NDIR不分光紅外線吸收型

1、非對稱分子(含有不同原子)可以在特定波長吸收紅外線能，這種特定的吸收定波長的吸收帶對于某種分子是確定的、標(biāo)準(zhǔn)的，稱為“物質(zhì)指紋”。紅外線通過介質(zhì)的能量變化服從比爾-朗伯定律：Ea=E0(1-eKCL)這里：Ea吸收輻射能；E0入射輻射能；C介質(zhì)濃度；L氣室長度；K消光系數(shù)。紅外線是某一定波段范圍內(nèi)的電磁波，當(dāng)它向周圍傳遞過程中遇到特定介質(zhì)時，將被介質(zhì)吸收或透射。對于同一種原子構(gòu)成的對稱雙原子分子，如O2、N2、H2等或單原子分子如He、Ne等并不能產(chǎn)生吸收光譜。但不同原子構(gòu)成，含有偶極矩分子能夠吸收特定波長的輻射波。目前，NDIR是公認(rèn)的檢查CO和CO2最有效的分析手段。CO對波長為4.55.

2、0m范圍內(nèi)的紅外線具有吸收能力，吸收峰約為4.6m。CO2吸收波長為4.04.5m范圍內(nèi)的紅外線，吸收峰約為4.3m。CO、CO2和水的紅外線吸收圖譜如圖所示。典型的NDIR分析儀配置如圖所示：包括：光源、樣氣管、探測器和電氣系統(tǒng)，圖中，右側(cè)為充有NO2的對比氣體，左側(cè)為樣氣。由于兩側(cè)氣體對紅外線的吸收不同，因此會引起測試室(DETECTOR CELL)中所得到的紅外線的強度不同。因此引起中間隔膜發(fā)生變化。把隔膜曲度轉(zhuǎn)化成電信號，采集點信號的強度，然后反推出CO/CO2的濃度值。濾光片的作用就是把我們所要測量的氣體之外的光譜濾掉。樣氣必須干燥而清潔，以保證精度。因此，必須對樣氣進(jìn)行除濕、除塵處

3、理。在選用NDIR分析儀時，應(yīng)注意以下問題：該儀器的原理決定了其線性范圍不大，對儀器需作曲線標(biāo)定或者加用線性化電路；儀器另一關(guān)鍵問題是背景氣體的干擾，干擾問題解決的好壞，直接決定著儀器質(zhì)量的好壞。在內(nèi)燃機排氣測量中，主要是CO2和H2O成分對CO測定結(jié)果的干擾。NDIR分析儀的抗干擾性能用抗干擾比(IR)來表示，是干擾氣體濃度與分析儀對干擾氣體的響應(yīng)所應(yīng)當(dāng)?shù)拇郎y氣體濃度之比。比值越大，表征儀器抗干擾性能越好。解除干擾能力的方法有加濾光片50mm檢測器(抗干擾比為10000:1)和三檢測器法(抗干擾比為105:1)。本文介紹一種采用電調(diào)制紅外光源的新型紅外氣體傳感器。該傳感器通過采用電調(diào)制紅外光

4、源，省卻了傳統(tǒng)方法中的機械調(diào)制部件；同時采用了高精度干涉濾光片一體化紅外傳感器以及單光束雙波長技術(shù)，配合易拆卸的鍍金氣室及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等氣體的實時測量。一、 前言NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)，特別連續(xù)污染物監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)以及機動車尾氣檢測應(yīng)用中十分普遍。國內(nèi)NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用國際上八十年代初的紅外氣體分析方法，如采用鎳锘絲作為紅外光源、采用電機機械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機機械調(diào)制，儀器功耗大，且穩(wěn)定性差，儀器造價也很高。同時采用薄膜電容微音器作為傳感

5、使得儀器對振動十分敏感，因此不適合便攜測量。隨著紅外光源、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速發(fā)展。主要表現(xiàn)在無機械調(diào)制裝置，采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。二、NDIR氣體分析基本機理當(dāng)紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行光，其強度為I0，出出射光的強度為I，氣體介質(zhì)的厚度為L。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強減弱為dI時，根據(jù)朗伯比爾吸收定律：dI/I=-Kd

6、N，式中K為比例常數(shù)。經(jīng)積分得：lnI=-KN+(1)，式中：N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù)；為積分常數(shù)。顯然有Ncl，c為氣體濃度。則式(1)可寫成：式(2)表明，光強在氣體介質(zhì)中隨濃度c以及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)互不相同。對同一氣體，則隨入射波長而變。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體，則式(2)應(yīng)改為：因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。以CO2分析為例，紅外光源發(fā)射出1-20m的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個4.26m波長的窄帶濾光片

7、后，由紅外傳感器監(jiān)測透過4.26m波長紅外光的強度，以此表示CO2氣體的濃度。三、電調(diào)制NDIR紅外氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)在設(shè)計傳感器的光學(xué)系統(tǒng)部分時，為了減少紅外傳感器微弱信號的衰減以及外界信號干擾，將前置放大電路也一并放在光學(xué)部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號具有較好的分辨率，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，紅外光源、氣室、紅外探測器應(yīng)設(shè)置在同一光軸上。此外為了使得信號足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩(wěn)流供電，供電電壓和電流根據(jù)使用的光源不同而不同。工作時，傳感器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光，紅外光源發(fā)出的紅外光通過窗口材料入射到測量氣室，測量氣室由采樣

8、氣泵連續(xù)將被測氣體通入測量氣室，氣體吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測。由于調(diào)制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號，通過其后的前置放大電路放大后再一次經(jīng)過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度相對應(yīng)的直流信號送入測控系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測其工作環(huán)境溫度。紅外傳感器信號經(jīng)過測控系統(tǒng)，并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補償?shù)溶浖幚砗?，給出氣體濃度測量值。采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：1.紅外光源及其調(diào)制pulsIR，reflectIR等新型電調(diào)制紅外光源等，升降溫速度很快，紅外光源發(fā)射窗口上安裝有透明窗，一方面可以保證發(fā)射的紅外光波長在特定范圍內(nèi)，適合于對常規(guī)的氣

9、體如CO2、CO、CH4、NO、SO2等氣體進(jìn)行測量。此外也可以阻止外界環(huán)境對光源溫度的影響。2.鍍膜氣室采用氣室與外支撐分離的結(jié)構(gòu)，安裝時只需將氣室固定安裝在支撐結(jié)構(gòu)的中心即可。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了該部件易于裝卸、更換；同時由于與外部支撐分離，進(jìn)一步減小了外界條件的影響，使儀器能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下工作。此外原來一些需要較長氣室的傳感器，采用以往方法加工鍍膜工藝十分困難，采用此法后將十分容易，成本也將大大降低。傳統(tǒng)氣室采用了與外支撐一體化設(shè)計，具有制造容易、安裝方便等優(yōu)點，但受外界溫度波動影響較大；其次，由于被分析氣體成分復(fù)雜，具有一定的腐蝕性，如SO2、NOX等，長時間使用后氣室極易被污染，直接影

10、響測量精度。3.紅外探測器紅外探測器，NDIR氣體傳感器的核心部件，測量精度很大程度上取決于傳感器的性能高低。本研究采用高靈敏度紅外傳感器，例如TPS2534Gx/Gy，TPS4339Gw/Gx/Gy/Gz，在其封裝上固定安裝有針對不同氣體的窄帶干涉濾光片，可以實現(xiàn)對不同氣體的測量。為了確保紅外探測器得到較強的穩(wěn)定信號，可以設(shè)計一種紅外探測器定向軸，即使在前置放大板上焊接的紅外探測器位置有一定的偏差，本傳感器也可確保與紅外光源和氣室位于同一光學(xué)中心軸上。紅外探測器接收紅外光產(chǎn)生的信號十分微弱，極易受外界的干擾，因此穩(wěn)定可靠的前置放大電路是關(guān)鍵，最好采用高精密、低漂移的模擬放大電路，并采用窄帶濾波電路。前置放大電路具有精度高、漂移小、響應(yīng)快的特點。前置放大出來的信號通過二級放大電路，直接輸出一個與氣體濃度對應(yīng)信號，并送入測控系統(tǒng)，通過非線性校正和補償后得到氣體濃度。4.傳感器測控為了實現(xiàn)NDIR氣體傳感器的測量、控制以及自動標(biāo)定等功能，需要一個合適的微