基于非分光红外吸收原理的气体分析仪研制

基于非分光红外吸收原理的气体分析仪研制

非分光红外吸收光谱法近年来，污染日益严重。污染、石化燃料燃烧和作业场所排放的二氧化硫和氧化氮是引起酸雨和其他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。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气体介质吸收关系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,例如:SO2和NO的吸收峰值波长分别为4μm和5.25μm。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: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红外探测器的信号传输如图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。工作时,光源根据预先设定的调制频率发出周期性的红外光,光源发出红外光的波长范围为1~20μm,通过窗口材料入射到测量气室,由采样气泵连续将被测气体通入测量气室,气体吸收特定波长的红外光,透过气室的红外光分别由特定波长的红外探测器探测。由于调制红外光的作用使红外探测器输出交流的电信号,通过前置放大、滤波、A/D转换后,得到一个与被测气体浓度相对应的数字信号,经单片机数据采集后,通过串口传送至嵌入式系统处理,从而得到被测气体浓度。红外探测器内置温度传感器,探测其工作环境温度。2.1红外传感器的工作原理热释电红外探测器,只有在红外辐射不断变化,它的内部温度随之不断升降的过程中,传感器才有信号输出,而在稳定状态下,输出信号则为恒定值,即热释电红外传感器只对红外辐射的相对变化有反应。因此在应用热释电传感器时,须将红外光源按一定频率进行调制。本设计中选用电学调制,采用555定时器发出1Hz的方波来驱动光源,具体电路如图2所示。图2是用555定时器构成的占空比(脉冲宽度与周期之比)可调的多谐振荡器。占空比为:改变R1和R2的值,就改变了占空比,而振荡周期保持不变。2.2双向放大电路由于热释电红外探测器输出的电压信号十分微弱,一般为零点几个毫伏,这么弱的信号容易被噪声淹没,必须经过信号放大。为保证测量的精度,对放大电路的设计有较高要求。本系统采用电阻反馈式放大电路,如图3所示,在测量过程中,仪器需要覆盖的量程较广,如果只利用一级放大无法满足全量程数据采集,因此本设计对红外探测器输出的三路测量信号和一路温控信号均采用三级反向放大。放大器第一级选用AD820精密运放,适合小信号放大,具有低失调,低温漂,高增益,共模抑制比高及电源电压、直流特性接近于“理想”等特点;配合电阻反馈式放大电路精度高、可实时放大的特点,可以很好的满足本系统的性能指标。二、三级选用低噪声、高精度放大器OP07,其电压噪声系数3nV/Hz,失调漂移电压0.2μV/℃,输入偏置电流7nA,共模抑制比126dB。通常,反馈电容C1取10pF,反馈电阻R1取100kΩ,前置级最慢的响应时间为1μs。2.3上位机接收应力信号本仪器中单片机系统主要用于控制多路数据采集、A/D转换、向上位机发送转换后的数据并等待上位机的接收应答信号。统软件采用汇编语言编写,其流程图如图4所示。3软件方案的设计仪器采用WindowsXP作为上位机操作系统,软件开发工具采用虚拟仪器平台LabVIEW8.20。3.1orskench接口介绍LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一种基于图形编程语言(G语言)的开发环境,具有强大的数学分析功能,并且提供了强大的外部程序接口能力,这些接口包括DLL、CIN、ActiveX、.NET、DDE、MATLAB等。NI公司和一些使用者也开发出了一些实用的工具包,通过这些工具对采集到的信号进行处理、分析,可以很方便地实现系统功能。3.2软件设计结构仪器的软件系统主要完成气体浓度测量、标定、数据的图形化显示与保存、数据传输、参数设置等功能,实现了测量的实时化、自动化、智能化。软件结构框图如图5所示。软件采用模块化设计思想,主要分为测量、标定、设置和数据四大功能模块,每个模块下又对应几个小的功能模块,共同实现软件的整体功能。主界面如图6所示。为实现数据存储功能,建立NDIR.mdb数据库,与主程序NDIR.vi相连,用于存储SO2和NO的标定数据、标定参数、浓度测量结果等,分别保存在与之对应的数据表中。4混合样气的测量在室温及标准大气压下,对本仪器的重复性和稳定性参数进行了系统测试,实验数据如表1和表2所示。气室中充入SO2和NO的混合样气,其浓度分别为1.99%和2.23%。其中表2中每两组数据的测量时间间隔为1小时。由表1和表2中的数据显示,仪器具有很好的重复性(<1.5%)和稳定性(<0.2%),满足设计要求。5智能化在线监测仪器研制成功的非分光红外气