基于非分光紅外吸收原理的氣體分析儀研制

基于非分光紅外吸收原理的氣體分析儀研制

非分光紅外吸收光譜法近年來，污染日益嚴(yán)重。污染、石化燃料燃燒和作業(yè)場(chǎng)所排放的二氧化硫和氧化氮是引起酸雨和其他環(huán)境問題的主要原因。隨著汽車數(shù)量的劇增,汽車廢氣帶來的污染也日趨嚴(yán)重,已成為大氣污染的主要來源之一。為了對(duì)二氧化硫、一氧化氮等污染氣體進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),開發(fā)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的氣體分析儀器具有重大意義。在常見的氣體分析方法中,非分光紅外吸收光譜法具有很多優(yōu)點(diǎn):精度和靈敏度高、測(cè)量范圍寬、響應(yīng)速度快、良好的選擇性、穩(wěn)定性和可靠性好、可實(shí)現(xiàn)多組分氣體同時(shí)測(cè)量、能夠連續(xù)分析和自動(dòng)控制等,廣泛用于各種工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的非分光紅外氣體監(jiān)測(cè)儀大多仍采用上世紀(jì)80年代國(guó)際上的紅外氣體分析部件與結(jié)構(gòu)型式,存在很多缺陷,例如:鎳鉻絲作為紅外光源,熱穩(wěn)定性差、壽命短、測(cè)量誤差大;機(jī)械調(diào)制紅外光,儀器的功耗增大、穩(wěn)定性差、故障率高、維護(hù)困難;薄膜電容微音器或InSb等作為探測(cè)器,使得儀器對(duì)震動(dòng)十分敏感。本文研制的非分光紅外氣體分析儀采用電調(diào)制紅外光源、熱釋電紅外探測(cè)器,低功耗單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù),使得儀器具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、重復(fù)穩(wěn)定好,操作維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2、NO的連續(xù)在線測(cè)量。1氣體介質(zhì)吸收關(guān)系儀器的基本測(cè)量原理基于非對(duì)稱多原子分子氣體(如SO2、NO等)對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光具有選擇性吸收的性質(zhì),例如:SO2和NO的吸收峰值波長(zhǎng)分別為4μm和5.25μm。吸收關(guān)系遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律,即當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的平行紅外光入射到氣體介質(zhì)時(shí),由于氣體介質(zhì)的選擇性吸收,其出射光的光強(qiáng)衰減為I,吸收關(guān)系用公式表示為:式中:I表示紅外光被氣體吸收后的光強(qiáng)度;I0表示紅外光被氣體吸收前的光強(qiáng)度;C表示氣體的濃度;L表示紅外光通過氣室的長(zhǎng)度;K表示氣體的吸收常數(shù)。當(dāng)氣體的種類一定時(shí),其特征吸收波長(zhǎng)也就確定了,即K一定;當(dāng)氣室長(zhǎng)度L一定時(shí),從(1)式可以看出,I的大小僅與氣體濃度C有關(guān),測(cè)出I的大小就可以得到氣體的濃度C。2紅外探測(cè)器的信號(hào)傳輸如圖1所示,分析儀的基本結(jié)構(gòu)主要包括光學(xué)系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等3部分。工作時(shí),光源根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光,光源發(fā)出紅外光的波長(zhǎng)范圍為1~20μm,通過窗口材料入射到測(cè)量氣室,由采樣氣泵連續(xù)將被測(cè)氣體通入測(cè)量氣室,氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光,透過氣室的紅外光分別由特定波長(zhǎng)的紅外探測(cè)器探測(cè)。由于調(diào)制紅外光的作用使紅外探測(cè)器輸出交流的電信號(hào),通過前置放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后,得到一個(gè)與被測(cè)氣體濃度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集后,通過串口傳送至嵌入式系統(tǒng)處理,從而得到被測(cè)氣體濃度。紅外探測(cè)器內(nèi)置溫度傳感器,探測(cè)其工作環(huán)境溫度。2.1紅外傳感器的工作原理熱釋電紅外探測(cè)器,只有在紅外輻射不斷變化,它的內(nèi)部溫度隨之不斷升降的過程中,傳感器才有信號(hào)輸出,而在穩(wěn)定狀態(tài)下,輸出信號(hào)則為恒定值,即熱釋電紅外傳感器只對(duì)紅外輻射的相對(duì)變化有反應(yīng)。因此在應(yīng)用熱釋電傳感器時(shí),須將紅外光源按一定頻率進(jìn)行調(diào)制。本設(shè)計(jì)中選用電學(xué)調(diào)制,采用555定時(shí)器發(fā)出1Hz的方波來驅(qū)動(dòng)光源,具體電路如圖2所示。圖2是用555定時(shí)器構(gòu)成的占空比(脈沖寬度與周期之比)可調(diào)的多諧振蕩器。占空比為:改變R1和R2的值,就改變了占空比,而振蕩周期保持不變。2.2雙向放大電路由于熱釋電紅外探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)十分微弱,一般為零點(diǎn)幾個(gè)毫伏,這么弱的信號(hào)容易被噪聲淹沒,必須經(jīng)過信號(hào)放大。為保證測(cè)量的精度,對(duì)放大電路的設(shè)計(jì)有較高要求。本系統(tǒng)采用電阻反饋式放大電路,如圖3所示,在測(cè)量過程中,儀器需要覆蓋的量程較廣,如果只利用一級(jí)放大無法滿足全量程數(shù)據(jù)采集,因此本設(shè)計(jì)對(duì)紅外探測(cè)器輸出的三路測(cè)量信號(hào)和一路溫控信號(hào)均采用三級(jí)反向放大。放大器第一級(jí)選用AD820精密運(yùn)放,適合小信號(hào)放大,具有低失調(diào),低溫漂,高增益,共模抑制比高及電源電壓、直流特性接近于“理想”等特點(diǎn);配合電阻反饋式放大電路精度高、可實(shí)時(shí)放大的特點(diǎn),可以很好的滿足本系統(tǒng)的性能指標(biāo)。二、三級(jí)選用低噪聲、高精度放大器OP07,其電壓噪聲系數(shù)3nV/Hz,失調(diào)漂移電壓0.2μV/℃,輸入偏置電流7nA,共模抑制比126dB。通常,反饋電容C1取10pF,反饋電阻R1取100kΩ,前置級(jí)最慢的響應(yīng)時(shí)間為1μs。2.3上位機(jī)接收應(yīng)力信號(hào)本儀器中單片機(jī)系統(tǒng)主要用于控制多路數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并等待上位機(jī)的接收應(yīng)答信號(hào)。統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編寫,其流程圖如圖4所示。3軟件方案的設(shè)計(jì)儀器采用WindowsXP作為上位機(jī)操作系統(tǒng),軟件開發(fā)工具采用虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW8.20。3.1orskench接口介紹LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一種基于圖形編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)的開發(fā)環(huán)境,具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析功能,并且提供了強(qiáng)大的外部程序接口能力,這些接口包括DLL、CIN、ActiveX、.NET、DDE、MATLAB等。NI公司和一些使用者也開發(fā)出了一些實(shí)用的工具包,通過這些工具對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析,可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。3.2軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)儀器的軟件系統(tǒng)主要完成氣體濃度測(cè)量、標(biāo)定、數(shù)據(jù)的圖形化顯示與保存、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置等功能,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、智能化。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想,主要分為測(cè)量、標(biāo)定、設(shè)置和數(shù)據(jù)四大功能模塊,每個(gè)模塊下又對(duì)應(yīng)幾個(gè)小的功能模塊,共同實(shí)現(xiàn)軟件的整體功能。主界面如圖6所示。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,建立NDIR.mdb數(shù)據(jù)庫(kù),與主程序NDIR.vi相連,用于存儲(chǔ)SO2和NO的標(biāo)定數(shù)據(jù)、標(biāo)定參數(shù)、濃度測(cè)量結(jié)果等,分別保存在與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。4混合樣氣的測(cè)量在室溫及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,對(duì)本儀器的重復(fù)性和穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。氣室中充入SO2和NO的混合樣氣,其濃度分別為1.99%和2.23%。其中表2中每?jī)山M數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間間隔為1小時(shí)。由表1和表2中的數(shù)據(jù)顯示,儀器具有很好的重復(fù)性(<1.5%)和穩(wěn)定性(<0.2%),滿足設(shè)計(jì)要求。5智能化在線監(jiān)測(cè)儀器研制成功的非分光紅外氣