模塊化傅里葉紅外氣體分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張奧男 吳 軻

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司技術(shù)中心，重慶401121）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展, 城市進(jìn)程和工業(yè)化進(jìn)程的不斷增加,環(huán)境污染日益嚴(yán)重,國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視程度也越來(lái)越高。在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，國(guó)家重拳出擊，陸續(xù)出臺(tái)和修改了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[1]、《鍋爐大氣污染物排標(biāo)準(zhǔn)》[2]。目前現(xiàn)有技術(shù)條件下，傅里葉紅外氣體分析技術(shù)具備可測(cè)量譜帶寬、光譜分辨率高、信噪比高、掃描速度快等特點(diǎn)，可以對(duì)多組分氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)和無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)。對(duì)此，中國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)出臺(tái)了《揮發(fā)性有機(jī)組分便攜式傅里葉紅外監(jiān)測(cè)儀》[3]環(huán)保產(chǎn)品實(shí)施規(guī)則，國(guó)家也發(fā)布了《環(huán)境空氣和廢氣揮發(fā)性有機(jī)物組分便攜式傅里葉紅外檢測(cè)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》[4]，從而讓該技術(shù)更好的應(yīng)用在氣體檢測(cè)領(lǐng)域。

由于氣體的紅外譜峰多，重疊嚴(yán)重，因此需要有較高分辨率和靈敏度的分析方法，傅里葉紅外（FTIR）光譜與長(zhǎng)光程聯(lián)用技術(shù)具有一般方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。加上樣品處理和差譜、最小二乘擬合等譜圖解析技術(shù)，使其成為氣體分析的有力手段。目前己經(jīng)廣泛應(yīng)用在高海拔大氣污染物測(cè)量、有毒氣體自動(dòng)識(shí)別、熱耗氣體測(cè)量、溫度及燃燒產(chǎn)物的測(cè)量等。隨著FTIR 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)TIR 技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)方面還有著更廣闊的應(yīng)用前景。而由于我國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研發(fā)及加工能力不足，許多傅里葉紅外氣體分析系統(tǒng)都是整機(jī)進(jìn)口，元件高度集成，不可廣泛適配。廠家有意設(shè)置技術(shù)壁壘，導(dǎo)致設(shè)備調(diào)試難度加大，維修更換成本增高。針對(duì)此現(xiàn)象，用模塊化的方式組成核心結(jié)構(gòu)，結(jié)合自由光長(zhǎng)光程多反射氣室進(jìn)行光學(xué)仿真，從而可以用該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更靈活的紅外氣體分析設(shè)備,自由適配多種規(guī)格氣室。大大降低了安裝調(diào)試難度及更換維修成本。

1 氣體分析系統(tǒng)檢測(cè)原理

模塊式傅里葉紅外氣體分析系統(tǒng)由光源、檢測(cè)器、干涉儀、氣室、軟硬件等模塊構(gòu)成。工作原理是基于被測(cè)氣體對(duì)紅外光的選擇性吸收。傅里葉紅外氣體分析系統(tǒng)常用的工作波段為2～12um。簡(jiǎn)單說(shuō)就是將被測(cè)氣體連續(xù)不斷的通過(guò)一定長(zhǎng)度和容積的容器，然后依據(jù)紅外光的吸收與吸光物質(zhì)的濃度成正比就可知道被測(cè)氣體的濃度。該方法即采用朗伯比爾定律：

A=kcd=lg（I/I0）

A 表示吸光度，k 表示光被吸收的比例系數(shù)，c 為樣品濃度，d 為光程。I0為入射光強(qiáng)度，I 為出射光強(qiáng)度。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

傅里葉紅外氣體分析系統(tǒng)常用工作波段為2-10um，精度根據(jù)各氣體組分濃度，可選分辨率16cm-1以下。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由干涉儀模塊、轉(zhuǎn)接模塊、氣室模塊、檢測(cè)器模塊、光源模塊、主板硬件模塊、軟件模塊構(gòu)成。

2.1 光源模塊的選擇：本系統(tǒng)用于分析CO、CO2、SO2、NOX 等十余種氣體。根據(jù)分析待測(cè)氣體的吸收峰，并參照PROTEA、BRUKER 等傅里葉紅外產(chǎn)品所用光源，因此選用光源為中紅外波段2-10um 空氣冷卻硅碳棒光源。該光源原理為硅碳棒（SiC碳化硅）通電加熱發(fā)光，原理簡(jiǎn)單應(yīng)用可靠。

2.2 干涉儀模塊的選擇：根據(jù)工作波段可選市場(chǎng)上現(xiàn)有的ARCoptix FT-IR Rocket 干涉儀。由于其永久對(duì)準(zhǔn)的角鏡結(jié)構(gòu)和固態(tài)參考激光，ARCoptix FT-IR Rocket 干涉儀在強(qiáng)度和波長(zhǎng)尺度上都具有極好的穩(wěn)定性。它具有4cm-1的高分辨率、可拆卸光纖耦合器，用于光纖或自由空間紅外光束，自由空間具有準(zhǔn)12.7mm 準(zhǔn)直出入口（最大30mrad 半角度）。以此保障對(duì)任意外接氣室和光源具有更高的匹配性能。

2.3 檢測(cè)器模塊的選擇：檢測(cè)器用于檢測(cè)干涉光通過(guò)試樣后剩余能量的大小，要求具有較高的靈敏度、較快的響應(yīng)速度和較寬的響應(yīng)波數(shù)范圍。目前中紅外光譜常用的檢測(cè)器主要有DTGS 檢測(cè)器和MCT 檢測(cè)器。MCT 檢測(cè)器使用的波數(shù)范圍比DTGS 檢測(cè)器窄一些，但靈敏度和響應(yīng)速度都比DTGS 檢測(cè)器好，可是使用不方便，需要液氮冷卻。因此選用DTGS 檢測(cè)器。

3 轉(zhuǎn)接及氣室模塊設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)接及氣室模塊需要主動(dòng)適配光源和檢測(cè)器，以便自由更換。因此在氣室和轉(zhuǎn)接模塊的設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮能滿足自由適配的性能。因此設(shè)計(jì)了可供自由光出入長(zhǎng)光程多反射氣室，設(shè)計(jì)上采用懷特池結(jié)構(gòu)，選用參數(shù)一致的三個(gè)球面鏡實(shí)現(xiàn)。具體參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：測(cè)得干涉儀出口準(zhǔn)直光束準(zhǔn)25mm，燈絲直徑：d=4mm，燈絲聚焦鏡fo=40mm，fi=62.3mm。由上述參數(shù)計(jì)算輸出聚焦光斑:發(fā)散半角：θ=atan(25/2/98)=7.4°光斑直徑：D=d*(fi/fo)*(f2/f1) = 12mm。由聚焦光斑的大小確定氣室出入口光斑直徑12mm。氣室采用基長(zhǎng)180mm 的反射結(jié)構(gòu)，配合可調(diào)角度的共軛反射鏡。通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡之間的夾角，可以實(shí)現(xiàn)任意光程的調(diào)整，從而滿足不同的檢測(cè)精度。根據(jù)仿真結(jié)果可以算出當(dāng)反射次數(shù)達(dá)到1、5、9、12、13、17 次時(shí)，可以滿足光路從氣室出口上部順利輸出（表2）。懷特池結(jié)構(gòu)相比于光纖或激光準(zhǔn)直的方式，具有更大的容錯(cuò)空間。即使更換檢測(cè)器或者光源，依然可以保證光路可以匹配。而在氣室的出入口，采用非曲面的鋁合金反射鏡作為轉(zhuǎn)接模塊，通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡的夾角，實(shí)現(xiàn)氣室和干涉儀、檢測(cè)器之間的光路轉(zhuǎn)接。

表1 被測(cè)氣體常用吸收峰

表2 反射次數(shù)與光路仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 軟硬件模塊設(shè)計(jì)

基于光源和干涉儀、檢測(cè)器的輸入輸出接口設(shè)計(jì)硬件，通過(guò)算法處理，校正干涉圖數(shù)據(jù)點(diǎn)采集漂移引起的相位誤差，校正干涉圖余弦分量相位滯后引起的相位誤差，隨后通過(guò)傅里葉變換輸出光譜圖用于氣體分析。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種模塊化的傅里葉紅外氣體分析系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中僅需對(duì)轉(zhuǎn)接組件及軟硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試，即可實(shí)現(xiàn)光源模塊、檢測(cè)器模塊、干涉儀模塊的自由匹配。同時(shí)也提供了自由光長(zhǎng)光程氣室的設(shè)計(jì)思路，采用自由光長(zhǎng)光程的氣室，通過(guò)懷特池的結(jié)構(gòu)可以靈活的匹配不同規(guī)格的輸入輸出光路。應(yīng)用以上模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在搭建傅里葉紅外系統(tǒng)中可以大大降低調(diào)試難度，