基于NDIR原理单光源单光路实现多组分测量的技术开发

陈 淼 黄政伟 王 一

(北京北分麦哈克分析仪器有限公司,北京 100095)



基于NDIR原理单光源单光路实现多组分测量的技术开发

陈 淼 黄政伟 王 一

(北京北分麦哈克分析仪器有限公司,北京 100095)

为满足以较经济的成本进行多种组分测量分析，对基于NDIR原理工作的测量仪器本研究通过设置不同谱带的滤光技术，解决了单光源单光路条件下多种不同气体对红外吸收谱带问题。此创新设计中的关键内容是红外光源发生装置的改进设计以及光源调制马达的定位，以解决其润滑挥发组分引起的对红外吸收的扰动；此外,将原固定的单个滤光片重新设计为可轮转的滤光器结构，实现在对红外光线进行调制的同时，展宽了具有针对性的红外吸收谱带,给出了样气中不同组分的红外吸收频段；找到了滤光器精密启动定位运行的新算法和控制技术，相应地也进行了硬件支撑平台的重新设计。

红外光谱 薄膜微音 NDIR 滤光器

大量应用于污染源、大气和工业流程检测/监测的NDIR声光气动原理的红外气体检测器目前大都只能进行单组分测量。为了解决多组分测量分析问题，用户不得不购置多台仪器，这加大了用户购买、使用和维护的成本压力，因此能以较经济的价格进行低浓度精密多组分测量的产品，是用户的迫切希望。近几年来，可进行多组分测量的产品多为进口仪器，国内目前尚无厂家自行设计制造这种产品。

这类仪器普遍采用滤光片切换技术[1]，但仅仅一个滤光片切换技术的改造不足以圆满解决这个问题。通过改变检测器充气配方、滤光器切换滤光片的方式，在一台仪器上实现多个组分薄膜微音红外气体分析器的测量，将是国内在线红外气体分析仪器的一个重大突破，使研制人员掌握了红外线吸收能量密度分布和谱带分配的方法，不但能使国内制造高端在线分析仪器的水平上一个新的台阶，而且增强了此种仪器与国外同类仪器的竞争优势，同时，对红外线气体分析器的核心内容有了深度的把握，更能进一步推动新产品的不断发展。

该仪器的核心检测部件具有独立知识产权，完全自主生产研发并制造，其性能指标、稳定性及可靠性达到国内领先，国际先进水平。

1 项目概述

大气环境、各种固定污染源以及工业工艺流程中的气体成分十分复杂，对其监测需要同时针对多种气体进行。单成分检测显然会增加使用者的运行成本，因此需要研制这样一种仪器：可同时检测尽可能多的气体组分，同时又稳定、可靠、经济而且在线运行能适应恶劣的运行环境及复杂的样气背景。

本项目技术方案的制定和研制即围绕着满足这些要求实施。

2 薄膜微音检测技术

本文所述实验及讨论均以基于微音薄膜技术的北分麦哈克公司QGS-08系列红外线气体分析器为基础。该红外线气体分析器工作原理依据气体对红外线光谱具有选择性吸收并遵循朗伯-比尔这一光谱吸收定律：

(1)

本质上它是一种红外能量光度计。

该产品因不对红外线进行光谱分光而称为不分光方式红外(NDIR)，图1[2]为多组分分析工作原理。它利用基于气体对红外光谱具有选择性吸收的特点对气体进行定性，利用被吸收红外能量与参比红外能量差推动微音电容变化(光声气动-薄膜微音)的方法对特定气体浓度进行定量分析。检测器主体部分由聚光腔(室)、前后两个吸收室以及薄膜微音电容器组件等组成。两个吸收室在光学上呈串联结构，在气动作用上相互“隔绝(气密)”，中间仅以毛细管相通，经过初始调节使其达到动态脉冲压力下的平衡。光路中气体吸收红外线能量的状态见图2。红外辐射被按规定频率调制，首先进入气室，(经聚光室)再先后进入这前后两个吸收室。红外能量首先在分析气室边被吸收掉一部分。光程较短的前吸收室吸收谱带中心的能量，后吸收室由于反射光锥的作用，使光程为无穷大，吸收余下两侧的能量。气室内的吸收导致前吸收室的压力脉冲减弱，原压力平衡被破坏，所产生的压力脉冲加在差动式薄膜微音器的动极片上，致使电容量变化，然后被转换成电信号和浓度值。毛细管的作用使前后平均压力相等，既膜片在无光照时处于平衡位置。由于分析气室的吸收很小(KCL<<1)，所以主要吸收光谱的中心部分，使前吸收室的能量减少，边带部分基本不吸收，使后吸收室的能量不变，产生的压力脉冲仅与气体特征吸收峰的中心谱线有关，所以具有良好的选择性。

图1 多组分分析器光学工作原理

图2 分析器红外吸收谱图

3 研制内容

多组分分析器的光学工作原理，如图1所示。其研制内容的重点在光学部件中的新设计，有三个方面：红外光源的发生装置，不同滤光谱带发生设计，滤光谱带控制设计。

3.1 红外光源发生装置

(1)结构设计

现有技术中的红外光源发生装置如图3，其中同步电机2、灯丝部件9、切光片7及反射体6均处于一个密封的装置内，其优点是稳定性好，密封性好，能够避免外界气体对仪器使用过程中的干扰。但存在两个主要缺点：

图3 现有红外光源发生装置1.外罩；2.同步电机；3.壳体；4.光电耦合器；5.柔性软管；6.反射体；7-1.调制切光片；7-2.红外切光片； 8.密封圈；9.灯丝部件；10.红外辐射信号；11.输出信号安装槽；12.法兰；13.中间轴；14.密封面

①在仪器的长期使用过程中，同步电机中的润滑油会有一定量的挥发，挥发出的组分附着于反射体内部，使反射体内部受到污染，装置发出的红外光能量发生改变，造成仪器的漂移。所以，出厂之前需要对光源电机进行抽油，以防止仪器长期运转后，油会蒸发污染反射体，使仪器发生漂移。

②以往的生产过程中，为了防止同步电机中的润滑油挥发，装配光源前会将同步电机中的旧油抽出，然后加入高品质的清油，这个过程有时会使电机产生少许的噪声(极小的噪声会使微量测量产生漂移)，因而对同步电机本身的性能要求很高，同时噪声程度难以界定，导致生产成本和效率降低。

鉴于上述现有技术的缺陷，在新的设计中，将光源电机外置，解决了电机抽油与反射体污染之间的重要矛盾。这是保证仪器长期稳定运行的一个充分的关键条件(图4)。

图4 新型红外光源发生装置1.上壳体；2.下壳体；3.同步电机；4.上磁座；5.切光片装配；6.反射器；7.密封圈；8.密封圈；9.压板；10.电机支柱；11.紧定螺钉；12.螺钉；13.上盖；14.卡块；15.下盖；16.轴承

新设计的光源发生装置，一个同步电机可以同时带动两个光源工作，形成双光路的情况，本文只介绍单光路实现多组分的情况。单光源独立工作，需要用上盖13、下盖15、卡块14和螺钉12将上下壳体预留的另外一个光源位置封死，保证整个壳体的密封性。电机带动上磁座4绕电机做轴线转动，切光片5-1设置于上壳体1与下壳体2之间，不仅能够密封性好、稳定性好、可以产生连续稳定的红外光源，并且避免了外部气体对其使用过程中的干扰。光源装置中还设计有一个霍尔元件，为双极锁存型霍尔效应位置传感器，是一种双磁极工作的磁敏电路，位于柱形磁体下，在电机带动上下磁座连同切光片运转的时候，传感器输出脉冲信号，用以确定切光片的转动位置，为信号处理电路提供相位信息。

(2)重点问题解决

①切光片静平衡计算

新光源由于切光片尺寸加大，切光片形状本身非中心对称导致切光片质心并非位于切光片圆心位置。当电机驱动切光片以圆心为中心转动时，会引起光源整体非平衡震动，影响轴承及光源的使用寿命，因此必须对切光片进行相对于圆心位置的静平衡补偿。切光片外形如图5。

图5 切光片外形图

通过Iventor软件计算得到切光片的质心位置位于Y轴正方向Y1处，实际称量得到切光片质量为m，则切光片相对于圆心位置的质量距为：

M1=m×Y1

(2)

如果需要通过静平衡补偿使得切光片的质心与圆心位置重合则需要在Y轴的负方向补偿一个质量距为M2的平衡质量块。我们利用圆柱形小磁铁的安装孔进行补偿。安装孔中心刚好位于Y轴负方向Y2处。则可计算得到需要的总平衡质量：

m0=M2/Y2

(3)

通过称量得到圆柱形小磁铁的质量为m2，则所需要的平衡质量块的质量为：

m1=m0-m2

(4)

平衡块外形最好是圆形，质心位置位于圆心，中心有孔便于安装圆柱形小磁铁。最好采用黄铜材质，密度超过切光片铝材密度的3倍。通过Iventor软件计算平衡质量块形状如图6。

图6 黄铜平衡块形状

②壳体变形：在早期做过的光源样件中，壳体加工回来经过一段时间的放置后，变形严重，无法正常装配。

经过对变形现象的研究，选用进口的航空铝材，保证材料的性能，另对样件增加了热处理工艺，解决了加工时材料产生的应力问题。样件加工回来后，经装配及试验表现，材料性能稳定。

③密封性：部分装置未通过真空探漏试验。后续加工样件中，对密封处进行重新设计。选用合适的密封装配尺寸及配套O型圈。

④电机丢转：新光源装配后通电，发现存在电机与切光片不能同步运转的现象。经过分析，发现穿过切光片的轴，不能与上盖和下盖中安装的轴承很好的配合。为了降低轴与轴承配合的难度，更改了壳体部分设计，并增加弹簧。使电机在启动时，穿过切光片的轴可以进行弹动，使得壳体内的磁座与壳体外的磁座更为顺畅的配合，避免电机丢转的现象发生。

3.2 滤光器解决谱带划分

(1)结构设计

滤光器要解决的技术问题是针对红外线气体分析器中使用单一的红外光源发生装置来检测一个范围内的多种气体。需要通过检测器前置部件中滤光片的准确切换来实现检测最多4种气体的方式。为了实现多种气体的检测，发明了一种圆盘旋转式滤光片切换装置，通过步进电机驱动滤光片依次进入光路，使单光路光学部件在不同时刻形成具有不同光谱特性的光学测量，如图7所示。

A

B图7 滤光片切换装置的正面结构示意图 A.未安装滤光片组;B.安装滤光片组1.壳体；2.玻璃套；3.步进电机；4.霍尔元件组；5.干燥盒；6.弓形板；7.滤光片组；8.滤光片；9.顶丝

滤光片切换装置，包括：壳体结构、设置在壳体结构内部的滤光片组结构、步进电机3和霍尔元件组4。壳体1侧视图如图8，滤光片组结构如图9。上侧设有第一个开口与气室相连，与之相对应的下侧设有第二个开口与薄膜微音检测器相连。滤光片组结构包含圆形板以及若干个滤光片，滤光片嵌入圆形板中；电机与滤光片组结构同轴连接，用于带动圆形板做轴线转动，使圆形板上的预设的滤光片旋转至第一开口与第二开口中央的连接线上，对第一开口射入的光线进行滤光，且经过所述滤光片的光线由第二开口射出；滤光片组结构还包括设置在圆形板上的磁铁7-3，与设置在壳体内部的霍尔元件组相配合，用于使所述霍尔元件组感知磁铁的位置，从而确定圆形板上的预设的滤光片的位置。玻璃套2，用于将壳体内部的脉冲信号传输至所述装置外部，还用于为步进电机提供外部供电连接。弓形板6通过变形挤压干燥盒5，将其安装于壳体内，其中干燥盒5内设有干燥剂，干燥剂为碱石棉和/或霍加拉特，用于吸收残留的二氧化碳或一氧化碳。整个装置通过盖12、固定块10、销钉14以及顶丝11，实现滤光器良好的密封性、稳定性。

图8 滤光片切换装置侧视图10.固定块；11.顶丝；12.盖；13.O型圈；14.销钉

图9 滤光片组的结构示意图

对比中国发明专利CN103309739A[3]公开的一种盘式滤光盘切换机构(图10)，有如下优点：(1)采用步进电机直接带动滤光组件，代替蜗轮蜗杆传动，电机驱动实现滤光片切换，机械结构更简洁，更便于滤光组件的控制及准确定位；(2)由于采用步进电机，只用一个非接触式的霍尔开关即可完成位置检测，避免了现有设计中元器件多，信号处理复杂的情况；

图10 现有技术滤光组件示意图 1.滤光盘(圆盘1a，4个滤光片1b，5只位置反馈器1c，旋转轴1d)；2.传动件；3.电机；4.霍尔元件；5.控制电路板

(2)滤光器控制技术

实现滤光器组件的精准定位，是实现多组分测量的重要步骤。设计中控制器上电后，首先让滤光器从光源方向顺时针旋转，滤光器的起始位置是霍尔元件与磁铁上下对齐的位置，步进电机从起始位置转动N1个步距角，到达第一个滤光片位置，到第二个滤光片的位置需要从起始位置转动N1+N2个步距角，或者从第一个滤光片的位置转动N2个步距角。步进电机转动步距角是18度。当步距角为18度时：N=360/18=20，N1= 2，N2=N3=N4=N/4=5。对应角度为36°、126°、216°、306°。

当步进电机正常工作时：初始化步进电机时，给步进电机连续发送脉冲信号，让步进电机转动，直到检测到霍尔元件的输出信号有高电平向低电平跳变时，停止发送脉冲信号，让步进电机停止转动，把滤光器的这个位置定义为起点，这是初始化n=0，然后发一个脉冲n加1，直到再次检测到霍尔信号有高电平向低电平跳变时，停止发送脉冲信号(如果步进电机工作正常，则n应该等于20)，把n的值赋值给N，接下来计算N1、N2、N3、N4，N2=N3=N4=N/4，N1=N2/2(取整)。接下来根据待测组分个数和组分转动滤光器。

如待测组分个数为3时，并且待测组分1、组2和组分3对应前第一、第二和第四个滤光片时，通过转动滤光器到起始位置后，给步进电机发送N1个脉冲信号，等10s采集组分1信号并计算浓度值，然后给步进电机发送N2个脉冲信号，等10s采集组分2信号并计算浓度值，然后给步进电机发送N3+N4个脉冲信号，等10s采集组分3信号并计算浓度值，这样完成待测3个组分的第一周期的测量。要进行第二个周期的测量时，给步进电机发送N4个脉冲，把滤光片1对应检测通道，等待10s采集组分1信号并计算浓度值，然后按照第一周期的顺序完成组分2和组分3的测量，如此实现3个组分的连续测量。软件设计流程如图11所示。

图11 滤光器驱动软件流程图

结 论

应用NDIR原理的单光源单光路实现多组分测量技术研制的产品QGS-08CN模块式气体分析器，可以同时对多个组分进行分析测量。最多可以实现4个红外组分加一个氢或氧组分的测量。除此之外，该仪器遵循模块化的设计理念，用户可以选择的模块包括薄膜微音检测模块、顺磁氧检测模块(包含磁力机械氧模块、热磁氧模块、磁压氧模块)、电化检测模块、热导检测模块或微量水检测模块，根据量程、测量精度、稳定性等技术指标，选配所需分析模块。各种模块的独立设计，为用户提供更大的选择空间，在满足使用要求的情况下，节省成本。

[1]高喜奎．《在线分析系统工程技术》．北京：化学工业出版社，2014.

[2][美]卡尔·L·约斯主编，陶鹏万等译．《气体数据手册》7版．北京：化学工业出版社，2003．

[3]高泽东，高教波．滤光组件的切换定位控制方法．陕西：西安应用光学研究所，2013.

Development of multicomponent measurement by single light source and optical path based on a infrared gas analyzer of NDIR principle.

Chen Miao,Huang Zhengwei, Wang Yi

(BeijingBaif-MahakAnalysisInstrumentCo.,Ltd.,Beijing100095,China)

The main improvements are new design of the light source, which can solve the disturbance of infrared absorption caused by the lubricating volatile component, and the rotating filter structure for modulation of infrared light, which expands the infrared absorption spectrum to deal with different components. A new algorithm and a control technique were proposed to accurately locate and start the new filter. The hardware platform was also redesigned.

infrared spectrum; thin film microphony;NDIR;filter

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.03.004

2017-12-09

陈淼,女,1981年出生,高级工程师,硕士研究生,主要从事在线气体分析方法的研究及相应仪器的研制工作,E-mail:chenmiao1630@163.com。