差分式中红外一氧化碳检测仪的研制

吴华建

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

目前，对于气体检测技术，广泛运用的领域为工业生产方面，特别是一些环境相对恶劣、会产生有毒气体的工业生产，比如煤矿企业的煤炭开采就会产生一氧化碳等有毒气体。文章主要针对一氧化碳检测仪展开论述。一氧化碳作为一种易燃易爆的气体，具有毒性，如果浓度较高，吸入之后会导致中毒，直接危害人的心、脑、肝、肾以及其他组织。在工业生产中，一氧化碳的产生，就直接危害了工作人员的生命安全。

1 红外一氧化碳检测仪

1.1 一氧化碳检测仪

一氧化碳检测仪主要是用来检测一氧化碳的浓度，对一些怀疑存在一氧化碳的环境进行检测。目前使用的一氧化碳检测仪是一种智能化的检测模式，可以自动识别一氧化碳气体的浓度，一旦检测出空气中存在一氧化碳，仪器会自动发出报警信号。该检测仪具有精准的读数，能够精准检测出周边环境一氧化碳的情况，同时还能实现远距离采气，这样可以避免使用者进入一氧化碳危险区域。目前，一氧化碳检测仪已经成为工业生产的必备品，相关检测仪产品相继出现，不仅具有检测一氧化碳气体的功能，同时也具有自动化、智能化的特点，满足防震、抗噪等要求。

1.2 红外一氧化碳检测仪

根据检测的原理，一氧化碳检测仪有几种不同的类型，包括电化学型、催化燃烧型、红外吸收光谱型。在煤炭生产中，一般选择红外吸收光谱型的红外气体检测技术，来检测环境中的一氧化碳，具有较高的可靠性、检测精度及抗干扰能力，是目前非常受欢迎的一种气体检测仪器。

红外一氧化碳检测仪是利用红外光谱吸收原理，对低浓度的一氧化碳测量的仪器。红外一氧化碳检测仪可以同时检测一氧化碳的浓度、温度和湿度，具有非常清晰的彩色触摸屏及声光报警提示，带内置泵，且能够确保在高温和低温测量中具有足够的精度和补偿，被广泛应用于公共场所及卫生监督、环境监测等领域的气体检测与监测，由于其具有较高的精度还可用于科研监测部门。该仪器符合《公共场所空气中一氧化碳测定方法》（GB/T 18204.23—2000）和《空气质量一氧化碳的测定 非分散红外法》（GB/T 9801—1988）的国家标准；符合《一氧化碳、二氧化碳红外线气体分析器》（JJG 635—2011）的国家计量检定规程。红外一氧化碳气体检测仪，可以检测空气中的一氧化碳气体，也可以检测该环境的温度和湿度；自带吸气泵可将数十米距离外气体吸入仪器进行测定；具有超大彩色触摸屏、操作方便快捷；其自动零点校正技术，方便用户在不同季节和时间进行零点修正。

2 差分吸收检测技术

差分吸收光谱技术（DOAS技术）是一种光谱检测技术，其基本原理是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴定气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。当前，差分检测技术在气体检测领域得到了广泛的应用。该技术最开始是由德国Heidelberg大学环境物理研究所的Platt提出，主要用于城市、地下通道以及工业矿区有害气体的检测。该技术的检测原理比较复杂，是基于衡量气体分子的窄带吸收特征的检测，吸收的光强度遵守的是郎伯比尔定理，也被称之为光的吸收定律。差分吸收检测技术就是以此定律为基础而提出的一项检测技术。郎伯比尔定理表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。该技术被广泛运用于测量大气污染，其采用专门的仪器，工作效率较高，气体浓度的测量下限非常低，测量的范围也比较广。

差分吸收光谱技术在实际的使用过程中具有明显的优势，也得到使用者的肯定。该技术通过差分吸收光谱的分离法消除了瑞利散射、米氏散射以及大气中其他物质的消光影响，提高了实验测量的准确性。而且该技术的测量是非接触性的测量，可以保证气体在检测的过程中不会因为仪器设备的影响而造成光能损失，影响检测的结果，而且可以有效反映出气体的平均浓度。而且，差分吸收光谱技术，实现了实时监测。随着智能化的发展，实现自动化的工作，在完成安装之后，不需要人工实时操作或者更换设备，有效降低了检测的成本。

3 差分式中红外一氧化碳检测仪系统

3.1 系统结构

差分式中红外一氧化碳检测仪系统是结合当前有毒气体的检测技术，研制出的一种差分式中红外一氧化碳检测仪，系统结构如图1所示。系统主要包括宽米光谱红外热元、球形聚光反射镜、双通道红外探测器组成的光学部分，以及信号处理部分。该系统的主控制器为ARM处理器，其可以产生光源驱动信号、驱动锁相放大器等，并实现对数据的储存。

图1 差分式中红外一氧化碳检测仪系统结构

系统实际运行原理：恒流驱动电路为光源提供频率为4Hz、占空比为50%的方波驱动信号，光源发出的红外光在气室内经过球形聚光镜反射，被一氧化碳气体充分吸收之后，反射光信号射入双通道探测器上，被探测器的两个滤波窗口感知，实现信号的转换；探测器两通道输出的两路信号通过双通道锁相放大器提取幅值信息，得到一氧化碳的浓度。

3.2 系统设计

首先是设备的选择，主要对光源和探测器进行选择。（1）光源的选择。保证光源辐射的光谱范围内有一氧化碳气体的吸收光谱的范围在2～20μm，保证具有较高的发光强度、电光转换率高、低功率、寿命长等，如红外热光源（IR55）就能满足其检测要求。（2）探测器的选择。探测器在系统中主要用于光电转换，选择探测器的时候，探测器和光源的光谱要匹配，并且还需要确定探测器的动态范围以及等效噪声功率等参数，同时还需要探测器具有较高的灵敏度，特别是用于矿井下，如热释电探测器LM244就可以较好满足相关要求。

在该系统中还有一个重要的部分，即光学系统。根据探测器在不同频率下的响应度和光源载不同频率下的调制深度，确定光源的调制信号频率为4Hz。在红外一氧化碳检测系统中，采用反射式，有利于增加光程。光源和探测器放置在球面的反射镜球心的上下对称的位置，并固定在铝板上，增加抗震能力。在该系统中，双通道锁相放大器也是其非常重要的一部分，可用来提取信号、抑制噪声和提高灵敏度，确保在微弱信号情况下也能完成检测。

3.3 差分式中红外一氧化碳检测

对于差分式中红外一氧化碳检测仪系统的实际运行，实验设计以及相关的测试主要是根据已有的实验经验来进行分析。此次研究参考了隋越等人[1]的研究成果。

（1）配置在一定浓度范围之内的多组不同浓度的气体样品，得到差分信号和参考信号的比值以及与气体浓度的关系。再结合朗伯比尔定律，计算出气体的浓度。此次实验室配备了浓度范围为0～1×10-3mg/L的多组样品。

（2）分析系统检测的误差。对实验结果进行误差的检测，以此来得到样品浓度和配备样品浓度值，再计算出测量误差的绝对值。在配备样品之后，重新测试了1×10-4～1×10-3mg/L的不同气体样品的浓度，计算得出相对误差的绝对值小于0.15。

（3）系统稳定性分析。根据一氧化碳的浓度测试两通道的电压值，判断系统的稳定性，如噪声就会影响系统的稳定性。此次稳定性测试是根据一氧化碳的实际浓度确定电压值，判断系统的稳定性。

（4）系统检测的时间。通过时间的测试，确定出系统的灵敏度。时间测试是从仪器光学系统放置到气室中开始计时，一直到测得浓度为气室中样品实际浓度值的90%时为止，所用时间就是系统的响应时间。在此次实验中，可确定系统具有较高的灵敏度，当浓度为0×10-6ppm的时候，连续测试180s；通入浓度为2×10-4mg/L的一氧化碳样品，确定结果稳定；然后再保持180s的时间，通入浓度为5×10-4mg/L的一氧化碳样品，显示结果稳定后，保持180s。

4 结束语

通过对红外一氧化碳检测仪以及差分吸收光谱检测技术的简单分析，详细地介绍了差分式中红外一氧化碳检测仪系统，包括系统结构、设备以及设计，并且对其相关的性能进行试验。此次所设计的系统和采用的设备，在试验中都取得了成功，可以确定其具有较高的灵敏度、较高的稳定性、较低的监测误差，符合红外气体监测的要求。