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(shí)現(xiàn)多組分測量的技術(shù)開發(fā)

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(jīng)濟(jì)的成本進(jìn)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(shè)置不同譜帶的濾光技術(shù)，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(chuàng)新設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容是紅外光源發(fā)生裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及光源調(diào)制馬達(dá)的定位，以解決其潤滑揮發(fā)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(shè)計(jì)為可輪轉(zhuǎn)的濾光器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在對紅外光線進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)，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(yùn)行的新算法和控制技術(shù)，相應(yīng)地也進(jìn)行了硬件支撐平臺的重新設(shè)計(jì)。

紅外光譜 薄膜微音 NDIR 濾光器

大量應(yīng)用于污染源、大氣和工業(yè)流程檢測/監(jiān)測的NDIR聲光氣動原理的紅外氣體檢測器目前大都只能進(jìn)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(hù)的成本壓力，因此能以較經(jīng)濟(jì)的價(jià)格進(jìn)行低濃度精密多組分測量的產(chǎn)品，是用戶的迫切希望。近幾年來，可進(jìn)行多組分測量的產(chǎn)品多為進(jìn)口儀器，國內(nèi)目前尚無廠家自行設(shè)計(jì)制造這種產(chǎn)品。

這類儀器普遍采用濾光片切換技術(shù)[1]，但僅僅一個濾光片切換技術(shù)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(shí)現(xiàn)多個組分薄膜微音紅外氣體分析器的測量，將是國內(nèi)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(nèi)制造高端在線分析儀器的水平上一個新的臺階，而且增強(qiáng)了此種儀器與國外同類儀器的競爭優(yōu)勢，同時(shí)，對紅外線氣體分析器的核心內(nèi)容有了深度的把握，更能進(jìn)一步推動新產(chǎn)品的不斷發(fā)展。

該儀器的核心檢測部件具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)，完全自主生產(chǎn)研發(fā)并制造，其性能指標(biāo)、穩(wěn)定性及可靠性達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)水平。

1 項(xiàng)目概述

大氣環(huán)境、各種固定污染源以及工業(yè)工藝流程中的氣體成分十分復(fù)雜，對其監(jiān)測需要同時(shí)針對多種氣體進(jìn)行。單成分檢測顯然會增加使用者的運(yùn)行成本，因此需要研制這樣一種儀器：可同時(shí)檢測盡可能多的氣體組分，同時(shí)又穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)而且在線運(yùn)行能適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境及復(fù)雜的樣氣背景。

本項(xiàng)目技術(shù)方案的制定和研制即圍繞著滿足這些要求實(shí)施。

2 薄膜微音檢測技術(shù)

本文所述實(shí)驗(yàn)及討論均以基于微音薄膜技術(shù)的北分麥哈克公司QGS-08系列紅外線氣體分析器為基礎(chǔ)。該紅外線氣體分析器工作原理依據(jù)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(zhì)上它是一種紅外能量光度計(jì)。

該產(chǎn)品因不對紅外線進(jìn)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(diǎn)對氣體進(jìn)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(jìn)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(xué)上呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在氣動作用上相互“隔絕(氣密)”，中間僅以毛細(xì)管相通，經(jīng)過初始調(diào)節(jié)使其達(dá)到動態(tài)脈沖壓力下的平衡。光路中氣體吸收紅外線能量的狀態(tài)見圖2。紅外輻射被按規(guī)定頻率調(diào)制，首先進(jìn)入氣室，(經(jīng)聚光室)再先后進(jìn)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(cè)的能量。氣室內(nèi)的吸收導(dǎo)致前吸收室的壓力脈沖減弱，原壓力平衡被破壞，所產(chǎn)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(zhuǎn)換成電信號和濃度值。毛細(xì)管的作用使前后平均壓力相等，既膜片在無光照時(shí)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(chǎn)生的壓力脈沖僅與氣體特征吸收峰的中心譜線有關(guān)，所以具有良好的選擇性。

圖1 多組分分析器光學(xué)工作原理

圖2 分析器紅外吸收譜圖

3 研制內(nèi)容

多組分分析器的光學(xué)工作原理，如圖1所示。其研制內(nèi)容的重點(diǎn)在光學(xué)部件中的新設(shè)計(jì)，有三個方面：紅外光源的發(fā)生裝置，不同濾光譜帶發(fā)生設(shè)計(jì)，濾光譜帶控制設(shè)計(jì)。

3.1 紅外光源發(fā)生裝置

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有技術(shù)中的紅外光源發(fā)生裝置如圖3，其中同步電機(jī)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(nèi)，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)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(diǎn)：

圖3 現(xiàn)有紅外光源發(fā)生裝置1.外罩；2.同步電機(jī)；3.殼體；4.光電耦合器；5.柔性軟管；6.反射體；7-1.調(diào)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(jī)中的潤滑油會有一定量的揮發(fā)，揮發(fā)出的組分附著于反射體內(nèi)部，使反射體內(nèi)部受到污染，裝置發(fā)出的紅外光能量發(fā)生改變，造成儀器的漂移。所以，出廠之前需要對光源電機(jī)進(jìn)行抽油，以防止儀器長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，油會蒸發(fā)污染反射體，使儀器發(fā)生漂移。

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

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，在新的設(shè)計(jì)中，將光源電機(jī)外置，解決了電機(jī)抽油與反射體污染之間的重要矛盾。這是保證儀器長期穩(wěn)定運(yùn)行的一個充分的關(guān)鍵條件(圖4)。

圖4 新型紅外光源發(fā)生裝置1.上殼體；2.下殼體；3.同步電機(jī)；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(jī)支柱；11.緊定螺釘；12.螺釘；13.上蓋；14.卡塊；15.下蓋；16.軸承

新設(shè)計(jì)的光源發(fā)生裝置，一個同步電機(jī)可以同時(shí)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(shí)現(xiàn)多組分的情況。單光源獨(dú)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(yù)留的另外一個光源位置封死，保證整個殼體的密封性。電機(jī)帶動上磁座4繞電機(jī)做軸線轉(zhuǎn)動，切光片5-1設(shè)置于上殼體1與下殼體2之間，不僅能夠密封性好、穩(wěn)定性好、可以產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)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(shè)計(jì)有一個霍爾元件，為雙極鎖存型霍爾效應(yīng)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(jī)帶動上下磁座連同切光片運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳感器輸出脈沖信號，用以確定切光片的轉(zhuǎn)動位置，為信號處理電路提供相位信息。

(2)重點(diǎn)問題解決

①切光片靜平衡計(jì)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(dǎo)致切光片質(zhì)心并非位于切光片圓心位置。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動切光片以圓心為中心轉(zhuǎn)動時(shí)，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(jìn)行相對于圓心位置的靜平衡補(bǔ)償。切光片外形如圖5。

圖5 切光片外形圖

通過Iventor軟件計(jì)算得到切光片的質(zhì)心位置位于Y軸正方向Y1處，實(shí)際稱量得到切光片質(zhì)量為m，則切光片相對于圓心位置的質(zhì)量距為：

M1=m×Y1

(2)

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

m0=M2/Y2

(3)

通過稱量得到圓柱形小磁鐵的質(zhì)量為m2，則所需要的平衡質(zhì)量塊的質(zhì)量為：

m1=m0-m2

(4)

平衡塊外形最好是圓形，質(zhì)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(zhì)，密度超過切光片鋁材密度的3倍。通過Iventor軟件計(jì)算平衡質(zhì)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(jīng)過一段時(shí)間的放置后，變形嚴(yán)重，無法正常裝配。

經(jīng)過對變形現(xiàn)象的研究，選用進(jìn)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(shí)材料產(chǎn)生的應(yīng)力問題。樣件加工回來后，經(jīng)裝配及試驗(yàn)表現(xiàn)，材料性能穩(wěn)定。

③密封性：部分裝置未通過真空探漏試驗(yàn)。后續(xù)加工樣件中，對密封處進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。選用合適的密封裝配尺寸及配套O型圈。

④電機(jī)丟轉(zhuǎn)：新光源裝配后通電，發(fā)現(xiàn)存在電機(jī)與切光片不能同步運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)，并增加彈簧。使電機(jī)在啟動時(shí)，穿過切光片的軸可以進(jìn)行彈動，使得殼體內(nèi)的磁座與殼體外的磁座更為順暢的配合，避免電機(jī)丟轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 濾光器解決譜帶劃分

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾光器要解決的技術(shù)問題是針對紅外線氣體分析器中使用單一的紅外光源發(fā)生裝置來檢測一個范圍內(nèi)的多種氣體。需要通過檢測器前置部件中濾光片的準(zhǔn)確切換來實(shí)現(xiàn)檢測最多4種氣體的方式。為了實(shí)現(xiàn)多種氣體的檢測，發(fā)明了一種圓盤旋轉(zhuǎn)式濾光片切換裝置，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動濾光片依次進(jìn)入光路，使單光路光學(xué)部件在不同時(shí)刻形成具有不同光譜特性的光學(xué)測量，如圖7所示。

A

B圖7 濾光片切換裝置的正面結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)；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(jié)構(gòu)、設(shè)置在殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的濾光片組結(jié)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)3和霍爾元件組4。殼體1側(cè)視圖如圖8，濾光片組結(jié)構(gòu)如圖9。上側(cè)設(shè)有第一個開口與氣室相連，與之相對應(yīng)的下側(cè)設(shè)有第二個開口與薄膜微音檢測器相連。濾光片組結(jié)構(gòu)包含圓形板以及若干個濾光片，濾光片嵌入圓形板中；電機(jī)與濾光片組結(jié)構(gòu)同軸連接，用于帶動圓形板做軸線轉(zhuǎn)動，使圓形板上的預(yù)設(shè)的濾光片旋轉(zhuǎn)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(jìn)行濾光，且經(jīng)過所述濾光片的光線由第二開口射出；濾光片組結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在圓形板上的磁鐵7-3，與設(shè)置在殼體內(nèi)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(yù)設(shè)的濾光片的位置。玻璃套2，用于將殼體內(nèi)部的脈沖信號傳輸至所述裝置外部，還用于為步進(jìn)電機(jī)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(nèi)，其中干燥盒5內(nèi)設(shè)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(shí)現(xiàn)濾光器良好的密封性、穩(wěn)定性。

圖8 濾光片切換裝置側(cè)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(jié)構(gòu)示意圖

對比中國發(fā)明專利CN103309739A[3]公開的一種盤式濾光盤切換機(jī)構(gòu)(圖10)，有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用步進(jìn)電機(jī)直接帶動濾光組件，代替蝸輪蝸桿傳動，電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)濾光片切換，機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡潔，更便于濾光組件的控制及準(zhǔn)確定位；(2)由于采用步進(jìn)電機(jī)，只用一個非接觸式的霍爾開關(guān)即可完成位置檢測，避免了現(xiàn)有設(shè)計(jì)中元器件多，信號處理復(fù)雜的情況；

圖10 現(xiàn)有技術(shù)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(zhuǎn)軸1d)；2.傳動件；3.電機(jī)；4.霍爾元件；5.控制電路板

(2)濾光器控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)濾光器組件的精準(zhǔn)定位，是實(shí)現(xiàn)多組分測量的重要步驟。設(shè)計(jì)中控制器上電后，首先讓濾光器從光源方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，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(jìn)電機(jī)從起始位置轉(zhuǎn)動N1個步距角，到達(dá)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(zhuǎn)動N1+N2個步距角，或者從第一個濾光片的位置轉(zhuǎn)動N2個步距角。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動步距角是18度。當(dāng)步距角為18度時(shí)：N=360/18=20，N1= 2，N2=N3=N4=N/4=5。對應(yīng)角度為36°、126°、216°、306°。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常工作時(shí)：初始化步進(jìn)電機(jī)時(shí)，給步進(jìn)電機(jī)連續(xù)發(fā)送脈沖信號，讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)，停止發(fā)送脈沖信號，讓步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，把濾光器的這個位置定義為起點(diǎn)，這是初始化n=0，然后發(fā)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(shí)，停止發(fā)送脈沖信號(如果步進(jìn)電機(jī)工作正常，則n應(yīng)該等于20)，把n的值賦值給N，接下來計(jì)算N1、N2、N3、N4，N2=N3=N4=N/4，N1=N2/2(取整)。接下來根據(jù)待測組分個數(shù)和組分轉(zhuǎn)動濾光器。

如待測組分個數(shù)為3時(shí)，并且待測組分1、組2和組分3對應(yīng)前第一、第二和第四個濾光片時(shí)，通過轉(zhuǎn)動濾光器到起始位置后，給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送N1個脈沖信號，等10s采集組分1信號并計(jì)算濃度值，然后給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送N2個脈沖信號，等10s采集組分2信號并計(jì)算濃度值，然后給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送N3+N4個脈沖信號，等10s采集組分3信號并計(jì)算濃度值，這樣完成待測3個組分的第一周期的測量。要進(jìn)行第二個周期的測量時(shí)，給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送N4個脈沖，把濾光片1對應(yīng)檢測通道，等待10s采集組分1信號并計(jì)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(shí)現(xiàn)3個組分的連續(xù)測量。軟件設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

圖11 濾光器驅(qū)動軟件流程圖

結(jié) 論

應(yīng)用NDIR原理的單光源單光路實(shí)現(xiàn)多組分測量技術(shù)研制的產(chǎn)品QGS-08CN模塊式氣體分析器，可以同時(shí)對多個組分進(jìn)行分析測量。最多可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(jī)械氧模塊、熱磁氧模塊、磁壓氧模塊)、電化檢測模塊、熱導(dǎo)檢測模塊或微量水檢測模塊，根據(jù)量程、測量精度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)，選配所需分析模塊。各種模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)，為用戶提供更大的選擇空間，在滿足使用要求的情況下，節(jié)省成本。

[1]高喜奎．《在線分析系統(tǒng)工程技術(shù)》．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2][美]卡爾·L·約斯主編，陶鵬萬等譯．《氣體數(shù)據(jù)手冊》7版．北京：化學(xué)工業(yè)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(yīng)用光學(xué)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(yīng)儀器的研制工作,E-mail:chenmiao1630@163.com。