基于NDIR原理單光源單光路實現多組分測量的技術開發

陳 淼 黃政偉 王 一

(北京北分麥哈克分析儀器有限公司,北京 100095)

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基于NDIR原理單光源單光路實現多組分測量的技術開發

陳 淼 黃政偉 王 一

(北京北分麥哈克分析儀器有限公司,北京 100095)

為滿足以較經濟的成本進行多種組分測量分析，對基于NDIR原理工作的測量儀器本研究通過設置不同譜帶的濾光技術，解決了單光源單光路條件下多種不同氣體對紅外吸收譜帶問題。此創新設計中的關鍵內容是紅外光源發生裝置的改進設計以及光源調制馬達的定位，以解決其潤滑揮發組分引起的對紅外吸收的擾動；此外,將原固定的單個濾光片重新設計為可輪轉的濾光器結構，實現在對紅外光線進行調制的同時，展寬了具有針對性的紅外吸收譜帶,給出了樣氣中不同組分的紅外吸收頻段；找到了濾光器精密啟動定位運行的新算法和控制技術，相應地也進行了硬件支撐平臺的重新設計。

紅外光譜 薄膜微音 NDIR 濾光器

大量應用于污染源、大氣和工業流程檢測/監測的NDIR聲光氣動原理的紅外氣體檢測器目前大都只能進行單組分測量。為了解決多組分測量分析問題，用戶不得不購置多臺儀器，這加大了用戶購買、使用和維護的成本壓力，因此能以較經濟的價格進行低濃度精密多組分測量的產品，是用戶的迫切希望。近幾年來，可進行多組分測量的產品多為進口儀器，國內目前尚無廠家自行設計制造這種產品。

這類儀器普遍采用濾光片切換技術[1]，但僅僅一個濾光片切換技術的改造不足以圓滿解決這個問題。通過改變檢測器充氣配方、濾光器切換濾光片的方式，在一臺儀器上實現多個組分薄膜微音紅外氣體分析器的測量，將是國內在線紅外氣體分析儀器的一個重大突破，使研制人員掌握了紅外線吸收能量密度分布和譜帶分配的方法，不但能使國內制造高端在線分析儀器的水平上一個新的臺階，而且增強了此種儀器與國外同類儀器的競爭優勢，同時，對紅外線氣體分析器的核心內容有了深度的把握，更能進一步推動新產品的不斷發展。

該儀器的核心檢測部件具有獨立知識產權，完全自主生產研發并制造，其性能指標、穩定性及可靠性達到國內領先，國際先進水平。

1 項目概述

大氣環境、各種固定污染源以及工業工藝流程中的氣體成分十分復雜，對其監測需要同時針對多種氣體進行。單成分檢測顯然會增加使用者的運行成本，因此需要研制這樣一種儀器：可同時檢測盡可能多的氣體組分，同時又穩定、可靠、經濟而且在線運行能適應惡劣的運行環境及復雜的樣氣背景。

本項目技術方案的制定和研制即圍繞著滿足這些要求實施。

2 薄膜微音檢測技術

本文所述實驗及討論均以基于微音薄膜技術的北分麥哈克公司QGS-08系列紅外線氣體分析器為基礎。該紅外線氣體分析器工作原理依據氣體對紅外線光譜具有選擇性吸收并遵循朗伯-比爾這一光譜吸收定律：

(1)

本質上它是一種紅外能量光度計。

該產品因不對紅外線進行光譜分光而稱為不分光方式紅外(NDIR)，圖1[2]為多組分分析工作原理。它利用基于氣體對紅外光譜具有選擇性吸收的特點對氣體進行定性，利用被吸收紅外能量與參比紅外能量差推動微音電容變化(光聲氣動-薄膜微音)的方法對特定氣體濃度進行定量分析。檢測器主體部分由聚光腔(室)、前后兩個吸收室以及薄膜微音電容器組件等組成。兩個吸收室在光學上呈串聯結構，在氣動作用上相互“隔絕(氣密)”，中間僅以毛細管相通，經過初始調節使其達到動態脈沖壓力下的平衡。光路中氣體吸收紅外線能量的狀態見圖2。紅外輻射被按規定頻率調制，首先進入氣室，(經聚光室)再先后進入這前后兩個吸收室。紅外能量首先在分析氣室邊被吸收掉一部分。光程較短的前吸收室吸收譜帶中心的能量，后吸收室由于反射光錐的作用，使光程為無窮大，吸收余下兩側的能量。氣室內的吸收導致前吸收室的壓力脈沖減弱，原壓力平衡被破壞，所產生的壓力脈沖加在差動式薄膜微音器的動極片上，致使電容量變化，然后被轉換成電信號和濃度值。毛細管的作用使前后平均壓力相等，既膜片在無光照時處于平衡位置。由于分析氣室的吸收很小(KCL<<1)，所以主要吸收光譜的中心部分，使前吸收室的能量減少，邊帶部分基本不吸收，使后吸收室的能量不變，產生的壓力脈沖僅與氣體特征吸收峰的中心譜線有關，所以具有良好的選擇性。

圖1 多組分分析器光學工作原理

圖2 分析器紅外吸收譜圖

3 研制內容

多組分分析器的光學工作原理，如圖1所示。其研制內容的重點在光學部件中的新設計，有三個方面：紅外光源的發生裝置，不同濾光譜帶發生設計，濾光譜帶控制設計。

3.1 紅外光源發生裝置

(1)結構設計

現有技術中的紅外光源發生裝置如圖3，其中同步電機2、燈絲部件9、切光片7及反射體6均處于一個密封的裝置內，其優點是穩定性好，密封性好，能夠避免外界氣體對儀器使用過程中的干擾。但存在兩個主要缺點：

圖3 現有紅外光源發生裝置1.外罩；2.同步電機；3.殼體；4.光電耦合器；5.柔性軟管；6.反射體；7-1.調制切光片；7-2.紅外切光片； 8.密封圈；9.燈絲部件；10.紅外輻射信號；11.輸出信號安裝槽；12.法蘭；13.中間軸；14.密封面

①在儀器的長期使用過程中，同步電機中的潤滑油會有一定量的揮發，揮發出的組分附著于反射體內部，使反射體內部受到污染，裝置發出的紅外光能量發生改變，造成儀器的漂移。所以，出廠之前需要對光源電機進行抽油，以防止儀器長期運轉后，油會蒸發污染反射體，使儀器發生漂移。

②以往的生產過程中，為了防止同步電機中的潤滑油揮發，裝配光源前會將同步電機中的舊油抽出，然后加入高品質的清油，這個過程有時會使電機產生少許的噪聲(極小的噪聲會使微量測量產生漂移)，因而對同步電機本身的性能要求很高，同時噪聲程度難以界定，導致生產成本和效率降低。

鑒于上述現有技術的缺陷，在新的設計中，將光源電機外置，解決了電機抽油與反射體污染之間的重要矛盾。這是保證儀器長期穩定運行的一個充分的關鍵條件(圖4)。

圖4 新型紅外光源發生裝置1.上殼體；2.下殼體；3.同步電機；4.上磁座；5.切光片裝配；6.反射器；7.密封圈；8.密封圈；9.壓板；10.電機支柱；11.緊定螺釘；12.螺釘；13.上蓋；14.卡塊；15.下蓋；16.軸承

新設計的光源發生裝置，一個同步電機可以同時帶動兩個光源工作，形成雙光路的情況，本文只介紹單光路實現多組分的情況。單光源獨立工作，需要用上蓋13、下蓋15、卡塊14和螺釘12將上下殼體預留的另外一個光源位置封死，保證整個殼體的密封性。電機帶動上磁座4繞電機做軸線轉動，切光片5-1設置于上殼體1與下殼體2之間，不僅能夠密封性好、穩定性好、可以產生連續穩定的紅外光源，并且避免了外部氣體對其使用過程中的干擾。光源裝置中還設計有一個霍爾元件，為雙極鎖存型霍爾效應位置傳感器，是一種雙磁極工作的磁敏電路，位于柱形磁體下，在電機帶動上下磁座連同切光片運轉的時候，傳感器輸出脈沖信號，用以確定切光片的轉動位置，為信號處理電路提供相位信息。

(2)重點問題解決

①切光片靜平衡計算

新光源由于切光片尺寸加大，切光片形狀本身非中心對稱導致切光片質心并非位于切光片圓心位置。當電機驅動切光片以圓心為中心轉動時，會引起光源整體非平衡震動，影響軸承及光源的使用壽命，因此必須對切光片進行相對于圓心位置的靜平衡補償。切光片外形如圖5。

圖5 切光片外形圖

通過Iventor軟件計算得到切光片的質心位置位于Y軸正方向Y1處，實際稱量得到切光片質量為m，則切光片相對于圓心位置的質量距為：

M1=m×Y1

(2)

如果需要通過靜平衡補償使得切光片的質心與圓心位置重合則需要在Y軸的負方向補償一個質量距為M2的平衡質量塊。我們利用圓柱形小磁鐵的安裝孔進行補償。安裝孔中心剛好位于Y軸負方向Y2處。則可計算得到需要的總平衡質量：

m0=M2/Y2

(3)

通過稱量得到圓柱形小磁鐵的質量為m2，則所需要的平衡質量塊的質量為：

m1=m0-m2

(4)

平衡塊外形最好是圓形，質心位置位于圓心，中心有孔便于安裝圓柱形小磁鐵。最好采用黃銅材質，密度超過切光片鋁材密度的3倍。通過Iventor軟件計算平衡質量塊形狀如圖6。

圖6 黃銅平衡塊形狀

②殼體變形：在早期做過的光源樣件中，殼體加工回來經過一段時間的放置后，變形嚴重，無法正常裝配。

經過對變形現象的研究，選用進口的航空鋁材，保證材料的性能，另對樣件增加了熱處理工藝，解決了加工時材料產生的應力問題。樣件加工回來后，經裝配及試驗表現，材料性能穩定。

③密封性：部分裝置未通過真空探漏試驗。后續加工樣件中，對密封處進行重新設計。選用合適的密封裝配尺寸及配套O型圈。

④電機丟轉：新光源裝配后通電，發現存在電機與切光片不能同步運轉的現象。經過分析，發現穿過切光片的軸，不能與上蓋和下蓋中安裝的軸承很好的配合。為了降低軸與軸承配合的難度，更改了殼體部分設計，并增加彈簧。使電機在啟動時，穿過切光片的軸可以進行彈動，使得殼體內的磁座與殼體外的磁座更為順暢的配合，避免電機丟轉的現象發生。

3.2 濾光器解決譜帶劃分

(1)結構設計

濾光器要解決的技術問題是針對紅外線氣體分析器中使用單一的紅外光源發生裝置來檢測一個范圍內的多種氣體。需要通過檢測器前置部件中濾光片的準確切換來實現檢測最多4種氣體的方式。為了實現多種氣體的檢測，發明了一種圓盤旋轉式濾光片切換裝置，通過步進電機驅動濾光片依次進入光路，使單光路光學部件在不同時刻形成具有不同光譜特性的光學測量，如圖7所示。

A

B圖7 濾光片切換裝置的正面結構示意圖 A.未安裝濾光片組;B.安裝濾光片組1.殼體；2.玻璃套；3.步進電機；4.霍爾元件組；5.干燥盒；6.弓形板；7.濾光片組；8.濾光片；9.頂絲

濾光片切換裝置，包括：殼體結構、設置在殼體結構內部的濾光片組結構、步進電機3和霍爾元件組4。殼體1側視圖如圖8，濾光片組結構如圖9。上側設有第一個開口與氣室相連，與之相對應的下側設有第二個開口與薄膜微音檢測器相連。濾光片組結構包含圓形板以及若干個濾光片，濾光片嵌入圓形板中；電機與濾光片組結構同軸連接，用于帶動圓形板做軸線轉動，使圓形板上的預設的濾光片旋轉至第一開口與第二開口中央的連接線上，對第一開口射入的光線進行濾光，且經過所述濾光片的光線由第二開口射出；濾光片組結構還包括設置在圓形板上的磁鐵7-3，與設置在殼體內部的霍爾元件組相配合，用于使所述霍爾元件組感知磁鐵的位置，從而確定圓形板上的預設的濾光片的位置。玻璃套2，用于將殼體內部的脈沖信號傳輸至所述裝置外部，還用于為步進電機提供外部供電連接。弓形板6通過變形擠壓干燥盒5，將其安裝于殼體內，其中干燥盒5內設有干燥劑，干燥劑為堿石棉和/或霍加拉特，用于吸收殘留的二氧化碳或一氧化碳。整個裝置通過蓋12、固定塊10、銷釘14以及頂絲11，實現濾光器良好的密封性、穩定性。

圖8 濾光片切換裝置側視圖10.固定塊；11.頂絲；12.蓋；13.O型圈；14.銷釘

圖9 濾光片組的結構示意圖

對比中國發明專利CN103309739A[3]公開的一種盤式濾光盤切換機構(圖10)，有如下優點：(1)采用步進電機直接帶動濾光組件，代替蝸輪蝸桿傳動，電機驅動實現濾光片切換，機械結構更簡潔，更便于濾光組件的控制及準確定位；(2)由于采用步進電機，只用一個非接觸式的霍爾開關即可完成位置檢測，避免了現有設計中元器件多，信號處理復雜的情況；

圖10 現有技術濾光組件示意圖 1.濾光盤(圓盤1a，4個濾光片1b，5只位置反饋器1c，旋轉軸1d)；2.傳動件；3.電機；4.霍爾元件；5.控制電路板

(2)濾光器控制技術

實現濾光器組件的精準定位，是實現多組分測量的重要步驟。設計中控制器上電后，首先讓濾光器從光源方向順時針旋轉，濾光器的起始位置是霍爾元件與磁鐵上下對齊的位置，步進電機從起始位置轉動N1個步距角，到達第一個濾光片位置，到第二個濾光片的位置需要從起始位置轉動N1+N2個步距角，或者從第一個濾光片的位置轉動N2個步距角。步進電機轉動步距角是18度。當步距角為18度時：N=360/18=20，N1= 2，N2=N3=N4=N/4=5。對應角度為36°、126°、216°、306°。

當步進電機正常工作時：初始化步進電機時，給步進電機連續發送脈沖信號，讓步進電機轉動，直到檢測到霍爾元件的輸出信號有高電平向低電平跳變時，停止發送脈沖信號，讓步進電機停止轉動，把濾光器的這個位置定義為起點，這是初始化n=0，然后發一個脈沖n加1，直到再次檢測到霍爾信號有高電平向低電平跳變時，停止發送脈沖信號(如果步進電機工作正常，則n應該等于20)，把n的值賦值給N，接下來計算N1、N2、N3、N4，N2=N3=N4=N/4，N1=N2/2(取整)。接下來根據待測組分個數和組分轉動濾光器。

如待測組分個數為3時，并且待測組分1、組2和組分3對應前第一、第二和第四個濾光片時，通過轉動濾光器到起始位置后，給步進電機發送N1個脈沖信號，等10s采集組分1信號并計算濃度值，然后給步進電機發送N2個脈沖信號，等10s采集組分2信號并計算濃度值，然后給步進電機發送N3+N4個脈沖信號，等10s采集組分3信號并計算濃度值，這樣完成待測3個組分的第一周期的測量。要進行第二個周期的測量時，給步進電機發送N4個脈沖，把濾光片1對應檢測通道，等待10s采集組分1信號并計算濃度值，然后按照第一周期的順序完成組分2和組分3的測量，如此實現3個組分的連續測量。軟件設計流程如圖11所示。

圖11 濾光器驅動軟件流程圖

結 論

應用NDIR原理的單光源單光路實現多組分測量技術研制的產品QGS-08CN模塊式氣體分析器，可以同時對多個組分進行分析測量。最多可以實現4個紅外組分加一個氫或氧組分的測量。除此之外，該儀器遵循模塊化的設計理念，用戶可以選擇的模塊包括薄膜微音檢測模塊、順磁氧檢測模塊(包含磁力機械氧模塊、熱磁氧模塊、磁壓氧模塊)、電化檢測模塊、熱導檢測模塊或微量水檢測模塊，根據量程、測量精度、穩定性等技術指標，選配所需分析模塊。各種模塊的獨立設計，為用戶提供更大的選擇空間，在滿足使用要求的情況下，節省成本。

[1]高喜奎．《在線分析系統工程技術》．北京：化學工業出版社，2014.

[2][美]卡爾·L·約斯主編，陶鵬萬等譯．《氣體數據手冊》7版．北京：化學工業出版社，2003．

[3]高澤東，高教波．濾光組件的切換定位控制方法．陜西：西安應用光學研究所，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

陳淼,女,1981年出生,高級工程師,碩士研究生,主要從事在線氣體分析方法的研究及相應儀器的研制工作,E-mail:chenmiao1630@163.com。