差分式中紅外一氧化碳檢測儀的研制

吳華建

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

目前，對于氣體檢測技術(shù)，廣泛運用的領域為工業(yè)生產(chǎn)方面，特別是一些環(huán)境相對惡劣、會產(chǎn)生有毒氣體的工業(yè)生產(chǎn)，比如煤礦企業(yè)的煤炭開采就會產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體。文章主要針對一氧化碳檢測儀展開論述。一氧化碳作為一種易燃易爆的氣體，具有毒性，如果濃度較高，吸入之后會導致中毒，直接危害人的心、腦、肝、腎以及其他組織。在工業(yè)生產(chǎn)中，一氧化碳的產(chǎn)生，就直接危害了工作人員的生命安全。

1 紅外一氧化碳檢測儀

1.1 一氧化碳檢測儀

一氧化碳檢測儀主要是用來檢測一氧化碳的濃度，對一些懷疑存在一氧化碳的環(huán)境進行檢測。目前使用的一氧化碳檢測儀是一種智能化的檢測模式，可以自動識別一氧化碳氣體的濃度，一旦檢測出空氣中存在一氧化碳，儀器會自動發(fā)出報警信號。該檢測儀具有精準的讀數(shù)，能夠精準檢測出周邊環(huán)境一氧化碳的情況，同時還能實現(xiàn)遠距離采氣，這樣可以避免使用者進入一氧化碳危險區(qū)域。目前，一氧化碳檢測儀已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的必備品，相關檢測儀產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，不僅具有檢測一氧化碳氣體的功能，同時也具有自動化、智能化的特點，滿足防震、抗噪等要求。

1.2 紅外一氧化碳檢測儀

根據(jù)檢測的原理，一氧化碳檢測儀有幾種不同的類型，包括電化學型、催化燃燒型、紅外吸收光譜型。在煤炭生產(chǎn)中，一般選擇紅外吸收光譜型的紅外氣體檢測技術(shù)，來檢測環(huán)境中的一氧化碳，具有較高的可靠性、檢測精度及抗干擾能力，是目前非常受歡迎的一種氣體檢測儀器。

紅外一氧化碳檢測儀是利用紅外光譜吸收原理，對低濃度的一氧化碳測量的儀器。紅外一氧化碳檢測儀可以同時檢測一氧化碳的濃度、溫度和濕度，具有非常清晰的彩色觸摸屏及聲光報警提示，帶內(nèi)置泵，且能夠確保在高溫和低溫測量中具有足夠的精度和補償，被廣泛應用于公共場所及衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境監(jiān)測等領域的氣體檢測與監(jiān)測，由于其具有較高的精度還可用于科研監(jiān)測部門。該儀器符合《公共場所空氣中一氧化碳測定方法》（GB/T 18204.23—2000）和《空氣質(zhì)量一氧化碳的測定 非分散紅外法》（GB/T 9801—1988）的國家標準；符合《一氧化碳、二氧化碳紅外線氣體分析器》（JJG 635—2011）的國家計量檢定規(guī)程。紅外一氧化碳氣體檢測儀，可以檢測空氣中的一氧化碳氣體，也可以檢測該環(huán)境的溫度和濕度；自帶吸氣泵可將數(shù)十米距離外氣體吸入儀器進行測定；具有超大彩色觸摸屏、操作方便快捷；其自動零點校正技術(shù)，方便用戶在不同季節(jié)和時間進行零點修正。

2 差分吸收檢測技術(shù)

差分吸收光譜技術(shù)（DOAS技術(shù)）是一種光譜檢測技術(shù)，其基本原理是利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來鑒定氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度。當前，差分檢測技術(shù)在氣體檢測領域得到了廣泛的應用。該技術(shù)最開始是由德國Heidelberg大學環(huán)境物理研究所的Platt提出，主要用于城市、地下通道以及工業(yè)礦區(qū)有害氣體的檢測。該技術(shù)的檢測原理比較復雜，是基于衡量氣體分子的窄帶吸收特征的檢測，吸收的光強度遵守的是郎伯比爾定理，也被稱之為光的吸收定律。差分吸收檢測技術(shù)就是以此定律為基礎而提出的一項檢測技術(shù)。郎伯比爾定理表示物質(zhì)對某一單色光吸收的強弱與吸光物質(zhì)濃度和厚度間的關系。該技術(shù)被廣泛運用于測量大氣污染，其采用專門的儀器，工作效率較高，氣體濃度的測量下限非常低，測量的范圍也比較廣。

差分吸收光譜技術(shù)在實際的使用過程中具有明顯的優(yōu)勢，也得到使用者的肯定。該技術(shù)通過差分吸收光譜的分離法消除了瑞利散射、米氏散射以及大氣中其他物質(zhì)的消光影響，提高了實驗測量的準確性。而且該技術(shù)的測量是非接觸性的測量，可以保證氣體在檢測的過程中不會因為儀器設備的影響而造成光能損失，影響檢測的結(jié)果，而且可以有效反映出氣體的平均濃度。而且，差分吸收光譜技術(shù)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測。隨著智能化的發(fā)展，實現(xiàn)自動化的工作，在完成安裝之后，不需要人工實時操作或者更換設備，有效降低了檢測的成本。

3 差分式中紅外一氧化碳檢測儀系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

差分式中紅外一氧化碳檢測儀系統(tǒng)是結(jié)合當前有毒氣體的檢測技術(shù)，研制出的一種差分式中紅外一氧化碳檢測儀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括寬米光譜紅外熱元、球形聚光反射鏡、雙通道紅外探測器組成的光學部分，以及信號處理部分。該系統(tǒng)的主控制器為ARM處理器，其可以產(chǎn)生光源驅(qū)動信號、驅(qū)動鎖相放大器等，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的儲存。

圖1 差分式中紅外一氧化碳檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實際運行原理：恒流驅(qū)動電路為光源提供頻率為4Hz、占空比為50%的方波驅(qū)動信號，光源發(fā)出的紅外光在氣室內(nèi)經(jīng)過球形聚光鏡反射，被一氧化碳氣體充分吸收之后，反射光信號射入雙通道探測器上，被探測器的兩個濾波窗口感知，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換；探測器兩通道輸出的兩路信號通過雙通道鎖相放大器提取幅值信息，得到一氧化碳的濃度。

3.2 系統(tǒng)設計

首先是設備的選擇，主要對光源和探測器進行選擇。（1）光源的選擇。保證光源輻射的光譜范圍內(nèi)有一氧化碳氣體的吸收光譜的范圍在2～20μm，保證具有較高的發(fā)光強度、電光轉(zhuǎn)換率高、低功率、壽命長等，如紅外熱光源（IR55）就能滿足其檢測要求。（2）探測器的選擇。探測器在系統(tǒng)中主要用于光電轉(zhuǎn)換，選擇探測器的時候，探測器和光源的光譜要匹配，并且還需要確定探測器的動態(tài)范圍以及等效噪聲功率等參數(shù)，同時還需要探測器具有較高的靈敏度，特別是用于礦井下，如熱釋電探測器LM244就可以較好滿足相關要求。

在該系統(tǒng)中還有一個重要的部分，即光學系統(tǒng)。根據(jù)探測器在不同頻率下的響應度和光源載不同頻率下的調(diào)制深度，確定光源的調(diào)制信號頻率為4Hz。在紅外一氧化碳檢測系統(tǒng)中，采用反射式，有利于增加光程。光源和探測器放置在球面的反射鏡球心的上下對稱的位置，并固定在鋁板上，增加抗震能力。在該系統(tǒng)中，雙通道鎖相放大器也是其非常重要的一部分，可用來提取信號、抑制噪聲和提高靈敏度，確保在微弱信號情況下也能完成檢測。

3.3 差分式中紅外一氧化碳檢測

對于差分式中紅外一氧化碳檢測儀系統(tǒng)的實際運行，實驗設計以及相關的測試主要是根據(jù)已有的實驗經(jīng)驗來進行分析。此次研究參考了隋越等人[1]的研究成果。

（1）配置在一定濃度范圍之內(nèi)的多組不同濃度的氣體樣品，得到差分信號和參考信號的比值以及與氣體濃度的關系。再結(jié)合朗伯比爾定律，計算出氣體的濃度。此次實驗室配備了濃度范圍為0～1×10-3mg/L的多組樣品。

（2）分析系統(tǒng)檢測的誤差。對實驗結(jié)果進行誤差的檢測，以此來得到樣品濃度和配備樣品濃度值，再計算出測量誤差的絕對值。在配備樣品之后，重新測試了1×10-4～1×10-3mg/L的不同氣體樣品的濃度，計算得出相對誤差的絕對值小于0.15。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。根據(jù)一氧化碳的濃度測試兩通道的電壓值，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如噪聲就會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此次穩(wěn)定性測試是根據(jù)一氧化碳的實際濃度確定電壓值，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）系統(tǒng)檢測的時間。通過時間的測試，確定出系統(tǒng)的靈敏度。時間測試是從儀器光學系統(tǒng)放置到氣室中開始計時，一直到測得濃度為氣室中樣品實際濃度值的90%時為止，所用時間就是系統(tǒng)的響應時間。在此次實驗中，可確定系統(tǒng)具有較高的靈敏度，當濃度為0×10-6ppm的時候，連續(xù)測試180s；通入濃度為2×10-4mg/L的一氧化碳樣品，確定結(jié)果穩(wěn)定；然后再保持180s的時間，通入濃度為5×10-4mg/L的一氧化碳樣品，顯示結(jié)果穩(wěn)定后，保持180s。

4 結(jié)束語

通過對紅外一氧化碳檢測儀以及差分吸收光譜檢測技術(shù)的簡單分析，詳細地介紹了差分式中紅外一氧化碳檢測儀系統(tǒng)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設備以及設計，并且對其相關的性能進行試驗。此次所設計的系統(tǒng)和采用的設備，在試驗中都取得了成功，可以確定其具有較高的靈敏度、較高的穩(wěn)定性、較低的監(jiān)測誤差，符合紅外氣體監(jiān)測的要求。