新型非分光红外CO气体浓度分析仪的开发与研究

　　一、引言

　　随着科学技术的不断发展和人们对温室气体关注的日益提高，在工业生产和日常生活等诸多方面都越来越需要对 CO₂气体的浓度进行监测与控制。目前使用的 CO₂气体浓度分析方法主要有电化学法、电气法、色谱法、光学吸收法等。其中红外吸收法因其灵敏度高，精度高，响应快，体积小，可靠性高，寿命长，可以实现连续分析等诸多优点正在成为目前 CO₂气体浓度测量领域发展的新方向。

　　本文通过分析 CO₂浓度红外检测技术原理和方法, 给出了其硬件实现的系统方案。所述的红外 CO₂浓度分析仪采用了新型脉冲调制红外光源，减少传统光源不稳定性对系统精度的影响。同时，选用了小型气体传感器，实现了仪器的便携性。并通过高精度的 A/D 转换电路和放大电路对其产生的信号进行采集。以SyncMOS8958 单片机为中心的处理系统对信号进行处理后，将实时地显示出精确的 CO₂浓度值。仪器真正地实现了 CO₂浓度检测的高精度、高稳定性、便携性和智能化。

　　二、仪器的设计原理

　　当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光进行吸收，其吸收关系服从 Lamber-Beer 定律，由此定律可得出射光的强度为：

      (1)

　　式中，K—吸收系数; C—气体浓度; L—气室长度，I₀—入射光强度; I₁—出射光强度

　　系统选用的传感器 TPS2534G2/G20 具有参考测量和 CO₂测量两个通道，其中 CO₂测量通道的电压变化反映的是气体浓度的变化情况，而参考通道具有参考和补偿的作用。

　　那么，对于 CO₂测量通道，输出的电压信号有(2)

　　而对于参考通道，输出的电压信号有(3)

　　式中，K₁、K₂—两个通道的系统参数，该参数与滤光片的透射效率和传感器的响应度有关。

　　在实际环境中，由于光强受到外界环境的影响比较大，并且不易测量，因此，需要采用比值法消除其影响。对于相同的系统而言，在同一时间两个通道接收到的光强是相同的。可以得到以下的关系式：

　　设系统参数 K₀=K₁/ K₂，当气室内充入纯氮气时，CO₂气体浓度 C=0，这时就可以确定系统参数：

　　式(4)经过变换，可得气体的浓度为：

　　由于对于固定的系统，参数 K₀、气体吸收系数 K 以及气室长度 L 都是固定的，并且 U₁、U₂可以通过测量得到，所以可以把上式作为 CO₂气体浓度测量的理论依据。