生活密切相关。气体的检测,在工业生产、能源利用、环保监测和安全控制等领域具有非常重要的现实作用。在众多的气体检测方法中,基于分子辐射吸收理论的红外气体分析法,以其较高的测量精度和分辨率、较低的耗费和使用操作简单等优点,成为了一种应用广泛的气体分析方法。目前,由于资金和技术等诸多方面的原因,国内的红外气体分析仪器行业的发展还比较滞后,大型、精密的红外气体分析仪器主要依赖于进口,国内只有少数几家分析仪器厂生产红外气体分析仪。这些国产的红外气体分析仪器大都以镍铬丝作红外辐射源,使用切光片进行机械式的光强调制,利用薄膜微音传感器进行信号检测。测量精度不高(一般为满量程的2%~5%),在密封、防震和可靠性等方面还存在不少问题。本文介绍一种新型红外气体分析装置的设计,该装置采用了电调制脉冲红外光源和自带干涉滤光片的四元热电堆探测器,以TMS320F240 DSP为微处理器、以图形液晶显示模块为显示器件,实现了气体浓度的连续自动测量和显示。该装置可同时测量混合气体中CO、CO2和HC三种组份的浓度,使用简单方便,并且具有较高的测量精度、较好的稳定性和较强的抗干扰能力。

　　2工作原理和系统组成

　　红外气体分析仪器都是基于气体分子对红外辐射的选择性吸收原理而制成,即当红外辐射通过某种气体时,气体中的极性分子(非单元素气体分子,如CO2、CO、HC等)就会对红外辐射进行选择性吸收,也就是说只吸收固定的特征波长的红外辐射,如CO2、CO、HC的特征吸收波长分别为4.26μm、4.7μm、3.4μm。气体对红外线的吸收遵守朗伯特-比尔定律[2]:

　　当气体的种类一定时,K也就确定了,当气室长度一定时,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。

　　系统的主要结构框图如图1所示。

　　该系统由红外光源、热电堆探测器、信号调理电路、模数转换器和DSP系统等组成。热电堆传感器自带的窄带干涉滤光片从辐射光谱中滤出所需要波段的红外辐射,经光电探测器转换为电信号,再经过信号调理后,由DSP系统进行数据采集和处理,得出混合气体中各待测组份的浓度,最后将测量的结果在液晶显示屏上显示出来。

　　3传感器系统设计

　　3.1光源及驱动电路

　　红外光源的选择,主要考虑其发光的波长范围,要覆盖所有待测气体的特征吸收波长,其次,功率要大一点,使用要方便。综合考虑上述因素,本设计选用了IRL715红外光源。这种光源可靠性高,寿命长(可达40000小时),输出功率可达500 mW,发光波长从可见光到5μm,可以满足CO2、CO和HC气体分析的需要。图2是光源的驱动电路,为了保持输出光强的稳定,使用了一片ADP3330低压差稳压芯片作为稳压电源。由于红外探测器对光强的变化是敏感的,而对光的绝对强度不敏感,所以要对红外光源进行调制。本设计通过微处理器输出的PWM波来控制红外光源脉动式地开和关,从而实现光强的调制。