概述红外气体分析仪技术

成分分析仪器是专门用来测定物质化学成分的一类仪器。其中，红外气体分析仪能连续自动测量、指示、记录流程中气体（如CO、CO₂、CH₄、SO₂、NO等）的体积浓度。由于红外气体分析仪器灵敏度高、稳定性好等诸多优点，被广泛应用于电力、石油、化工、建材、轻工及其他各种炉、窑或烟道的气体分析，是环境监测、生物工程、医疗卫生等科研工作必不可少的检测工具[36]。

红外光线是一种电磁波，红外辐射主要是热辐射。将红外光线射入一定厚度的待测气体层时，红外光线的能量会被待测气体吸收。根据朗伯-比尔吸收定律，待测组是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的，据此可以确定待测气体浓度与红外光线辐射强度的数学关系，采用检测器检测被气体吸收之后的红外光线辐射强度，即可计算出待测气体的体积浓度。

不分光红外气体分析仪的结构如图8-8所示，由不分光红外光源、薄膜微音型检测器（薄膜电容检测器）、测量池（包括分析气室和参比气室）以及接收器（包括参比接收室和测量接收室）等组成。

不分光红外光源发出两束能量相等、经过切光片按照一定频率调制形成的平行光束，分别通过测量池的参比气室和分析气室。由于参比气室内封入的是不吸收红外线能量的氮气，红外线通过此气室后能量不变，而分析气室通入被测气体，其对红外线有吸收作用，从而使原来能量相等的两束红外线产生了能量差；然后，再分别进入接收器的参比接收室和测量接收室。参比接收室和测量接收室都由前室和后室组成，前室和后室通过半透半反的光学镜片隔开，都充有吸收气体，吸收气体的吸收曲线近似于被测气体的消光曲线。由于进入接收器的两束红外线存在能量差，因此导致接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量产生了差异，进而产生气压不同，从而推动薄膜电容的动极移动，导致薄膜电容的容量发生变化，这样薄膜电容器就将红外线的能量变化转换成了电容量的变化，再通过电荷放大器转换成电压的变化，送至红外信号调理电路，经放大滤波等各种处理，仪器就能输出一个与被测气体浓度变化相对应的信号，供处理或控制。

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图8-8 不分光红外分析仪传感器结构图

传统的不分光红外分析仪电气部分大都采用相敏检波的方法对传感器输出信号进行处理，具有硬件电路复杂、调试工作繁琐、精度较低、稳定性较差等缺点。ABB公司推出的改进型产品EL3020型红外分析仪将数字信号处理的方法应用到红外气体分析仪中，这样不仅大大简化了硬件电路，而且整个系统不易受噪声的干扰，测量精度比较高，在国内占有最大的市场份额，但其价格比较昂贵。

本课题组对不分光分析仪的电气部分进行了数字化的改进工作。设计以TI公司TMS320F28335型号DSP为核心的数字信号处理系统，采用数字化方案替代原有的模拟处理方案，简化了模拟信号通道，提高系统抗干扰能力及测量精度[37，38]。该课题研究成果已转让给国内企业，并在2011～2012年TI C2000创新设计大赛中获三等奖。