非分光红外CO浓度探测系统

　　0 引言

　　一氧化碳气体不仅是有毒气体，同时也是易燃易爆气体。它会让人在毫无意识的情形下慢性中毒，威胁着人类的生命安全。在火灾发生过程、汽车尾气、煤矿井下、化工厂、钢铁冶金等场合中都有大量的 CO 生成，日常生活的天然煤气也含有大量的CO. 因此，设计CO 浓度的测量系统具有重要的意义[1]。

　　1 非分光红外气体浓度探测技术

　　红外气体浓度检测基于气体分子对红外光的选择吸收，即气体分子只能吸收那些能量正好等于它某两个能级的能量之差的光子。不同气体分子因为其不同结构所决定的不同能级而吸收不同频率的光子。

　　当一束红外光通过充有气体的气室时，气体分子吸收光能量，吸收关系遵循 Lambert-Beer 定律。如果气体吸收谱线在入射光源光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应谱线处会发生光强的衰减。

　　非分光红外技术采用单光束双波长的探测方法。红外光源发出单束红外光通过测量气室，在探测器端设置2 个独立的探测单元，且表面附有的滤光片窗口，分别为探测窗口和参考窗口。探测窗口透射频带位于CO 气体吸收中心，参考窗口透射频带远离该区域且不被其他气体吸收。典型的单光源双光束法结构示意图如图1 所示[2]。

　　红外探测器的两路输出可分别表示为:

式中: V_gas、V_ref分别为探测器测量通道和参考通道获取电压值;I₀( T，t) 为光源的发光强度，它是温度和时间的函数; λ_G( T，t) 、λ_R( T，t) 分别为两个探测器的光电灵敏度; K 为气体吸收系数;L 为气室长度; C 为气体浓度。

　　红外探测器2 个独立探测单元由于制造差异，它们的光电灵敏度不可能完全一致，但在相同的使用条件及环境下，其比值为常数Q. 记Q = λ_G( T，t) /λ_R( T，t) 。

　　据式( 1) 、式( 2) 有:

　　测量通道和参考通道理想对称，光源的不稳定以及光电器件的零漂，温漂对两路信息的影响相同，从而消除了它们的影响。

　　2 系统设计

　　系统整体设计框图如图2 所示。

　　2. 1 光源选择

　　传统的非分光红外探测装置采用连续红外热辐射型光源，如镍锘丝、硅碳棒等红外加热元件。此类红外光源热容量大、抗振性差、功耗大，需要机械转动调制装置，精度差且故障率高[3 -4]。

　　一氧化碳在中红外波段( λ = 4. 64 μm) 处的吸收峰最强，红外光源所辐射的红外光必须包括 CO 的特征吸收峰波段。系统采用新型外热辐射光源MIRL17 - 900。它是一种高强度输出的微型脉冲红外光源，以无定形碳材料作为多层热电阻薄膜，通过电流后发热，产生红外辐射。光谱输出范围1. 0 ～ 20μm，完全覆盖 CO 的吸收频带。具有高发射率、高热传导性和极低的热驻留特性，在调制频率0 ～100 Hz 脉冲工作时，能快速地加热和冷却，最高可承受 750 ℃高温[5]，图3 所示为光源表面温度场分布。图4 所示为该 MIRL17 -900 的频率调制特性。