CN2243656Y - 新型红外二氧化碳分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种新型红外二氧化碳分析仪，光学探头主要由红外光源、测量气室和红外探测器组成，该红外光源采用镍络丝烧制成螺旋圆柱体，并由两个钢性电极支撑，安装在红外光源座上，红外光源座的内侧加工成一球形反射面，测量气室采用超硬铝抛光制成中空状圆柱体，测量气室的一端设有滤光片，另一端形成青玉窗，在测量气室上设有具有管接嘴的进、出气口，在靠近滤光片的一侧设有红外探测器，该红外探测器的红外光源，测量气室和红外探测器连接好后置入探头底座中组成光学探头。
Description
本实用新型提供一种新型红外二氧化碳分析仪，用于测量气体中二氧化碳的含量，属于气体分析技术。
目前，二氧化碳(CO2)分析仪在工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等领域有广泛的应用。二氧化碳分析仪的种类很多，就其原理来分有热导式、密度计式、辐射吸收式、电导式、化学吸收式、电化学式、色谱式、红外光学式等。其中，红外光学式以其测量范围宽、灵敏度高、精度高、反应快、有良好的选择性及能进行连续分析和自动控制等特点成为二氧化碳气体分析最常用的方法。
按照测量光束的数目分，红外二氧化碳分析仪有时间双光束结构和空间双光束结构两种。时间双光束结构具有单光源、单气室、单探测器件的优点，但其是大弱点是存在活动部件，调整麻烦，耐振性差，可靠性低；空间双光束结构无活动部件，克服了时间双光束结构的缺点，但结构复杂、元器件多、成本高、且对加工、装配工艺要求高。
据了解，目前国内外红外二氧化碳分析仪生产厂家均采用上述时间双光束结构或空间双光束结构。国内的分析仪器厂多采用时间双光束结构。国内外现有红外二氧化碳分析仪存在的主要问题如下：
①采用的时间双光束结构存在活动部件，调整麻烦、耐振性差、可靠性低、连续工作时间短。
②采用的空间双光束结构复杂、元器件多、成本高、且对加工、装配工艺要求高。
③检测过程通常需在恒定的温度下工作，环境温度发生变化将直接影响红外光源的辐射强度和红外探测器件的响应度，同时还将影响测量气室连续流动的气样密度发生变化，因此，分析仪温度性能差，一般工作几小时就需调零一次。
目前，已有带有温度补偿的红外二氧化碳分析仪出现(这时不要求在恒定的温度下工作)，但其补偿过程完全由模拟电路实现，且其补偿模型是温度t的一元函数(Δy＝f(t))。因此补偿效果较差，测量精度低。
④分析仪未加入微机处理系统。
为了克服上述不足，本实用新型的目的是：设计一种体积小、重量轻、结构简单、无活动部件、可靠性高、连续工作时间长，并具有单片机处理功能的新型红外二氧化碳分析仪。
本实用新型是一种新型红外二氧化碳分析仪，该仪器具有一壳体(16)，在壳体(16)表面设有复位键(17)、二氧化碳超标指示灯(18)、传感器工作正常指示灯(19)、电源插座(20)、电源开关(21)、信号输出端(22)、显示板扩展接口(23)及具有管接咀(5)和(15)的进、出气口(29)、(30)伸出的通孔(31)、(32)，该进、出气口(29)、(30)连接仪器的外部设备——采样气泵(24)。在壳体的内部装有光学探头和电路板，在电路板上设有稳流电路(27)、温度传感器(28)、放大电路(25)和单片机系统(26)，其特征在于：
该光学探头主要由红外光源(1)、测量气室(3)和红外探测器(8)组成，该红外光源(1)采用镍络丝绕制成螺旋圆柱体，并由两个钢性电极支撑，安装在红外光源座(13)上，红外光源座(13)的内侧加工成一球形反射面，以增加通过测量气室的光强，在红外光源座(13)的两侧采用红外光源上压套(10)和红外光源下压套(14)及利用螺钉予以连接固定，测量气室(3)采用超硬铝抛光制成中空状圆柱体，测量气室(3)的一端设有高性能窄带滤光片(6)，另一端采用青玉作为窗口材料形成青玉窗(2)，在测量气室(3)上设有具有管接咀(5)、(15)的进、出气口(29)、(30)，在靠近滤光片(6)的一侧设有红外探测器(8)，该红外探测器(8)由红外探测器上压套(7)和红外探测器下压套(9)通过螺钉予以连接固定，连接后的红外光源(1)，测量气室(3)和红外探测器(8)置入探头底座(4)中组成光学探头。
使用时由采样泵将含有二氧化碳的气体送入光学探头的测量气室，二氧化碳气体被红外光源吸收，并被红外探测器探测，探测后的信号与温度传感器信号一起送入放大电路放大后经单片机处理输出。
本实用新型的优点是：
①从光学结构上看，该分析仪采用的不切光单光束结构是单光源、单气室、单探测器件，且无光束调制元件。因此，它的主要特点是无活动部件，力学性能高，且结构简单，体积小，重量轻，功耗低。
②采用了有效的单片机温度补偿方法，分析仪连续工作时间长，零漂小，测量精度高。
本实用新型共有如下附图：
图1本实用新型的系统方框图
图2本实用新型的光学探头图
图3本实用新型的稳流电路方框图
图4本实用新型的外观示意图
图5本实用新型的壳体后面板示意图
图中标号如下：1红外光源 2青玉窗 3测量气室4探头底座 5管接咀 6滤光片7红外探测器上压套 8红外探测器9红外探测器下压套 10红外光源上压套11螺钉 12弹簧垫圈 13红外光源座14红外光源下压套 15管接咀 16壳体17复位键 18指示灯 19指示灯20电源插座 21电源开关 22信号输出端23显示板扩展接口 24采样气泵 25放大电路26单片机系统 27稳流电路 28温度传感器29进气口 30出气口 31通孔 32通孔
兹结合附图说明本实用新型的实施例及工作过程：
该红外二氧化碳分析仪由红外光源(1)、测量气室(3)、红外探测器(8)、温度传感器(28)、稳流电路(27)、放大电路(25)、单片机系统(26)及采样气泵(24)等组成，如图1所示。
在分析仪的结构设计时，将红外光源(1)、测量气室(3)、滤光片(6)、红外探测器(8)设置在同一光轴上，且红外光源由稳流电路(27)供电，供电电流为200mA。工作时，红外光源(1)发出的4.26um波长的红外光通过窗口材料青玉窗(2)入射到测量气室(3)，测量气室(3)由采样气泵(24)连续通以被测CO2气体，CO2气体被4.26um波长红外光吸收，部分透过的红外光由红外探测器(8)探测。另外，由温度传感器(28)探测光学探头的内部环境温度。红外探测器(8)和温度传感器(28)的输出电信号分别经放大电路处理后，输入到单片机系统，并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后，由单片机系统输出CO2气体浓度测量值。
红外光源(1)采用Φ0.1mm的镍络丝绕制成阻值约24Ω、直径Φ1mm、长为1.5mm的螺旋圆柱体，并由两个钢性电极支承，钢性电极与红外光源座(13)采取陶瓷固封。同时，在红外光源座内侧加工一球形反射面，以增加通过测量气室(3)的光强。
测量气室(3)采用超硬铝抛光，气室长度L＝30mm，气室内径D＝8mm。同时选用了高性能的窄带光学滤光片(6)，其峰值波长为4.26um，半宽度为0.10um。另外，为了得到较高的机械性能，选用青玉作为窗口材料形成青玉窗(2)，其厚度选为1mm，太薄了则机械性能差，太厚了则透光性能差。
滤光片(6)和青玉窗(2)与测量气室(3)两端接合时，采用了加垫片用压环固定，用6109胶密封的方式。另外，为了克服单色滤光片热系数的影响，将单色滤光片(6)放置于测量气室(3)的后窗口(靠近红外探测)。分析仪光学探头结构如图2所示。
对于红外二氧化碳分析仪，不论是采用时间双光束结构还是空间双光束结构，其目的都是为了实现测量光束与参考光束的参比处理，以消除红外光源辐射功率及红外探测器响应度温度漂移等因素，提高测量精度。对于不切光单光束结构，它只有测量光束，不能实现参比处理。为此，该二氧化碳分析仪采用了如下技术：
①设计并采用了高性能红外光源反馈稳流电路(27)。该电路提供一恒定的光源电流，稳定红外光源的输出功率。红外光源反馈稳流电路方框图如图3所示，精密基准电压由MC1403输出恒定的2V电压作为比较器的比较基准。
②选用了高性能薄膜温差电堆为红外探测器(8)。其主要性能如下：
响应度 25.5V/W
响应度温度系数 -0.3％(0-70℃线性)
NEP 5.3×10-10
响应时间 100ms
响应波长 0.13～12um
温度范围 -40～+80℃
③采用了有效的单片机温度补偿方法。为克服环境温度对红外二氧化碳分析仪测量结果的影响，该分析仪在光学探头底座且靠近气室的位置处放置一热敏电阻温度传感器(28)，以探测光学探头的内部环境温度，并由单片机系统(26)依光学探头的内部环境温度对该分析仪的测量结果进行环境温度漂移的实时综合补偿和修正。
单片机系统除进行温度实时综合补偿和修正以外，还完成以下主要工作：·测量信号数字滤波·测量结果线性插值·分析仪实时自检
1)温度补偿数学模型的建立
本设计做了大量的温度模拟实验研究，研究结果表明，温度补偿量可由环境温度t和被测二氧化碳浓度y的二元一次函数近似表示，且这种近似具有足够的精度。温度补偿数学模型如下：
Δy＝f(t，y)＝(ay+b)(t-t0)
式中：t0是分析仪标定时的环境温度；a、b是待定系数，可通过最小二乘拟合方法由温度模拟实验测量数据求出。
2)温度补偿量的求解方法
在温度补偿数学模型中，温度补偿量Δy既是环境温度t的函数，又是被测二氧化碳浓度y的函数，而二氧化碳浓度的准确值事先是未知的，因此对Δy直接求解并不容易实现。为此，专利申请者采用了迭代逼近方法求解，并由未经补偿的二氧化碳浓度直接测量值作为迭代初值y0，全部求解过程由微机完成。
该分析仪具体性能指标如下：
量程 0～3％(可扩展)
响应时间 1.5S(气体流量为0.5l/min)
环境温度 0～50℃
预热时间 10min
功耗 5W
连续工作时间 ＞1个月
精度 ≤±3％FS
Claims (1)
1、一种新型红外二氧化碳分析仪，该仪器具有一壳体(16)，在壳体(16)表面设有复位键(17)、二氧化碳超标指示灯(18)、传感器工作正常指示灯(19)、电源插座(20)、电源开关(21)、信号输出端(22)、显示板扩展接口(23)及具有管接咀(5)和(15)的进、出气口(29)、(30)伸出的通孔(31)、(32)，该进、出气口(29)、(30)连接仪器的外部设备——采样气泵(24)，在壳体的内部装有光学探头和电路板，在电路板上设有稳流电路(27)、温度传感器(28)、放大电路(25)和单片机系统(26)，其特征在于：
该光学探头主要由红外光源(1)、测量气室(3)和红外探测器(8)组成，该红外光源(1)采用镍络丝绕制成螺旋圆柱体，并由两个钢性电极支撑，安装在红外光源座(13)上，红外光源座(13)的内侧加工成一球形反射面，在红外光源座(13)的两侧采用红外光源上压套(10)和红外光源下压套(14)及利用螺钉予以连接固定，测量气室(3)采用超硬铝抛光制成中空状圆柱体，测量气室(3)的一端设有高性能窄带滤光片(6)，另一端采用青玉作为窗口材料形成青玉窗(2)，在测量气室(3)上设有具有管接咀(5)、(15)的进、出气口(29)、(30)，在靠近滤光片(6)的一侧设有红外探测器(8)，该红外探测器(8)由红外探测器上压套(7)和红外探测器下压套(9)通过螺钉予以连接固定，连接后的红外光源(1)，测量气室(3)和红外探测器(8)置入探头底座(4)中组成光学探头。
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