红外气体（精选九篇）
红外气体 篇1
开路气体检测技术是独立高速气体检测系统, 可测量直线内可燃性气体 (主要是碳氢化合物) 及有毒气体 (H2S, NH3, 芳香烃类) 浓度, 具有自动化程度高、安装操作简单、运行安全可靠以及维护方便等优点, 广泛应用于FPSO’S, BP, Shell, ExxonMobile, Statoil等近海采油平台、浮式采油、储油以及卸油等场所。它克服了以往检测技术中催化类元件容易中毒老化和易受环境因素影响的缺点, 同时还具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点, 目前已经在石化行业广泛应用, 作为普通单点固定式气体探测技术的一种补充, 能起到很好的辅助作用。
1 开路式红外可燃气体探测技术介绍
1.1 红外吸收原理
开路式红外气体探测技术采用红外吸收原理, 每种气体在红外辐射波段都有一条或者若干条自己的特征吸收谱线, 光穿过气体时, 特征频率谱线光能就会被气体吸收, 从而使该频率光的能量减弱[1]。特征频率并非是一个单元频率的光学, 它是由一定频率范围的光组成的。也就是说, 特征吸收频率是有带宽的, 带宽范围内的各个频率被吸收的程度不同。光线能量减弱的程度与气体浓度和光线在气体中经过的路程成比例, 这个关系服从比尔定律。
It=I0·exp-E (λ) ·C·L
式中 C——化学浓度;
E (λ) ——气体吸收系数 (取决于物质吸收的化学性质) ;
L ——光程距离。
I0 ——输入浓度;
It ——输出浓度。
1.2 红外吸收技术的优点
1.2.1 选择性好
每种气体都有自己的特征吸收频率, 在对混合气体进行检测时, 各种气体都有自己对应的特征吸收谱线, 相互独立, 互不干扰。
1.2.2 不易受有害气体浓度的影响
使用以往的检测手段, 当待测气体浓度超过测量范围时, 会造成载体的催化类元件中毒失去活性, 甚至永久中毒, 无法准确测量, 而采用红外吸收原理的检测技术则不存在这个问题。
1.2.3 响应速度快、稳定性好
采用红外吸收原理的气体检测系统, 在开机较短的时间内就能正常工作, 不需要预热, 而且因为采用的是光信号, 自身不会引起检测系统的发热, 测量不受温度的变化影响, 系统稳定性较好。
1.2.4 防爆性能好
采用光信号而不是电信号, 因此需要的电压更低, 在矿井和煤气站等有混合爆炸气体的场合, 不会成为爆炸点火的因素, 具有很好的防爆性。
1.2.5 信噪比高、使用寿命长、测量精度高
采用红外吸收原理, 产生的干扰信号小, 有用信号明显, 系统的信噪比高。同时系统具有零点自动补偿与灵敏度自动补偿功能, 故不需要定时校准, 具有使用寿命长的优点。
1.2.6 应用范围广
除了可应用于气体检测外, 在红外遥测遥感及红外探伤等领域都有很好的应用前景。
1.3 红外吸收技术的缺点
红外吸收技术的缺点是只能测量红外光程内的气体浓度的平均值。
1.4 测量单位
开路式气体探测仪测量单位为LEL·m, 即红外光所经过的气团平均浓度与气团平均长度的乘积。由此可以看出, 对于一个浓度很低的气团与一个浓度很高的气团来说, 经过测量会得到同样的数值。例如:20m长度、5%LEL浓度的气团所测得数值为1LEL·m;而10m长度、10%LEL浓度的气团所测得的数值也为1LEL·m。无论气团大小和浓度高低, 开路式气体探测器都能通过其发射的红外线范围内所吸收的可燃气体分子的数量来达到测量气团浓度的目的, 这种优势避免了气团扩散而引起的不能正常报警测量的情况。
1.5 被测气体状态分析
泄漏到空气中的可燃气体可能形成比较稳定的云状气团进行扩散, 主要取决于泄漏量、风速、风向以及其与空气的相对比重等因素。气团有两个比较显著的特点:浓度以泄漏点处最高并沿其经过路线递减;气团为不规则形状, 受风速影响大[2]。这意味着在气团运行线路中大部分可能存在极低浓度, 这些浓度用常规的固定点式探测器检测时属于不报警值或无法检测到数据, 因此与固定点式探测器相比, 开路式气体探测器测量准确度较高。
2 设计应用
克拉玛依石化公司120万t/a汽柴油加氢改制装置位于已建液化气球罐区南侧, 装置区距离球罐区防火堤垂直距离为55m, 中间间隔一条马路。由于常年风向为西北风, 大多数情况下, 风是从北向南吹, 即球罐区泄漏气体云团会飘散至装置区。为对可能扩散至装置区的可燃气体浓度做实时检测, 故在两者之间增设一套开路式可燃气体探测器, 位于公路南侧, 在飘散过该套检测器位置时的浓度达到一定值时进行报警, 操作人员能根据相应的监控及安全预案做出反应。实际情况如图1所示, 本案中选用了SPECTREX Inc.公司SafEye-200系列中测量距离为0～140m的开路式红外气体探测器作为两者间可燃气的检测工具。
2.1 仪表安装
图1中开路式气体探测器的发射器和接收器分别设置于100m直线范围的东西两侧, 实际安装在南侧管架上, 采用10号槽钢垂直焊接在1.8m高处, 发射器与接收器用螺栓固定在开口钢板上, 钢板焊接与槽盒上。SafEye-200 发射器和接收器采用自带的安装支架及旋转支架, 允许±1°的安装误差, 允许仪器旋转30±3°, 利用自带的对准望远镜能非常容易实现安装, 并能有效防止由于粉尘、偏移、震动、挠曲和倾斜引起的误读和误报警。
2.2 信号处理
SafEye-200 系统所需电源为24V (DC) , 接收器端可输出4～20mA信号, 引至装置区DCS控制系统, 能对从球罐区飘散至装置区的气团可燃气浓度进行实时监测。整个仪表系统从安装到调试都比较简单。
3 结束语
开路式气体探测系统并不能完全代替固定点式可燃气体探测器, 因其只能实现在某一直线范围内的可燃气体平均浓度的测量, 而固定点式可燃气体探测器可以实现一定范围内的可燃气体浓度检测。开路式气体探测技术还能应用于固定点式探测器无法适应的环境, 如有毒气体存在, 水喷淋和极度恶劣的温度调节下, 因此开路式气体探测技术可以作为固定点可燃气体检测技术的一种有效补充, 两者配合可以形成一套更为完善的可燃气体检测系统。
参考文献
[1]刘中奇, 王汝淋.基于红外吸收原理的气体检测[J].煤炭科学技术, 2005, 33 (1) :65～67.
红外气体 篇2
当我们在漫天雾霾里痛苦不堪的苟且愤慨时，这位中科院院士从他的专业视角，一语道破问题的实质所在„（视频）
从丁院士身上我看到了支撑中国发展的脊梁，正是有无数默默无闻的奉献的学者才让我们看到了中国的未来。向他们致敬！其实看完了这个视频之后最大的感触不是关于环境问题，而是丁对于地球环境发展的理解已经到了一个普通人甚至难以理解的高度。关于文明的意义的又一番振聋发聩的思辨。但今天我们的主题还是要讲环境，只说我们普通人能理解的环境污染问题中的一个分支，气体泄露问题。
先说说OGI是什么，OGI检测利用红外热成像原理，能在企业不停止作业的情况下准确找到挥发性有机物泄漏点，具有检测距离远、安全性高的特点。
那么，气体泄漏检测用红外热像仪适合那些行业呢？小编整理了以下七种行业：
一、炼油
典型的炼油厂包括两种类型的工艺流程：分离和转化。分离工艺流程将原油裂解为有用的组分，或是作为燃料直接销售或是用作下个工艺的原料。转化工艺流程修改分子结构，提供具有合适特性的产品，适合于与成品燃料混合。
红外热像仪可以对燃料加工厂生产的“轻组分”和中间体做出出众的响应。一般的经验法则是，红外热像仪可以检测原油分馏组分，从汽油到煤油均可。
二、石化
生产烃类物质的行业，其原料来自石油炼制的分离工艺或转化工艺，一般不再在炼油厂加工。使用气体泄漏检测用红外热像仪，可以观测到石化行业中使用的或生产的化学品。
三、化工
从基本原料生产非烃类或无机化学品。化工行业通常是批量生产和连续工艺生产，产品纯度很高。气体泄漏检测用中波红外热像仪对该行业的一些化学物质具有良好的响应能力。
四、发电和配电
气电站通常使用天然气作为燃料。气体泄漏检测用中波红外热像仪非常适用于这个行业的检漏。
五、天然气
天然气的生产、储存、运输和配送。天然气主要由甲烷和乙烷组成，中波红外热像仪可以清楚地检测到这两种气体。它适用于从天然气生产到配送网络再到终端消费者的所有环节的检漏。
六、服务提供商
越来越多的公司将泄漏检测和维修(LDAR)的业务外包给服务提供商。目前使用非成像气体检测方法的LDAR服务提供商，如果转为使用气体泄漏检测用红外热像仪，生产效率和气体检测能力一定突飞猛进。
七、环保执法
许多国家普遍是由政府机构而不是由行业监管执法。这些机构应用气体泄漏检测用红外热像仪监控各行业，确保其遵守法规，并负责审计其减排绩效。
气体泄漏检测用红外热像仪技术有着广泛的潜在用途，能令工厂业主显著受益。它比传统的VOC检测仪或嗅探器方法更具时间和成本上的优势。它可以在一定距离内识别泄漏，不必对所有可疑的泄漏到场逐一确认，降低了泄漏检测的成本。
红外气体 篇3
关键词：红外线；NDIR；烟气；监测
0 引言
工业发展带来经济腾飞的同时，也给环境带来极大的负担。环境污染，尤其是大气污染程度不断加深，严重影响了人们的正常生活和身体健康。固定污染源烟气的排放是大气污染气体的主要来源之一，研发具有实时性、智能化、稳定性好、可靠性高且操作简单的烟气监测系统，对于我国烟气自动监测系统的发展，控制烟气中污染物质的排放具有实际意义。
1 红外线气体分析仪在烟气自动检测系统中的应用
1.1 测量原理 我国当前使用的气体分析仪器在监测范围、测量精度、组分分析方面，存在较大的局限性，而新型的非分散红外线（NDIR）技术，则能实现对多组分烟气浓度的检测，该技术检测原理为气体红外吸收，在测量过程中无需消耗物质，因此具有使用寿命长、稳定性好、选择性强、测量范围广、高精准度，具有广泛的推广意义。
烟气中的主要成分为硫、氮、碳的氧化物，主要以二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）为主，这类气体在红外波段有独特的吸收波，被称为特征吸收波（表1）。特征吸收波根据物质不同，波形各异，因此可用作鉴别各类物质的依据。而气体浓度的确定，则是根据特征吸收光谱对红外能量的吸收能力进行检测的。根据朗伯-比尔吸收定律可知，当待测气体组分有红外光通过时，气体分子吸收特定波长的红外线。
表1 烟气中各组分特征吸收波
[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][气体
特征吸收波/μm][CO2
4.3][CO
4.65][NO
5.3][H20
3-6][SO2
7.3]
1.2 测量方式 单光束双波长法中有测量滤光片和参比滤光片，其中测量滤光片是对有特征吸收红外光谱通过的待测组分进行測量，透过测量气室的光线强度受烟气浓度的影响，测量值记为I；而参比滤光片测量组分不吸收通过的红外光，因此透过测量气室的光线强度几乎不受被测组分浓度变化的影响，测量结果作为参照，记为I0。根据朗伯-比尔定律，待测气体吸收光度与其浓度关系满足关系式：-In（I/I0）=LkC，I为测量光强度，I0为参照光强度，L是红外线经过吸收气体的路径，k待测气体的吸收系数，C为气体的浓度，单位为mg/m3。
气体滤波相关法是将被测气体填充在气体滤光池中，代替上述方法中的参比滤光片，利用此法可提高被测气体组分对特征波的吸收效果。这一测量系统由五部分组成：光源由能斯特灯发射红外光；测量气室有抽气孔和充气孔，为待测气体组分浓度的稳定提供了保障，而高温伴热功能，可有效防止水蒸气和污染物冷凝，造成对测量结果的干扰；切光轮主要负责将光束信号射频模式化；滤波轮上安装不同被测气体的气体滤光池和测量滤光片，滤波轮和切光轮的旋转动作由无刷直流电动机提供动力，对各组分的测定则由自动化控制系统发送控制指令完成测量；光电管前安装放大器，以提高弱信号接收的可靠性。
被测气体滤光池和测量滤光片的位置由设备内部处理器控制，一次测量过程可对待测气体进行多次扫描，以提高信号的信噪比，减少测量误差。利用微处理器可对各式干扰进行有效处理；使用靠减去干扰组分浓度的方法可对不同待测组分光谱重叠进行有效处理；而校正因子则是用来处理干扰组分对测量组分吸收系数的影响。
1.3 技术分析 ①烟气分析。烟气分析仪采用的分析技术为单光束双波长与气体滤波相关技术的结合，滤波轮上的气体滤波池能实现对不同气体的同时测量，并利用干扰参数扣除技术，大大提高了测量结果的准确度，并能实现对一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、甲烷、氨气以及氯化氢八种气体的高精度持续性检测。如对一氧化碳的测量范围可达4000mg/m3，精度可达到0.1%。②信号放大电路。信号放大电路利用CMOS工艺制成的斩波稳零结合多级放大模式，主要组成部件有多路开关和仪表放大器。信号放大电路增益高、响应快，输入偏置电流小等优点，能有效减少误差，还具有自动调零的功能，增加了测量的精准度和稳定性。③烟气连续排放监测系统。烟气连续排放监测系统的构成包括了多种学科，如智能采样技术、数字滤波算法技术、软件自动识别补偿轻微污染技术、网络技术、分布技术、光功率软件修正技术以及多线程布控技术等。该系统具有的功能也较为完善，目前已经实现的功能主要有定量测量功能、自动校零、异常报警、远程传输、报表生成等各项功能。
1.4 应用 ①对烟气监测及管理。红外线气体分析仪主要利用嵌入式软件，完成对污染源气态污染物的监控职能，并为相关部门提供检查对象的瞬时值和历史记录，当污染源超标时，还可利用自动报警功能对相关部门发出警示。该系统对污染源进行的连续性测量，可为环保部门提供电子政务和办公自动化所需的基本材料，为部门制定环保政策提供可靠的数据支持。嵌入式软件在信号处理方面具有较强的灵活性，可对不同变量和浓度范围的气体进行测量；取样方面更加智能化，与算法相结合，可剔除异常测量值，提高测量结果的准确率。②技术指标。该套设备所能达到的技术指标如下：零点漂移可控制在±2.5%范围内（F.S/3d或7d），量程漂移不超过±2.5%，线性误差在±5.0%以内，响应时间不超过200s，重复性低于0.5%，输出波动低于0.4%，可对电源、标定、分析仪故障发出警报输出。对各气体的测量量程分别可达到SO2为4000、NO2为1000、NO为2500、CO为2500，检测下线为10（单位：mg/m3）。
2 结束语
随着社会的不断进步，人们对环境问题越来越重视，传统的经济发展模式对环境的损害较大，已经不适应现代生产发展的需要，加大节能减排力度，减少环境污染是当前企业面临的重要任务。就目前技术发展水平而言，我国还无法完全消除烟气等污染物的来源，但可通过先进的检测技术，对烟气排放中污染组分进行实时检测，为企业和环保部门制定有效的环保措施提供依据。红外气体分析仪相对于传统的分析仪器，具有检测范围大、精准度高、能对多组分进行同时检测的优点，因此可广泛应用于烟气在线监测领域。
参考文献：
[1]于晓曼，刘文清，黄书华，等.基于非分散红外原理的烟气检测系统[J].计算机测量与控制，2011，19（12）：2905-2907，2938.
[2]贺鹏飞，农永光，郭炜，等.烟气分析仪技术研究[J].价值工程，2014（29）：224，225.
红外气体 篇4
(1) 小车操纵性能好, 可根据需要到达目标环境探测甲烷浓度。
(2) 测量精确和灵活, MQ-2气敏元件灵敏度可调, 反应速度快, 易于在不同环境下的测量。
(3) 不必接触被测环境, 可通过手持式终端直接观测被测环境的甲烷浓度值。
1 总体设计方案
本设计包含两个子系统:基于单片机的甲烷浓度检测和无线传输系统。系统结构如图1所示, 由两部分组成, 发送部分安装在红外遥控小车上, 接收部分制成手持式终端。发送部分由气体浓度传感器MQ-2、A/D转换芯片AD0804、单片机STC89C52和无线模块nRF24L01+组成, 接受部分由无线模块nRF24L01、按键、单片机STC89C52和液晶显示屏LCD1602组成。在发送部分, 气体浓度传感器检测甲烷浓度输出模拟信号, A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号输出给单片机, 单片机将信号传输给无线发送模块。在接收部分, 通过无线模块接收到现场送到的信号, 单片机处理信号并将信号显示在显示屏上。
基于单片机的红外遥控小车系统结构如图2所示, 由两部分组成, 红外遥控器部分和小车部分。红外遥控器部分由一些电路组成。小车部分包含除前文系统中提到的发送部分以外的全部小车组件:小车组件 (底盘、车轮、电机) 、电机驱动模块L298N、单片机STC89C52和一体化红外接收头HS0038。在红外遥控器部分, 按下遥控器按键, 遥控器发出一串二进制代码。在小车部分, 给小车上电, 一体化红外接收头接收到红外信号, 送到单片机进行解码, 单片机控制驱动模块, 驱动小车电机, 小车行走。
2 硬件设计
2.1 甲烷浓度检测模块
甲烷浓度检测头MQ-2是一种气敏元件, 上电时, 气敏元件内的电阻丝加热, 加热到一定温度, 甲烷浓度检测头开始正常工作。RL是用来调节元件灵敏度的, 当调到一个合适的电阻值, 检测头检测到的甲烷浓度会更加精确。RL端输出模拟量, 送给A/D转换芯片进行模/数转换[1]。电路连接图如图3所示。
2.2 无线传输模块
无线模块nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。输出功率频道的选择和协议的设置可以通过SPI接口进行。几乎可以连接到各种单片机芯片, 并完成无线数据传送工作。特点是极低的电流消耗:当工作在发射模式下发射功率为0d Bm时电流消耗为11.3m A, 接收模式时为12.3m A, 掉电模式和待机模式下电流消耗更低。发送端单片机控制无线模块将数据传送, 接收端单片机控制无线模块将数据接收并根据按键是否被按下判断是否处理接收的数据。电路连接如图3-4所示。
2.3 红外遥控模块
当按下遥控器的按键时, 遥控器将发出一串二进制代码, 为一帧数据。根据各部分的功能。可将它们分为5部分, 分别为引导码、地址码、地址码、数据码、数据反码。遥控器发射代码时, 均是低位在前, 高位在后。引导码高电平为4.5ms, 低电平为4.5ms。当接收到此码时, 表示一帧数据的开始, 单片机可以准备接收下面的数据。地址码由8位二进制组成, 共256种。在同一个遥控器中, 所有按键发出的地址码都是相同的。数据反码是数据码的各位求反, 通过比较数据码与数据反码, 可判断接收到的数据是否正确。在同一个遥控器上, 所有按键的数据码均不相同。接收方法是用一体化红外接收头, 它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路做在一起, 只有三个引脚, 分别是5V电源、地、信号输出。信号输出接单片机的INTO或INTl脚, 此设计中接的是单片机的P3^2。红外遥控器发射出红外信号, 红外一体化接收头接收到红外信号, 将其转换为电平信号, 传送给单片机进行解码, 从而识别发送信号, 操纵小车[2,3]。电路连接如图5所示。
2.4 单片机处理模块
STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器[4], 具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核, 但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash, 使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。本设计的主体控制程序均使用STC89C52为载体, 共使用3块STC89C52芯片, 其用法分别如下:
(1) 甲烷浓度数据处理与发送模块:根据气体浓度传感器和无线模块 (发送模式) 的工作要求和时序编写程序, 实现模块检测甲烷浓度的功能。
(2) 甲烷浓度数据接收与显示模块:根据无线模块 (接收模式) 和液晶显示屏的工作要求和时序编写程序, 实现模块显示甲烷浓度的功能。
(3) 红外数据接收与驱动控制模块:根据红外一体化接收头的工作要求和时序, 以及L298N的工作要求编写程序, 实现对小车的控制和驱动。
3 系统软件设计
根据结构化程序设计的要求, 采用模块化和结构化编程[5]。根据这一要求以及系统的功能要求, 程序流程图主要为红外遥控小车操纵流程图和甲烷浓度探测流程图。
3.1 红外遥控小车操纵程序
如图6所示, 红外遥控发射器发出红外信号, 接收端接收红外信号并转化为电信号送至单片机处理, 单片机响应中断, 解码识别信号, 操纵小车, 如果没有接收到红外信号, 单片机将继续等待中断。
3.2 甲烷浓度探测程序
如图7所示, 气敏元件探测目标地点的甲烷浓度后通过无线模块将数据传送给手持式终端的无线模块, 只有当单片机检测到按键被按下时, 终端才会处理数据并显示甲烷浓度值。
4 结束语
研究设计了一种用于近程甲烷浓度探测的红外遥控小车, 实现了非接触式的近程甲烷浓度的精确测量。本系统通过遥控器操纵小车, 通过手持式终端观测目标危险区域的甲烷浓度值, 操作非常简单, 这些特点克服了传统手持式甲烷浓度测试仪的诸多不便。具有甲烷浓度探测功能的红外遥控小车, 以其优越性, 解决了日常生活和工业检测等领域的问题。
摘要：为了解决煤矿坑道口和沼气池等近程的甲烷浓度探测不安全的问题, 设计一种用于甲烷浓度探测的红外遥控小车, 操纵小车, 采用灵敏度可调的气敏元件MQ-2探测目标甲烷浓度, 通过单片机和无线收发模块, 在手持式终端上显示甲烷浓度。该探测小车具有非接触、响应快、测量精确等优点, 方便用于日常生活、工业检测等。
关键词：甲烷浓度探测,红外遥控,手持式终端
参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社, 2009:95-104.
[2]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础第四版[M].北京:高等教育出版社, 2006:362-379.
[3]陈蓓玉, 胡凯, 杨乐.低载荷工业机器人运动学分析与仿真[J].信息技术, 2012 (10) :15-18.
[4]丁元杰.单片机微机原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 2010.
红外气体 篇5
近年来, 随着我国经济的不断发展, 各种安全事故发生的频率也不断升高。煤矿企业生产中出现的瓦斯爆炸最常见也是造成危害最大的安全事故, 因此煤矿企业需要一套完善的气体检测设备来避免重大事故的发生。在石油化工和防止瘟疫蔓延时也需要用到气体检测设备, 比如检测一氧化碳等。因此, 气体检测分析技术在许多行业中应用广泛, 对于保障人们的生产生活具有十分重要的意义。目前, 气体检测的方法有很多种, 其中较为普遍的是采用红外光谱技术进行气体检测分析。它克服了传统气体检测分析方法设备易老化, 抗干扰能力弱的弊端, 优点是反应速度快, 测量结果真实可靠, 因此具有良好的发展前景。
一、红外光谱吸收原理
众所周知, 光是由许多单一颜色的光组成的, 由此可知, 红外光是由许多处于红外频率以外的光组成的。每种气体都具有一种性质:可以吸收对应频率的红外光能量, 气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。当光线穿透气体时, 气体吸收特征频率谱线光, 导致光的能量下降。研究表明, 每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。
由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的, 因此特征吸收频率具有一定的带宽, 并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。通过相应的吸收模型和计算公式可以计算出红外光线穿过气体时被吸收能量的多少。气体的浓度变化、光线穿过气体时所走的路程、光线能量衰减的程度, 三者的关系符合光吸收基本定律。
二、红外光谱技术的优点
1、选择性好
由于每种气体都具有特定的红外吸收频率, 因此在检测混合气体时, 由于各种气体都具有各自的特征频率光谱, 彼此之间互相隔离, 互不干扰, 使检测混合气体中的某种特定的气体成为可能。
2、反应灵敏, 可靠性高
采用传统的检测方法做气体检测时, 开启检测系统后往往无法直接工作, 而是需要经过一段比较长的预热时间。而采用红外光谱技术的气体检测设备, 在开机后短时间内就可以进行工作。即使气体浓度仅仅发生微小变化, 它也可以及时检测到, 反应十分灵敏。在实际检测过程中, 基于某些检测方法设计的检测系统很容易因为设备发热等因素, 导致测量的准确性和检测出的数据不可靠。而采用红外光谱吸收技术设计的气体检测设备, 由于它是通过光信号来工作的, 所以不会引起系统温度升高等情况的出现, 测量的数据不受干扰因素的影响, 测量的稳定性和可靠性较高。
3、安全性高, 可操作性强
红外光谱技术设计的检测设备采用的是光信号, 与传统设备采用电信号相比, 在煤矿等易燃易爆气体集聚的场合, 不会引起气体燃烧和爆炸等情况的发生, 具有较高的防爆性和安全性。由于每种仪器都具有各自的适用范围, 当气体浓度超过一定数值时容易引起元件的老化和中毒等情况, 使测量结果出现偏差。采用红外光谱技术来检测气体, 可以避免这些情况的出现。而且采用红外光谱技术产生的干扰信号弱, 系统的信噪比较高。除此之外, 系统具有灵敏度自动补偿功能和零点自动补偿功能, 因此不需要定时校准, 可操作性较强。
三、红外光谱检测技术的应用
红外光谱技术在气体检测分析中的应用已经有很长的历史了, 应用的效果也非常好, 目前采用的比较多的气体检测方式有以下几种。
1、直接吸收光谱技术
直接吸收光谱技术应用时间比较早, 应用范围比较广。它是以朗伯比尔定律为原理研制出的检测方法。由于气体与光发生作用的路径长度与气体对光的吸收成正比关系。因此, 光和气体作用的路径越长, 被气体吸收的光就会越多, 探测的反应就会越快, 测量的结果也更加可靠。随着研究的进一步深入, 直接吸收光谱技术从刚开始使用的单程光, 逐渐发展到后来使用双光程, 到现在使用具有多次反射能力的长光程。多光程气室分为怀特气室、赫里欧气室和散射反射镜多光程气室三种。多反射长光程气室可以产生几百次反射, 得到的光程长度从几十米到几公里不等。在这样的光程下, 探测灵敏度得到进一步提升。
2、光声光谱技术
光声光谱技术的原理是气体在吸收光辐射的过程中会产生声学波, 它是根据光声效应开发出来的检测技术, 所以可以利用它来检测气体。与其它的红外光谱技术不同的是, 光声光谱技术是一个间接的检测技术, 它不直对整个过程进行检测, 而是探测气体在吸收光的过程中引起的温度和压力的变化。由于气体在吸收光的过程中, 气体的温度会发生变化, 从而导致压力的变化或产生声学波, 光声光谱技术可以利用这些因素的变化达到检测气体的目的。
结语
采用红外光谱技术检测分析气体, 克服了常规仪器容易受外界环境干扰, 仪器元件容易老化等不足之处, 具有选择性好、反应灵敏、可靠性强、安全性高、可操作性强等优点。相信随着研究的不断深入, 红外光谱技术具有的这些优点, 会使它在气体检测分析中的应用前景更加广阔。
参考文献
[1]施德恒, 刘新建, 许启富.利用红外光谱吸收原理CO浓度测量装置研究[J].光学技术, 2001 (1) .
[2]邓勃.原子吸收光谱分析的原理、技术和应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.
红外气体 篇6
关键词：温室效应,能源开发与利用,燃烧过程,红外吸收特性
0 前言
温室效应已经越来越引起人们的关注,成为全世界面临的重大环境问题之一。温室气体的来源是非常广泛的,其中最主要的来源是能源活动(如煤、石油、天然气、可燃冰、生物质等的开发及利用过程),约占58.2%。其它:农业占21.2%,冷冻与空调设备占15%,天然生产占6.5%,其它来源占1%。而对于温室气体,含量最大的是二氧化碳,占49%,其次是甲烷占18%,CFCS占6%,其它气体占13%[1]。各种不同的温室气体对地球的致暖能力是不同的,这种作用一般用致暖指数GWP[2]来表示。所谓致暖指数是将1 kg温室气体置于大气中,与相同条件下的CO2的致暖效果相比得到的比值,该值大小与气体对红外线的吸收能力、寿命时间等有关。表1给出了部分温室气体的致暖指数。从表中可以看出,CO2的致暖能力要远低于其它许多气体,但是,由于CO2的寿命年限比其它气体长得多,况且其排放量也较其它气体大得多,因此,CO2对地球温升的总体作用在所有温室气体中最大。甲烷和一氧化二氮的GWP分别为24.5和290[3]。
人口的增长、国民经济的发展需要更多的能源,如何协调能源发展和环境保护的关系是国民经济可持续发展的一个重要课题。但是,不同能源开发与利用过程排放的温室气体组分不同,因此有必要了解不同的能源开发与利用活动中排放温室气体产生的温室效应的大小,从而合理的规划设计能源的开发与利用活动,降低温室效应。
本文工作主要基于以下思路:以产生一定热量(106J)为基准,通过收集整理不同的能源开发与利用过程(煤、石油、天然气、可燃冰、生物质等)中不同组分温室气体的排放量,以HITRAN(高分辨率大气分子光谱数据库)计算每一种能源活动中温室气体组分的红外吸收能力,主要从红外吸收特性这一方面来比较不同的能源活动产生温室气体效应大小,从而为合理设计和配置能源开发与利用活动,降低温室效应提供依据。
1 不同能源活动的温室气体源
1.1 煤燃烧
燃煤已经成为我国大气的主要污染源。煤的利用过程很复杂,要考虑开采、洗选、运输以及发电等环节。估算表明:标准煤开采环节的温室气体排放系数为207.9 g-CO2当量/kWh;洗选煤环节的温室气体排放系数为0.54 g-CO2当量/kWh;煤运输环节的温室气体排放系数为6.24 g-CO2当量/kWh;电厂运行环节的温室气体排放系数为1 019.1 g-CO2当量/kWh[3];详细数据见表2。SO2也是重要的温室气体[4],不但产生温室效应,还会产生酸雨,各种煤中硫分的平均含量见表3。不同煤种的热值见表4,按照其它煤种与标准煤的热值和燃烧产物组分折合计算的结果见表5。
1.2 石油产品和天然气燃烧
随着汽车消费的迅猛发展和发电供热装置的燃油化进程,中国石油消耗与日俱增,国产石油产品已供不应求,石油进口量不断增大。石油的直接燃烧并不常用,大多数是石油产品的燃烧提供能源,如重油、柴油等。以下主要计算重油和柴油的燃烧产物[7]。重油和柴油的化学元素组成见表6重油、柴油和天然气的热值见表7,折算的燃烧产物见表8。
1.3 天然气水合物(可燃冰)燃烧
在过去的几十年,全球永冻地区和深水大陆斜坡勘探表明存在广泛的天燃气水合物沉积。美国地质调查局估计这些水合物沉积中的天然气储量比世界上所有煤、石油和非烃类资源所含的还要多。天热气水合物中甲烷巨大储量的发现可能会使水合物成为一种未来能源供应的来源,很多国家都相继开展了甲烷水合物研究和发展计划。由天然气水合物的形成机理和其物理化学性质可知,其燃烧可以分为两个部分,一是CH4与H2O的分解,需要吸收一部分能量;二是分解后的CH4的燃烧,放出的热量将继续分解天然气水合物,如此循环下去。天然气水合物的分解过程可按下式确定[6]:
CH4·MH2O→CH4(g)+MH2O(g) (1)
天然气水合物中CH4的分解热为62.83 kJ/mol,而CH4的热值为890.31 kJ/mol,同时考虑开采、运输以及不完全燃烧等因素的损失为2%[7]。折算得到天燃气水合物燃烧产生106 J热量时生成1.210 4 mol CO2和0.024 7 mol的CH4。
1.4 生物质的燃烧
生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,世界上约1/2的人口使用生物燃料作为生活用能源。长期以来,生物质能源一直是我国的主要能源之一,特别是在农村地区。由于生物质燃料的大量使用,特别是薪柴和林业废弃物的过度采伐利用,不仅破坏了地表植被,造成水土流失,而且燃烧产生的SO2、NOx、CH4、CO2等也在局部造成了空气污染。为了解我国大陆生物质燃烧过程中污染物的排放状况,文献[8] 根据生物质燃料的消耗统计资料,估算了生物质燃烧的排放。单位质量的生物质燃烧生成的污染物质量称为排放因子,见表9;所采用的排放因子的值为相应的平均值。有关生物质燃烧的排放因子主要由发达国家试验后获得,发展中国家仅印度和非洲有少量资料,中国则很少;考虑到印度和中国的国情较为相似,都是发展中国家,发展水平相差不大,因而将印度的排放因子予以重点考虑。
生物质燃烧排放的污染物在地区间的分布极不均衡,排放量较大的包括华东、中南地区的各省市;各种生物质燃烧对各污染物的排放量的贡献差异很大,其中秸秆和薪柴是最主要来源;单位面积生物质燃烧排放污染物的量较高的地区由东北至中南围绕中国的主要农业产地呈带状分布。秸秆的热值为19 065 kJ/kg,薪柴的热值为19 239 kJ/kg[9]。
对表9中相关数据取平均值后折算到106 J热量的燃烧产物成分见表10。每种燃料产生106 J热量所生成的温室气体组分汇于表11。
2 主要温室气体的红外吸收特性计算
由HITRAN软件[10]计算CO2、CH4、N2O和SO2四种主要温室气体的光学厚度ODλ,然后进一步计算红外吸收的其它参数。
a.吸收系数
光谱光学厚度为ODλ,光谱吸收系数为κλ,行程长度为L,则有
ODλ=κλL (2)
若设行程长度固定为L=1 m,故在数值上光谱光学厚度ODλ与光谱吸收系数κλ相等。
b.穿透率
光谱穿透率τλ可有下式求出:
τλ=e-κλL (3)
c.光谱吸收能流和总吸收能流
Φλ=(1-τλ)Ebλ (4)
式中 Φλ——光谱吸收能流,W·m-2·μm;
Ebλ——黑体光谱辐射力,W·m-2·μm。
由普朗克定律,总吸收能流Φ可由下式计算:
式中 Φ——总吸收能流,W·m-2。
CO2、CH4、N2O和SO2是四种主要温室气体,在一个标准大气压,行程长度为1 m的情况下,不同温度下四种主要温室气体的总吸收能流Φ见表12。
由于总吸收能量一定程度上反应了温室效应的大小,因此由表12可见,若仅从吸收能流的角度看,相同温度下单一气体温室效应大小依次为:SO2、N2O、CO2、和CH4。
3 不同燃烧过程温室气体红外吸收特性分析
假设不同燃烧过程产生的温室气体为理想气体,且都放入一个底面积为1 m2、高度为1 m的圆柱体内,设圆柱体内总压p0=1.013 25×105 Pa(若燃烧生成的温室气体不足,则假设冲以氮气或氧气,以维持1标准大气压)。则圆柱体内温室气体总的吸收系数:
式中 κλ——混合物光谱吸收系数;
κλ,CO2,κλ,CH4,κλ,N2O,κλ,SO2——CO2、CH4、N2O、SO2的光谱吸收系数,可基于公式(2)利用HITRAN软件计算得到;
nCO2,nCH4nN2OnSO2——CO2、CH4、N2O、SO2物质的量,单位mol;
R——气体常数,8.314 510 J/(mol·K);
T——温度,K。
由公式(5)可计算得到不同温度下、不同的燃烧过程燃烧产物的总吸收能流Φ,见表13。
由表13可见,若仅从吸收能流的角度看,当发热量为106 J时,不同的燃烧过程产生温室效应的大小依次为:褐煤、无烟煤、贫煤、焦煤、重油、柴油、秸秆、薪柴、天然气、可燃冰。
4 结论
本文收集整理了能源领域不同燃烧过程(煤、石油、天然气、可燃冰、生物质等)中不同组分温室气体的排放量,以产生一定热量(106 J)为基准,以HITRAN计算每一种燃烧过程中温室气体组分的红外吸收能力,主要从红外吸收特性这一方面来比较不同燃烧过程产生温室气体效应大小。结果表明,若仅从气体红外吸收能流的角度看:(1)温度相同时,单独气体温室效应大小从大到小依次为:SO2、N2O、CO2、CH4;(2)不同燃料燃烧后的混合物的温室效应大小从大到小依次为:褐煤、无烟煤、贫煤、焦煤、重油、柴油、秸秆、薪柴、天然气、可燃冰;(3) 环境温度升高,不同燃烧过程的温室效应随之升高,因此形成温室气体使得环境温度升高,而环境温度升高又使得温室效应升高的不良后果。
参考文献
(1)黄素逸,高伟.能源概论(M).北京:高等教育出版社,2004,35-41,300-303.
(2)闫志永,张虹.CO2排放导致的地球温升问题及基本技术对策(J).环境科学进展,1999,(7):176-177.
(3)马中海.中国几种主要能源温室气体排放系数的比较评价研究(D).北京:中国原子能科学研究院,2002.
(4)冯俊凯,沈幼庭,杨瑞昌主编.锅炉原理及计算(M).北京:科学出版社,2003.
(5)李迎建,李群.燃气燃油锅炉热效率及供热成本分析(M).深圳:深圳大学出版社,2000:56-60.
(6)樊栓狮.天然气水合物储存与运输技术(M).北京:化学工业出版社,2002:20-25.
(7)Houghton J T,Meira Filho L G,Callander B A.The Scienceof Climate Change.IPCC,Cambridge:Cambridge University Press,1996.
(8)曹国良,王丹.中国大陆生物质燃烧排放的污染物清单(J).中国环境科学,2005,25(4):389-393.
(9)刘荣厚.生物质热化学转化技术(M).北京:化学工业出版社,2002:60-61.
红外气体 篇7
1 气体分析系统的总体设计
本文设计的气体分析系统分为5个部分,分为:数据导出模块、数据采集模块、A/D转换模块、上位机模块(包括显示模块、按键模块)以及STM32微处理器。其系统结构框图,如图1所示。
数据采集模块采集气体数据,通过相应传感器采集待测量的气体浓度、流量、流速等信号得到相应的模拟信号,经过信号调制电路,将模拟信号传递给STM32微处理器,经过A/D转换将模拟信号转换为数字信号。微处理器对数字信号进行处理、计算,得到相应的气体的浓度、流量、流速、温度,静压等数据。将计算得出的气体参数数值传给上位机,显示到显示屏上。同时数据导出模块,既可以将数据存储到U盘中,也可通过USB接口将数据导出到PC机上,以便分析历史数据。
2 硬件设计
2.1 微处理器的选择
本系统中采用32位的中容量STM32F103VET6作为处理器。STM32F103VET6基于高性能32位RISC的ARM Cortex—M3内核。工作主频达到72MHz[1]。片上集成了高速存储器(Flash最多可达512K,SRAM最多可达64K)和通过APB总线连接的丰富和增强的外设和I/0。
其片内资源丰富,I/O接口丰富。片上带有两个12位的ADC、一个12位的双通道DAC、11个16位计时器。同时还包括两个I2C接口,三个SPI接口和五个USART接口。
系统集成度高,便于开发。可减少产品的开发周期。同时STM32还具有功耗低、体积小、性价比高,配置丰富灵活、可靠性高等优点。利于工业级产品的生产、使用。
2.2 硬件电路设计
2.2.1数据采集模块
数据采集模块由传感器、气室、红外光源组成。主要采用非分散红外法进行采集气体数据。这种原理基于不分光红外线吸收原理。利用一定的波长的红外线的吸收衰减来测量气体的浓度值等参数值。由于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异[2,4]。同一物质不同浓度,在同一吸收峰位置有不同的吸收强度,吸收强度与浓度呈指数函数关系。通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确定待测气体的浓度[3]。
红外线测量原理:CO,SO2等极性分子具有永久电偶极矩,因而具有振动、转动等结构。按量子力学分成分裂的能级,可与入射的特征波长红外辐射耦合产生吸收,不同的极性分子由不同的光谱吸收带,例如,CO的吸收峰在4.65μm处,SO2的吸收峰在7.35μm。
朗伯—比尔定律(Lambert-Beerlaw)反应了此吸收规律。
式中:I 0——红外辐射的初始能量;
I——红外辐射被气体吸收后的能量;
k——与气体及辐射波长有关的常数;
c——被测气体浓度;
d——辐射通过气体层的厚度。
测量经吸收后红外光的强度便能计算出相应气体的浓度,这便是红外气体分析的理论根据。此红外气体检测技术,具有世界先进水平,具有优良的稳定性、选择性和高灵敏度,可以广泛用于锅炉、电厂烟道气、化工流程、石化工业、冶金工业等领域,也可以用于实验室分析。原理图如图2所示。
1红外光源 2 反射体 3同步马达 4切光器 5样气室6前吸收室 7后吸收室 8毛细管 9微流量传感器
红外光束通过滤光片、样气池到达检测器,在样气池与红外光源之间有一个由同步马达带动的切光器,将红外光束变成交替的脉冲光源,如果样气池中有吸收,由微流量传感器产生脉冲电信号。检测部分是由前后两个吸收室组成。吸收带中心部分在检测器前吸收室首先被吸收,而边缘部分则被后吸收室吸收。前后吸收室的吸收大致相同。前吸收室和后吸收室之间通过一个微流量传感器相连。
数据采集模块的作用是通过传感器将气体的浓度、流量等信号转换为模拟信号,并经过信号调制电路将模拟信号传给STM32微处理器进行处理。
2.2.2 A/D转换模块
STM32F103内部集成了2个独立的12位ADC模块,具有18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。每个通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行[5]。为了提高测量精度与测量通道数量,本系统没有采用STM32自带ADC。采用的模数转换器。
MAX1300是多量程、低功耗、16位、逐次逼近型模数转换器(ADC),采用+5v单电源供电,具有高达115ksps的吞吐量。
MAX1300提供8路(单端)或4路(真差分)模拟输入通道。每一路模拟输入通道都可通过软件独立编程设置为7种单端输入范围和3种差分输入范围。
A/D转换模块部分电路如图3所示。
参考电压VREF为4.096v,MAX1300,将通过数据采集电路采集到的数据进行A/D转换,MAX1300采用芯片内部的SPI总线,进行数据传输。
2.2.3 USB接口电路
本系统中数据导出模块使用USB接口电路将数据导出。USB接口电路,既可以将数据导出存储到U盘中,存储历史数据,也可以通过USB接口直接将数据导出到PC机,以供分析历史数据。选用USB接口是因为U盘具有存储容量大、成本低、读写速度快的优点,支持热插拔,连接方便。USB接口电路如图4所示。
2.3 上位机模块
上位机模块包括两个部分:显示模块和按键模块。
上位机模块通过按键电路接收用户指令,将用户指令传给STM32微处理器,微处理器根据接收的指令进行数据处理,传输等操作。显示模块为显示屏电路,上位机接收微处理器传送的数据,将数据显示到显示屏上。
3 软件设计
主程序流程图如图5所示。上电开始,系统进行预热初始化。STM32进行数据采集,等待上位机发送指令,STM32微处理器根据指令数据操作,处理采样数据,计算采样数据,求出测量气体的浓度值、流量等参数值。然后进行数据存储,将得出的数据传递给上位机,并通过显示屏显示出来。
数据处理阶段的程序流程图如图6所示。在数据处理阶段,A/D转换芯片将采集得到的模拟信号进行A/D转换,得到相应的数字信号电压值,将此电压值进行处理。
在数据处理过程中,为了精确得到测量值,减少噪声干扰,需要对经过AD转换得到的数据需要进行滤波处理,以减少数据的误差。本程序采用的是数值平滑滤波的方式进行数据处理,将经过处理后的数据进行计算,得要计算值之后,根据线性气体标定公式计算出相应气体的浓度、流量等数值。
4 结束语
本文设计的基于STM32的便携式红外线烟气气体分析系统,以STM32微处理器为核心,由上位机、数据采集模块、数据导出模块、A/D转换模块组成,可测多种气体的气体的浓度、流量、温度等值。即可以显示实时数据,同时也可以存储历史数据分析。本系统适合工业环境使用,整个系统设计简洁、测量精度高、可靠性高。可以测量多种气体的浓度,可扩展行高,体积小,性价比高,易于维护,应用广泛。
摘要：设计一种基于STM32的便携式红外气体分析系统,该系统以STM32F103VET6微处理器为核心,通过数据采集电路,进行数据采集;A/D转换模块进行A/D转换,数据处理;数据导出模块进行数据存储和上传;上位机模块接收数据并显示。经过实验验证,该系统实现了对相应气体(NO,SO2,O2等气体)的浓度、流量、流速、温度、静压等参数进行实时监控和测量的功能。
红外气体 篇8
非分光红外 (NDIR) 气体浓度检测技术是利用气体分子对特定波长的红外光具有吸收作用, 而对其它波长红外光没有影响的原理来进行气体浓度检测的, 一般可采用在热电堆传感器前的带通滤光片滤去某一特定波长以外的红外光, 再通过对这一特定波长的红外光强进行检测来得到二氧化碳气体浓度。由于二氧化碳气体对波长为4.26 m的红外光具有较强的吸收作用, 而其它气体对该波长的红外光没有吸收作用, 因此, 可以通过对经过气体层的且波长为4.26 m的红外光强进行测量从而得二氧化碳气体的浓度。
当红外光穿过二氧化碳气体时, 部分光强会被气体层吸收, 入射光强和出射光强符合Lambert-Beer定律:
其中, I为出射光强, I0为入射光强, k为吸收系数, c为气体浓度, l为气体层长度。理论上, 通过对入射光强、出射光强和气体层长度的测量即可得到气体浓度。
当有光线照射在热电堆传感器时, 会使传感器温度发生变化, 因此, 传感器内部热电堆的温度变化可等效为光强变化, 而温度的变化又将会使传感器内部的热电堆输出电压, 且该电压满足下列等式:
其中, 为传感器内部两个热电堆材料的赛贝克系数差, n为热电堆的数量, T光源为光源温度可等效为入射光强, T传感器为热电堆温度, 可等效为出射光强, 因此, 可以通过对热电堆温度的检测得出二氧化碳气体浓度。但由于光源温度不易测量, 所以一般采用加入参考通道的方法消除环境量对测量结果的影响, 即加入一个传感器测量二氧化碳气体吸收波长以外的出射光强度, 并将它的强度等效为光源温度。
2 LMP91051传感器模拟前端
由于热电堆输出的电压信号一般为V级信号, 因此, 需要采用放大电路对该信号进行放大, 传统红外气体浓度传感器放大电路均采用差分和多级放大电路, 此类电路的放大性能较差且电路较为繁琐, 故本系统采用TI公司生产的专门为红外气体浓度传感器所设计的模拟前端 (AFE) LMP91051芯片完成放大功能。LMP91051芯片内部含有双通道可编程增益放大器可分别对应放大NDIR传感器的气体通道输出和参考通道输出, 且该芯片内部的多路转换开关可以在两个通道输出之间进行切换, 这极大地降低了系统的造价和复杂程度, 同时还保证了系统精度, 另外, 该芯片还具有可编程增益和补偿调整功能, 可以通过该功能使传感器输出的V级信号与模数转换器的动态响应范围相匹配, 提高系统的分辨率
3 IRC-A1型红外气体浓度传感器
本系统采用Alphasense公司生产的IRC-A1型红外二氧化碳气体浓度传感器, 该传感器在设计方面采用NDIR (非分光红外) 结构, 能够自动抑制零点漂移, 且具有标定周期长、抗干扰能力强、高精度、高可靠性和使用寿命长等特点。该传感器内部集成了红外光源、两个热电堆传感器和一个可以用于温度补偿的温度传感器, 为了达到低功耗且避免系统过热, 红外光源可采用1-3Hz的占空比为50%的脉冲信号进行驱动, 两个热电堆传感器 (二氧化碳测量通道和参考通道) 的输出的信号可以直接连接至LMP91051的测量引脚。
4 二氧化碳气体浓度信号的采集系统
在系统工作过程中, 经传感器采集的信号首先输入至LMP91051芯片的内部, 进行放大并通过SPI接口使用MSP430单片机完成对信号的采集和处理以及对光源的控制功能。MSP430内部的12位多通道可切换A/D转换器将对测量通道和参考通道的输出信号进行采样和模数转换, 同时在两个参考通道的输出端使用滤波电容连接到LMP91051的CMOUT引脚对信号进行低通滤波, 完成对噪声的抑制和消除。其电路整体设计如图1所示。
当系统工作时, 红外光源在脉冲信号的驱动下, 在测量通道和参考通道将得到信号输出, 为了提高系统测量精度, 系统使用通道切换开关以一定频率轮流对测量通道和参考通道的两个信号进行采样和放大, 并通过后期处理消除噪声对检测结果的影响。
5 结语
相比于传统的二氧化碳气体浓度检测系统, 采用模拟前端 (AFE) 的红外二氧化碳气体浓度检测系统, 在气体传感器信号放大和处理方面极大地提高了系统的测量精度、降低了系统的复杂性, 同时, 加入一体化设计的IRC-A1型红外气体浓度传感器使系统具有高灵敏度、高精度、稳定性好和响应迅速等特点, 为生产和生活中二氧化碳气体浓度监测与定量分析提供了一种比较理想的方法与解决方案。
摘要：在分析非分光红外气体浓度检测方法的基础上, 将传感器模拟前端 (AFE) 和新型NDIR传感器应用于非分光红外二氧化碳气体浓度检测系统中, 相比于传统检测系统, 该系统具有精度高、体积小、功耗低和响应迅速等特点。
关键词：模拟前端,气体浓度检测,NDIR
参考文献
[1]LMP91051 Data Sheet.Texas Instruments Incorporated[J].2013
红外气体 篇9
关键词：有害气体监测,煤矿井下,非分散红外,吸收光谱
0 引言
一氧化碳 ( CO) , 甲烷 ( CH4) , 硫化氢 ( H2S) , 二氧化硫 ( SO2) 等气体都是煤矿井下典型存在的有害气体[1], 尤其是甲烷, 当其浓度在一定值范围内, 极易产生爆炸, 从而危及井下工作人员的生命。因此, 对于井下有害气体的浓度监控尤其是甲烷浓度的监控至关重要, 为此很多学者开展了这方面的研究工作[2 - 4]。要实现井下有害气体可靠预警功能, 前提是必须能够准确地测量出这些气体的真实浓度, 防止误报或漏报而造成煤矿重大损失。
对于CO和CH4等可燃气体的检测, 目前井下所用的传感器主要是基于热催化原理设计的[5], 这种传感器的灵敏度和稳定性受催化元件的影响, 相对来说维护工作量较大。基于吸收光谱的测量方法, 具有无接触、可实现多组分气体同时测量的优点, 如非分散红外光谱技术 ( NDIR) [6], 在红外波段存在强吸收的气体理论上均可采用这种方法来进行监测, 目前NDIR技术已被广泛应用于大气中温室气体的连续在线监测中[7，8]。
本文研究主要针对煤矿井下环境中的CO、CH4和CO2多组分气体同时定量探测的非分散红外光谱技术, 设计了一种基于NDIR原理的煤矿井下多种有害气体测量系统, 详细描述了仪器构成及关键器件的工作参数, 以及被测气体的浓度反演过程, 最后通过实验验证了仪器的高测量精度。
1 测量原理与实验装置
1. 1 NDIR多组分测量原理
NDIR技术定量探测气体浓度是基于Lambert -Beer定律, 即待测气体在特定波段内存在“指纹”吸收, 当入射光经过含有该气体的区域或吸收池时, 就会产生消光, 具体的定量关系可用下式表示:
式中: A称为吸光度; I0为入射光强, 通常是指在无气体吸收即背景气体 ( 如零空气或氮气) 情况下, 探测器所测得的光强; I为经待测气体吸收后的出射光强; K为待测气体的吸收系数; c为待测气体的浓度; L为吸收光程。为了消除系统漂移和硬件参数波动对测量结果的影响, 在获取吸光度A时通常增加一个参考滤波通道, 即式 ( 1) 可表示为[9 - 11]:
式中: Iref和I0ref分别为参考滤波通道有、无待测气体时的出射光强。
对于多组分气体测量来说, 在某一目标滤波通道测量得到的吸光度是所有待测气体吸光度的线性叠加[12], 可用下式来描述:
式中: Ai为目标滤波通道i所获取的吸光度; Ii和I0i分别为目标滤波通道i有、无待测气体时的出射光强; aij为气体j在目标滤波通道i上的响应系数; Aj为气体j的吸光度, Aj= KjcjL ( Kj和cj分别为气体j的吸收系数和浓度) 。
式 ( 3) 给出了实现多组分气体定量探测的方法。通过选择合适的滤波参数, 就可得到各种气体在对应滤波通道下的总吸光度, 然后建立和解析多元线性回归方程组即可获得每种待测气体的吸光度, 并最终反演得到所有待测气体的浓度。
1. 2 实验装置
系统实验装置结构图如图1 所示, 该探测装置主要由红外光源、滤光轮、吸收池、红外探测器、直流电机以及DSP控制系统等构成。红外光源采用德国Micro - hybrid公司的JSIR450, 该光源覆盖光谱波段为0. 8 - 15μm, 通过调节其输入功率可以改变辐射温度, 即改变红外辐射光谱。实际工作时, 该光源由恒流源驱动, 驱动电流为240m A, 相应的输入功率约为0. 7W, 此时辐射光谱的峰值波长约为4. 5μm, 见图2。图2 中同时给出了CH4、CO等气体的吸收线强 ( 来自HITRAN08 数据库) , 其中CO和CO2气体的吸收峰正好位于4. 5μm附近, 而CH4气体的吸收峰所处波段也具有较强的光谱强度。
JSIR450 辐射出的红外光经滤光轮选择性滤波后进入吸收池。滤光轮上等间隔地安装了四块带通滤光片, 其中三块用于目标气体滤波通道 ( CH4、CO2和CO通道所用滤光片的中心波长分别为3. 46μm、4. 26μm和4. 7μm, 半高宽均小于0. 1μm) , 另外一块用于参考滤波通道 ( 中心波长为3. 8μm, 半高宽为96 nm) 。对于目标气体滤波通道, 由于水汽在这些气体测量波段内的吸收相对要弱几个量级, 同时在气体进入吸收池之前也进行了干燥处理, 因此本测量系统没有增加水汽滤波通道。滤光轮由直流电机带动其高速旋转, 转速为1500r/m, 即每个滤波通道对应的输出信号频率均为25Hz。滤光轮上开有一小孔, 在小孔两侧安装了光电开关, 滤光轮每旋转一周, 光电开关就会产生一个同步脉冲信号 ( 见图3) , 该信号用于定位首个滤波通道对应的输出信号。
为了提高系统的探测灵敏度, 吸收池设计采用了怀特池结构[13], 吸收池的基长为50cm, 有效吸收光程为10 m。为了防止怀特池中的主镜和副镜出现水凝现象而影响光信号的传输, 系统对怀特池外围进行了加热处理, 使池内温度维持在50℃ 左右。入射光经滤光轮和怀特吸收池传输后达到探测器, 探测器输出的信号经放大和滤波处理后由DSP系统采集, 并进行相应的数据处理, 最终反演得到各种被测气体的浓度大小。
2 实验结果与讨论
2. 1 探测器信号
通过采集红外探测器信号可以得到相应目标滤波通道的吸光度。如前所述, 在滤光轮高速旋转的情况下, 探测器得到的信号实际上是周期性的调制信号, 这样更加有利于噪声干扰的扣除[14], 从而提高系统的探测灵敏度。图3 给出了当吸收池内充入氮气时, 在单个采样周期内得到的各滤波通道的输出信号波形。图中信号强度的高低不同主要是由于滤光片的透过率、半高宽以及探测器响应不同所造成的。
2. 2 系统定标
原则上, 吸光度与气体浓度之间呈线性关系, 然而由于探测系统的非线性以及各种干扰因素的存在, 通常在获取被测气体浓度时, 将整个测量系统看成一个整体, 通过非线性最小二乘拟合来得到吸光度与被测气体浓度之间的曲线, 即定标曲线, 然后利用定标曲线并根据测量得到的吸光度反演出被测气体浓度。将吸收池内分别充入不同浓度的CO、CO2和CH4样气, 记录各滤波通道的输出信号并计算出相应的吸光度大小, 通过文献[15]普遍采用的三阶多项式来拟合这些数据点, 最终得到被测气体浓度定标曲线如图4 所示。可以看出, 每种气体定标曲线的拟合相关系数均大于0. 999。
2. 3 测量精度分析
确定定标曲线之后, 经跨度校准和零校准处理[16], 再根据实际测量得到的吸光度就可以反演出各种被测气体的浓度值。再次将不同浓度的样气充入吸收池内, 通过比较样气浓度与实际反演出的气体浓度, 就可以分析得到测量系统的精度。图5 给出了CO、CH4和CO2三种样气浓度与实测浓度之间的相关性, 三者的相关性均大于0. 998, 测量误差也均在5% 以内。
3 结论
