红外气体分析仪控制系统设计

滕加庄　于东林

（吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林 132022）

红外气体分析仪控制系统设计

滕加庄于东林

（吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林 132022）

本文对红外气体分析仪的组成和工作原理进行了介绍，对红外气体分析仪的控制系统进行研究设计，设计的控制部分分为五级电路，依次为讯号采集、讯号放大、反馈电路、滤波和讯号输出电路。该分析仪控制系统设计经实践证明，可靠性好，分析精度高。此次分析仪的控制设计，对分析仪的新产品开发和仪器故障诊断有着重要的指导意义。

红外线；气体分析仪；检测；控制系统

红外气体分析仪广泛应用于电力、石油、化工、建材、轻工及其他各种炉窑或烟道的气体分析［1］，如小型燃烧系统的操作优化；检测燃烧系统废气排放浓度；监测水果贮藏间，温室，地窖及仓库的空气状况；检测易燃易爆危险气体浓度等。它是环境监测、生物工程、医疗卫生等科研工作必不可少的检测工具。

1　组成及工作原理

红外气体分析仪主要由光路系统、检测器、滤波器室、切光装置、参比电机和控制电路构成［2］。

1.1光路系统

光源通过反射镜后成为两束能量相等的平行红外光束，两束能量相等的红外光分别通过参比气室和工作气室后能量就不再相等了，参比气室内充氮气不吸收红外光能，而工作气室内通以被测气体，吸收一部分红外光能后固通能量就变小了。从而使到达检测器接收室的能量存在一定的差值。利用检测器把此差值转变成电讯号，便可测出气体的浓度［3］。

1.2检测器

检测器是一个电容微音器，它是仪器的关键部件，是利用中间的薄膜电容器作为其中的一个电极，与另一个固定电极之间相隔一个很小的距离。

1.3滤波气室

为了消除重叠干扰，除了保证充入检测器内的气体具有极高的纯度外，通常的方法是加装滤波室或滤光片［4］，在滤波室内充以干扰气体，使干扰气体所对应的那些波长的红外光在到达检测器之前就被吸收掉，以消除干扰气体对检测器的影响。滤光片则是只让待测组分对应的那段波长红外光通过，其他波长的红外光被大大衰减。滤波室通常固定在气室与检测器之间的光路上。在光路上密封，而透光的窗口是氟化钙晶片制成的。

1.4切光装置

在切光源与气室装有同步马达带动的切光片，其转动频率为6.48周/s。

1.5参比电机

为了使整流元件工作在线性段，利用参比电机产生一个与讯号同频率的参比电压加载到整流器作同步整流，参比电机由一个四级磁钢转子和四个绕组组成［5］。转子由同步电机带动，与切光片同轴旋转，以保证参比电压与讯号电压频率完全相同，参比电机的输出电压约5～7V。

红外线气体分析整机原理如图1所示。

图1　红外线气体分析仪原理图

2　电路设计

本次设计的红外线气体分析仪分为五级电路，依次为讯号采集、讯号放大，反馈电路、滤波和讯号输出电路。

2.1讯号采集电路设计

讯号采集电路作为分析仪前置级，选用图2所示原理电路，它是具有选频能力的超低频放大器［6］，有四级三极管放大和二极阴极输出，G1为前置级，G2左边三极为第一级放大，右边三极为双T网路阴极输出，G3左边三极为第二级放大，右边为第三级放大，G4左边三极为第四级放大径直接交连至右边三极作阴极输出，经同步半波整流后由指示表指示。

前置级是整流放大器的输入级，用来放大从高阻抗讯号源（电容微音器）输出的微弱信号，采用阴极输出，将高阻抗变成低阻抗和后级放大相匹配，因此前置放大实际上是一个阻抗变换器，它的信号源（检测器）是一个容量变化的电容器，故需要加上一个固定的直流电压（极化电压）才能工作［7］，如图2，图中R8、R5、C1、C6均是为了增加该级直流电压的稳定性及把波纹减到最低而设置的；R1、R2组成分压网络，分出100V的电压再经R3、C2组成的滤波器作极化电压（B点）。

图2　前置级

在检测电容器容量不变化和B点极化电压非常稳定的情况下，电容器两端充电成为正、负电极。高阻R6上没有电流也就没有电压降，6C1栅极也就没有变化符号，但当检测器两端能量不等时，产生的差压迫使电容量按切光片的调制频率而变动，电容变小就放电，变大就充电，这个电流流经R6便产生一个微弱的电压降，在栅极就得到变化的讯号。

2.2讯号放大电路设计

讯号放大电路作为第二级，采用电流负反馈式三极放大电路，如图3所示，C3为高频旁路电容，C4是输入交连电容器，R9、R10组成一衰减器，改变R9的阻值便可改变整机增益，R11是屏蔽负载电阻，R13是阴极电阻，起负反馈作用，使工作稳定并降低噪音。R12、C6起退交连作用。

图3　放大电路

第二级为一普遍的三极管放大，双T带阻滤波网路接入反馈回路中，形成一个选频放大器，如图4所示。

图4　选频放大器

双T滤波器是由两组T形滤波器组成［8］，其特征频率f0=1/2πRC=6.48周/s，双T网对6.48周则呈现很大的阻抗，其传输系数B=0，而对f0以外的各频率其阻抗很小，传输系数可达到1，如图5所示。

图5　传输特性

图6　输出特性

把传输特性网路加到负反馈回路之上，使得6.48周/s讯号频率由于阻抗大而反馈量最小，大于或小于6.48周/s的讯号均得到不同程度的反馈衰减，且离主频率越远衰减越大，特性曲线如图6所示。

此分析仪放大器采用的双T网路对50周/s的讯号，可衰减80～100倍。图4中C9、C10、R17和R15、R16、R11组成双T滤波器，此回路由C8隔断直流，经6N2作为阳极输出以提高双T网路的阻抗并使反馈更加稳定。R24是屏极负载，R25是栅漏电阻，C12是输出交联电容，R26、C13是阴极电阻及旁路电容，K1（步进开关）和R18-R23组成一组6档粗调衰减器，相邻档之间改变放大量为2：1正常测量时仪器在指定档工作。

2.3反馈电路设计

反馈电路作为第三级，输出端由交联电容C14、电位器W1及R30组成微调衰减器，如图7所示，它可以把讯号衰减到原来的1/3左右，这样它的变化范围能很好地覆盖粗调衰减器的每档，两者相互配合，可使整机的灵敏度均匀地连续调节，达到所需要的灵敏度值。此电位器W1及R30同时也是下级三极管的栅漏电阻，故当电位器接触不良或断路时，会影响整机的正常工作，此外R27是栅极串联电阻，R28是屏极负载电阻，R29是阴极电阻。

图7　衰减器

图8　滤波和输出电路

2.4滤波与讯号输出电路

把滤波和输出电路两级相连，简化设计。电路由6N1双三极管组成，两级直接交联，末极阴极输出，如图8所示，C16旁路电容，把剩余的谐波短路，使输出波形更圆滑，C15、R32均是反馈元件，C15起防止寄生振荡作用，R33、C18组成滤波器起退耦作用，R37为阴极电阻。

3　结论

本文通过对红外气体分析仪的采集电路、放大电路、反馈电路、以及滤波和输出电路五级控制电路进行了模块设计，明晰了一般分析仪的控制设计过程与方法。该分析仪控制系统设计经实践证明，可靠性好，并易于分析器件精度。本文的分析仪控制设计，对分析仪的新产品开发和仪器故障诊断有着重要的指导意义。

［1］陈桄红，徐科军，陶波波，等.不分光红外气体分析仪信号处理与控制系统研究与设计［J］.电子测量与仪器学报，2013（11）：1040-1046.

［2］张永怀，白鹏，刘君华.红外气体分析器［J］.分析仪器，2002（3）：36-40.

［3］张尧海，王复兴.便携式固态红外气体分析仪［J］.红外研究，1982（3）：233-236.

［4］张达，陈美美，谢经勇.红外气体分析仪在高炉喷煤系统的应用［J］.科技资讯，2008（07）：7.

［5］田勇志，刘建国，阚瑞峰，等.一种用于涡度相关系统的新型开路红外气体分析仪的研制［J］.激光与光电子学进展，2012（10）：1-5.

［6］杨斌，何小刚，牛昱光.基于数字信号处理的红外气体分析仪［J］.科技情报开发与经济，2007（6）：196-197.

［7］刘玉川，何小刚.红外气体分析系统的分析与设计［J］.科技情报开发与经济，2007（30）：178-179.

［8］张永怀，张进永，刘君华.智能红外多组分气体分析仪［J］.测控技术，2004（5）：9-13.

Control System Design of Infrared gas analyzer

Teng JiazhuangYu Donglin
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022）

In this paper，the composition and working principle of infrared gas analyzers were introduced，and the control system of infrared gas analyzer was researched and designed.The control section of this design is divided into five circuit design，including signal acquisition，signal amplification，feedback circuit，filtering and signal out⁃put circuit orderly.The analyzer control system design was proved to have good reliability and high analysis preci⁃sion through practice.The controlling design of this analyzer will have great guiding significance for new product development and fault diagnose of analyzer.

Infrared；gas analyzer；testing；control system

TP2

A

1003-5168（2015）05-0048-3

2015-4-18

滕加庄（1979-），男，硕士，讲师，研究方向：数字化制造与分析研究。