一种高灵敏度红外CO浓度检测方法与设计

2015-01-27李明勇白丽丽谭旭晖尤兴志

自动化与仪表 2015年5期

兰江，李明勇，白丽丽，谭旭晖，尤兴志

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，宜昌 443003）

CO作为一种有毒气体，威胁着人类的身体健康和生命安全，工业生产排放的废气、汽车尾气、农业焚烧秸秆产生的气体等均含有一定浓度的CO，日常生活中煤气中毒致死情况也时有发生，对CO浓度的检测和预警对保护生命健康和控制环境污染有着十分重要的意义。

现有的CO检测方法主要有化学反应法、非散射红外吸收光谱法、色谱分析法等[1，4-5]。红外光谱吸收法是一种实施简单、精度高、抗干扰能力强且可在线连续测量的方法。红外光谱吸收法常采用单光路双波长技术或者切光型技术，国内外对2种方法都进行了大量的研究[2-3]。部分仪器公司采用切光型技术做成了测量CO浓度的商用仪器，但这类仪器普遍采用较为落后的红外分析器件，光源稳定性差，造成测量误差较大。此外，这类仪器采用机械调制方法，故障率高，维护困难[6]。针对上述问题本文提出了一种单光路双波长的电学调制测量方法，简化了设计方案，增加了可靠性。并采用改进双T技术设计了一套高Q值的滤波器，结合差分技术增强了仪器抗干扰性能，使得CO测量灵敏度达0.8 ppm。

1 高灵敏红外CO浓度检测原理

由于气体分子对特定的光谱有一定的吸收作用，且满足朗伯—比尔定律，即：

式中：I0为输入光线光强；k为气体对光线的吸收系数；C为气体浓度；L为光线传播距离。对式（1）进行进一步化解可得气体浓度与其它参数之间的关系：

CO浓度的测量也满足上述原理，然而仅采用式（2）很难准确求出CO气体浓度，主要有以下几方面原因：CO气体对红外光谱的吸收系数较小，要想测到低浓度的CO气体，需要设计多次反射的吸收池以增加光程，准确测量光程大小较为繁琐；红外光源不稳定造成的信号变化会淹没掉CO浓度信号的变化；干扰物质的影响，由于吸收池内存在水蒸气、粉尘颗粒，这会干扰CO气体对红外光线的吸收，影响CO浓度测量准确性[7]。

为了解决上述问题，单光束双波长技术，即采用CO没有任何吸收的3.96 μm波段的响应信号作为参比信号；采用CO吸收作用较强的4.64 μm波段的响应信号作为浓度信号。对4.64 μm波段响应的信号记为测量信号D2，对3.96 μm波段响应的信号记为参比信号D1，两信号可分别表示为

单光束双波长技术一般由探测器端外加2片窄带滤光片实现。由窄带滤光片工艺可知，窄带滤光片不可能做到很窄，一是成本太高，二是光强将被极大地衰减。目前市场上的滤光片有特定中心波长，半功率带宽一般为100 nm～200 nm。假定参考波长λ1是由中心波长3.96 μm、半功率带宽200 nm的滤光片得到，浓度波长λ2是由中心波长4.64 μm、半功率带宽200 nm的滤光片得到。由于CO几乎不吸收参考波长带宽范围内（3.96±0.2）μm 的光谱；而在测量波长带宽范围内（4.64±0.2）μm，分布着数条CO吸收谱线，且带内无吸收的谱线远多于吸收谱线，因此式（3）可进一步表示为

式中：λ22为带内CO吸收的谱线；λ21为带内CO不吸收的谱线。由于两波长来自同一光源，则有S1（λ）＝mS2（λ），在通入零气时，式（4）中两者之间的比值可表示为

同理，通入浓度为C的标准气体CO时，两者的比值可表示为

由上式可知，计算出比值A和B，即可推导出测量气体浓度。可以看出，A为定值，且A和B大小与光源强度和光强传递系数无关，这种差分检测方法不仅可以从理论上消除光路的干扰因素，还可以消除光源输出光功率不稳定带来的影响。

2 高灵敏红外CO浓度检测硬件设计

图1 高灵敏红外CO浓度检测仪结构图Fig.1 Structure chart of highly sensitive infrared CO concentrating detection instrument

高灵敏红外CO浓度检测仪硬件结构如图1所示，提高灵敏度的关键在于增加CO吸收池光程；采用高灵敏红外探测器；采用高Q值的改进双T滤波技术；采用低噪音差分式的前置放大电路。

2.1 CO吸收池设计

由于CO气体对红外光吸收率较低，当检测低浓度的CO气体时，需要增加光程。文中设计的红外CO浓度检测仪的吸收池结构简图如图2所示，其中a为红外光源，用于产生红外光；b为5个反射镜，其将红外光进行多次反射，增加光线传播光程；c为红外光线传播示意图；d为红外传感器，用于检测CO浓度信号和参比信号；e为进气口；f为出气口。采用这种结构设计的吸收池光程可达到1.2 m。

图2 CO吸收池结构简图Fig.2 Structure chart of CO absorption cell

2.2 光源调制电路

文中选择的红外传感器为英国某公司生产红外探测器，其有2路信号输出，一路为CO浓度信号，一路为参比信号，该红外探测器具有较高的灵敏度，当光源变化率为1 Hz时，其光电响应率可达3.2 kV/W。文中选择的光源变化率为 3.183 Hz，此时红外探测器的光电响应率约为1 kV/W。

为了使得红外光源变化率在3.183 Hz，需要设计光源调制电路，光源调制电路如图3所示，其中UDA-in为DA的输出信号，其按照正弦波形式变化，具体幅值满足如下公式：

其中，2.5 V电源由基准源ADR421提供，红外光源选择北京某公司功率2 W、额定电流1 A的红外光源，根据上述参数可得出流过电阻R28的电流满足：

如果取R25为1kΩ，那么可计算出的参数如下

图3 红外光源调制电路Fig.3 Infrared light source modulation circuit

2.3 前置放大电路设计

前置放大电路原理如图4所示，CO浓度信号S2和参比信号S1经过RC滤波放大后接入差分运算放大器的同相端和反相端，经过放大后可得到消除参比信号后的信号Uos。

图4 前置放大电路连接图Fig.4 Pre-amplifier circuit connection diagram

3 改进双T滤波电路设计

前置检测电路的输出信号中含有大量的噪声，信号的波形有一定的失真，这样的信号会严重影响CO测量的灵敏度。由于调制的光源频率为3.183 Hz，因此检测信号也应该是3.183 Hz，因此需要设计一种高Q值的中心频率为3.183 Hz的带通滤波器，采用传统的Sallen-Key型或者MFP型滤波电路设计3.183 Hz的带通滤波器十分困难，滤波效果并不理想。在此，在双T滤波技术的基础上，改进设计了一种高Q值的带通滤波器，其电路图如图5所示。