单光束红外光二氧化碳分析仪

　　二氧化碳(CO2)分析仪在工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等领域有广泛的应用.二氧化碳分析仪的种类很多,就其原理来分有热导式、密度计式、辐射吸收式、电导式、化学吸收式、电化学式、色谱式、质谱式、红外光学式等.其中,红外光学式以其测量范围宽、灵敏度高、精度高、反应快、有良好的选择性及能进行连续分析和自动控制等特点成为二氧化碳气体分析最常用的方法.按照测量光束的数目分,红外光二氧化碳分析仪有时间双光束结构和空间双光束结构[1]两种.时间双光束结构具有单光源、单气室、单探测器件的优点,但其最大弱点是存在活动部件,调整麻烦,耐振性差,可靠性低.空间双光束结构无活动部件,克服了时间双光束结构的缺点,但结构复杂,元器件多,且对加工、装配工艺要求高.

　　随着电子技术、单片机技术的发展和光电探测器件性能的提高,单光束结构在红外光二氧化碳分析中已经展现了较好的应用前景.从光学结构上看,单光束结构是单光源、单气室、单探测器件,无光束调制元件.因此,它的主要特点是无活动部件,耐振,可靠性高,结构简单.本文基于朗伯-比尔定律,采用光源稳流、单片机温度补偿及选用高性能红外探测器等技术,进行了单光束红外光二氧化碳分析仪的研究.

　　1　测量原理

　　大部分有机和无机多原子分子气体在红外区都有特征吸收波长,当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,出射光强总是小于入射光强.

　　设入射光是平行光,光的强度为I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为l,如图1所示.当因气体介质分子数dN的吸收而造成光强的减弱为dI时,根据朗伯-比尔定律:

式中　K为比例常数.经积分得

式中　N为吸收气体介质的分子总数;α为积分常数.显然有N∝Cl,C为气体浓度.则式(1)可写成

式中　μ为吸收系数.式(2)表明,光强在气体介质中随浓度及厚度按指数规律衰减.吸收系数取决于气体介质的特性,各种气体的吸收系数互不相同.同一气体,μ随入射波长而变,对不同波长光的吸收是不同的.若吸收介质中包含几种吸收气体,则式(2)应改为

此时,吸收衰减与浓度有线性关系.

　　图2是二氧化碳的红外吸收谱,该分析仪是以4.26μm波长红外光作为测量波长.

　　2　仪器组成及主要技术

　　2.1　仪器组成

　　单光束红外光二氧化碳分析仪系统框图如图3所示.

　　在结构设计时,将红外光源、采样气室、滤光片、红外探测器设置在同一光轴上,且红外光源由稳流源供电,电流为200 mA.工作时,红外光源发出的4.26μm红外光通过窗口材料入射到测量气室,测量气室由采样气泵连续通以被测CO2气体,CO2气对4.26μm的红外光吸收,而部分透过的红外光由红外探测器探测.另外,由温度传感器探测光学探头的内部环境温度.红外探测器和温度传感器的输出电信号分别由放大电路处理后,输入到单片机系统,并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后,由单片机系统输出CO2气体浓度测量值.