專利名稱：新型紅外二氧化碳分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提供一種新型紅外二氧化碳分析儀，用于測量氣體中二氧化碳的含量，屬于氣體分析技術(shù)。
目前，二氧化碳(CO2)分析儀在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。二氧化碳分析儀的種類很多，就其原理來分有熱導(dǎo)式、密度計式、輻射吸收式、電導(dǎo)式、化學(xué)吸收式、電化學(xué)式、色譜式、紅外光學(xué)式等。其中，紅外光學(xué)式以其測量范圍寬、靈敏度高、精度高、反應(yīng)快、有良好的選擇性及能進(jìn)行連續(xù)分析和自動控制等特點成為二氧化碳?xì)怏w分析最常用的方法。
按照測量光束的數(shù)目分，紅外二氧化碳分析儀有時間雙光束結(jié)構(gòu)和空間雙光束結(jié)構(gòu)兩種。時間雙光束結(jié)構(gòu)具有單光源、單氣室、單探測器件的優(yōu)點，但其是大弱點是存在活動部件，調(diào)整麻煩，耐振性差，可靠性低；空間雙光束結(jié)構(gòu)無活動部件，克服了時間雙光束結(jié)構(gòu)的缺點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件多、成本高、且對加工、裝配工藝要求高。
據(jù)了解，目前國內(nèi)外紅外二氧化碳分析儀生產(chǎn)廠家均采用上述時間雙光束結(jié)構(gòu)或空間雙光束結(jié)構(gòu)。國內(nèi)的分析儀器廠多采用時間雙光束結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外現(xiàn)有紅外二氧化碳分析儀存在的主要問題如下①采用的時間雙光束結(jié)構(gòu)存在活動部件，調(diào)整麻煩、耐振性差、可靠性低、連續(xù)工作時間短。
②采用的空間雙光束結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件多、成本高、且對加工、裝配工藝要求高。
③檢測過程通常需在恒定的溫度下工作，環(huán)境溫度發(fā)生變化將直接影響紅外光源的輻射強(qiáng)度和紅外探測器件的響應(yīng)度，同時還將影響測量氣室連續(xù)流動的氣樣密度發(fā)生變化，因此，分析儀溫度性能差，一般工作幾小時就需調(diào)零一次。
目前，已有帶有溫度補(bǔ)償?shù)募t外二氧化碳分析儀出現(xiàn)(這時不要求在恒定的溫度下工作)，但其補(bǔ)償過程完全由模擬電路實現(xiàn)，且其補(bǔ)償模型是溫度t的一元函數(shù)(Δy＝f(t))。因此補(bǔ)償效果較差，測量精度低。
④分析儀未加入微機(jī)處理系統(tǒng)。
為了克服上述不足，本實用新型的目的是設(shè)計一種體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、無活動部件、可靠性高、連續(xù)工作時間長，并具有單片機(jī)處理功能的新型紅外二氧化碳分析儀。
本實用新型是一種新型紅外二氧化碳分析儀，該儀器具有一殼體(16)，在殼體(16)表面設(shè)有復(fù)位鍵(17)、二氧化碳超標(biāo)指示燈(18)、傳感器工作正常指示燈(19)、電源插座(20)、電源開關(guān)(21)、信號輸出端(22)、顯示板擴(kuò)展接口(23)及具有管接咀(5)和(15)的進(jìn)、出氣口(29)、(30)伸出的通孔(31)、(32)，該進(jìn)、出氣口(29)、(30)連接儀器的外部設(shè)備——采樣氣泵(24)。在殼體的內(nèi)部裝有光學(xué)探頭和電路板，在電路板上設(shè)有穩(wěn)流電路(27)、溫度傳感器(28)、放大電路(25)和單片機(jī)系統(tǒng)(26)，其特征在于該光學(xué)探頭主要由紅外光源(1)、測量氣室(3)和紅外探測器(8)組成，該紅外光源(1)采用鎳絡(luò)絲繞制成螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支撐，安裝在紅外光源座(13)上，紅外光源座(13)的內(nèi)側(cè)加工成一球形反射面，以增加通過測量氣室的光強(qiáng)，在紅外光源座(13)的兩側(cè)采用紅外光源上壓套(10)和紅外光源下壓套(14)及利用螺釘予以連接固定，測量氣室(3)采用超硬鋁拋光制成中空狀圓柱體，測量氣室(3)的一端設(shè)有高性能窄帶濾光片(6)，另一端采用青玉作為窗口材料形成青玉窗(2)，在測量氣室(3)上設(shè)有具有管接咀(5)、(15)的進(jìn)、出氣口(29)、(30)，在靠近濾光片(6)的一側(cè)設(shè)有紅外探測器(8)，該紅外探測器(8)由紅外探測器上壓套(7)和紅外探測器下壓套(9)通過螺釘予以連接固定，連接后的紅外光源(1)，測量氣室(3)和紅外探測器(8)置入探頭底座(4)中組成光學(xué)探頭。
使用時由采樣泵將含有二氧化碳的氣體送入光學(xué)探頭的測量氣室，二氧化碳?xì)怏w被紅外光源吸收，并被紅外探測器探測，探測后的信號與溫度傳感器信號一起送入放大電路放大后經(jīng)單片機(jī)處理輸出。
本實用新型的優(yōu)點是①從光學(xué)結(jié)構(gòu)上看，該分析儀采用的不切光單光束結(jié)構(gòu)是單光源、單氣室、單探測器件，且無光束調(diào)制元件。因此，它的主要特點是無活動部件，力學(xué)性能高，且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，功耗低。
②采用了有效的單片機(jī)溫度補(bǔ)償方法，分析儀連續(xù)工作時間長，零漂小，測量精度高。
本實用新型共有如下附圖圖1本實用新型的系統(tǒng)方框圖圖2本實用新型的光學(xué)探頭圖圖3本實用新型的穩(wěn)流電路方框圖圖4本實用新型的外觀示意圖圖5本實用新型的殼體后面板示意圖圖中標(biāo)號如下1紅外光源2青玉窗 3測量氣室4探頭底座5管接咀 6濾光片7紅外探測器上壓套8紅外探測器9紅外探測器下壓套10紅外光源上壓套11螺釘 12彈簧墊圈13紅外光源座14紅外光源下壓套 15管接咀 16殼體17復(fù)位鍵 18指示燈 19指示燈20電源插座 21電源開關(guān)22信號輸出端23顯示板擴(kuò)展接口 24采樣氣泵25放大電路26單片機(jī)系統(tǒng) 27穩(wěn)流電路28溫度傳感器29進(jìn)氣口 30出氣口 31通孔 32通孔茲結(jié)合
本實用新型的實施例及工作過程該紅外二氧化碳分析儀由紅外光源(1)、測量氣室(3)、紅外探測器(8)、溫度傳感器(28)、穩(wěn)流電路(27)、放大電路(25)、單片機(jī)系統(tǒng)(26)及采樣氣泵(24)等組成，如圖1所示。
在分析儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將紅外光源(1)、測量氣室(3)、濾光片(6)、紅外探測器(8)設(shè)置在同一光軸上，且紅外光源由穩(wěn)流電路(27)供電，供電電流為200mA。工作時，紅外光源(1)發(fā)出的4.26um波長的紅外光通過窗口材料青玉窗(2)入射到測量氣室(3)，測量氣室(3)由采樣氣泵(24)連續(xù)通以被測CO2氣體，CO2氣體被4.26um波長紅外光吸收，部分透過的紅外光由紅外探測器(8)探測。另外，由溫度傳感器(28)探測光學(xué)探頭的內(nèi)部環(huán)境溫度。紅外探測器(8)和溫度傳感器(28)的輸出電信號分別經(jīng)放大電路處理后，輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補(bǔ)償?shù)溶浖幚砗?，由單片機(jī)系統(tǒng)輸出CO2氣體濃度測量值。
紅外光源(1)采用Φ0.1mm的鎳絡(luò)絲繞制成阻值約24Ω、直徑Φ1mm、長為1.5mm的螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支承，鋼性電極與紅外光源座(13)采取陶瓷固封。同時，在紅外光源座內(nèi)側(cè)加工一球形反射面，以增加通過測量氣室(3)的光強(qiáng)。
測量氣室(3)采用超硬鋁拋光，氣室長度L＝30mm，氣室內(nèi)徑D＝8mm。同時選用了高性能的窄帶光學(xué)濾光片(6)，其峰值波長為4.26um，半寬度為0.10um。另外，為了得到較高的機(jī)械性能，選用青玉作為窗口材料形成青玉窗(2)，其厚度選為1mm，太薄了則機(jī)械性能差，太厚了則透光性能差。
濾光片(6)和青玉窗(2)與測量氣室(3)兩端接合時，采用了加墊片用壓環(huán)固定，用6109膠密封的方式。另外，為了克服單色濾光片熱系數(shù)的影響，將單色濾光片(6)放置于測量氣室(3)的后窗口(靠近紅外探測)。分析儀光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。
對于紅外二氧化碳分析儀，不論是采用時間雙光束結(jié)構(gòu)還是空間雙光束結(jié)構(gòu)，其目的都是為了實現(xiàn)測量光束與參考光束的參比處理，以消除紅外光源輻射功率及紅外探測器響應(yīng)度溫度漂移等因素，提高測量精度。對于不切光單光束結(jié)構(gòu)，它只有測量光束，不能實現(xiàn)參比處理。為此，該二氧化碳分析儀采用了如下技術(shù)
①設(shè)計并采用了高性能紅外光源反饋穩(wěn)流電路(27)。該電路提供一恒定的光源電流，穩(wěn)定紅外光源的輸出功率。紅外光源反饋穩(wěn)流電路方框圖如圖3所示，精密基準(zhǔn)電壓由MC1403輸出恒定的2V電壓作為比較器的比較基準(zhǔn)。
②選用了高性能薄膜溫差電堆為紅外探測器(8)。其主要性能如下響應(yīng)度 25.5V/W響應(yīng)度溫度系數(shù) -0.3％(0-70℃線性)NEP 5.3×10-10響應(yīng)時間 100ms響應(yīng)波長 0.13～12um溫度范圍 -40～+80℃③采用了有效的單片機(jī)溫度補(bǔ)償方法。為克服環(huán)境溫度對紅外二氧化碳分析儀測量結(jié)果的影響，該分析儀在光學(xué)探頭底座且靠近氣室的位置處放置一熱敏電阻溫度傳感器(28)，以探測光學(xué)探頭的內(nèi)部環(huán)境溫度，并由單片機(jī)系統(tǒng)(26)依光學(xué)探頭的內(nèi)部環(huán)境溫度對該分析儀的測量結(jié)果進(jìn)行環(huán)境溫度漂移的實時綜合補(bǔ)償和修正。
單片機(jī)系統(tǒng)除進(jìn)行溫度實時綜合補(bǔ)償和修正以外，還完成以下主要工作·測量信號數(shù)字濾波·測量結(jié)果線性插值·分析儀實時自檢1)溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型的建立本設(shè)計做了大量的溫度模擬實驗研究，研究結(jié)果表明，溫度補(bǔ)償量可由環(huán)境溫度t和被測二氧化碳濃度y的二元一次函數(shù)近似表示，且這種近似具有足夠的精度。溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型如下Δy＝f(t，y)＝(ay+b)(t-t0)式中t0是分析儀標(biāo)定時的環(huán)境溫度；a、b是待定系數(shù)，可通過最小二乘擬合方法由溫度模擬實驗測量數(shù)據(jù)求出。
2)溫度補(bǔ)償量的求解方法在溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型中，溫度補(bǔ)償量Δy既是環(huán)境溫度t的函數(shù)，又是被測二氧化碳濃度y的函數(shù)，而二氧化碳濃度的準(zhǔn)確值事先是未知的，因此對Δy直接求解并不容易實現(xiàn)。為此，專利申請者采用了迭代逼近方法求解，并由未經(jīng)補(bǔ)償?shù)亩趸紳舛戎苯訙y量值作為迭代初值y0，全部求解過程由微機(jī)完成。
該分析儀具體性能指標(biāo)如下量程 0～3％(可擴(kuò)展)響應(yīng)時間 1.5S(氣體流量為0.5l/min)環(huán)境溫度 0～50℃預(yù)熱時間 10min功耗 5W連續(xù)工作時間 ＞1個月精度 ≤±3％FS
權(quán)利要求1.一種新型紅外二氧化碳分析儀，該儀器具有一殼體(16)，在殼體(16)表面設(shè)有復(fù)位鍵(17)、二氧化碳超標(biāo)指示燈(18)、傳感器工作正常指示燈(19)、電源插座(20)、電源開關(guān)(21)、信號輸出端(22)、顯示板擴(kuò)展接口(23)及具有管接咀(5)和(15)的進(jìn)、出氣口(29)、(30)伸出的通孔(31)、(32)，該進(jìn)、出氣口(29)、(30)連接儀器的外部設(shè)備——采樣氣泵(24)，在殼體的內(nèi)部裝有光學(xué)探頭和電路板，在電路板上設(shè)有穩(wěn)流電路(27)、溫度傳感器(28)、放大電路(25)和單片機(jī)系統(tǒng)(26)，其特征在于該光學(xué)探頭主要由紅外光源(1)、測量氣室(3)和紅外探測器(8)組成，該紅外光源(1)采用鎳絡(luò)絲繞制成螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支撐，安裝在紅外光源座(13)上，紅外光源座(13)的內(nèi)側(cè)加工成一球形反射面，在紅外光源座(13)的兩側(cè)采用紅外光源上壓套(10)和紅外光源下壓套(14)及利用螺釘予以連接固定，測量氣室(3)采用超硬鋁拋光制成中空狀圓柱體，測量氣室(3)的一端設(shè)有高性能窄帶濾光片(6)，另一端采用青玉作為窗口材料形成青玉窗(2)，在測量氣室(3)上設(shè)有具有管接咀(5)、(15)的進(jìn)、出氣口(29)、(30)，在靠近濾光片(6)的一側(cè)設(shè)有紅外探測器(8)，該紅外探測器(8)由紅外探測器上壓套(7)和紅外探測器下壓套(9)通過螺釘予以連接固定，連接后的紅外光源(1)，測量氣室(3)和紅外探測器(8)置入探頭底座(4)中組成光學(xué)探頭。
專利摘要一種新型紅外二氧化碳分析儀，光學(xué)探頭主要由紅外光源、測量氣室和紅外探測器組成，該紅外光源采用鎳絡(luò)絲燒制成螺旋圓柱體，并由兩個鋼性電極支撐，安裝在紅外光源座上，紅外光源座的內(nèi)側(cè)加工成一球形反射面，測量氣室采用超硬鋁拋光制成中空狀圓柱體，測量氣室的一端設(shè)有濾光片，另一端形成青玉窗，在測量氣室上設(shè)有具有管接嘴的進(jìn)、出氣口，在靠近濾光片的一側(cè)設(shè)有紅外探測器，該紅外探測器的紅外光源，測量氣室和紅外探測器連接好后置入探頭底座中組成光學(xué)探頭。
文檔編號G01N21/31GK2243656SQ95215459
公開日1996年12月25日 申請日期1995年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月5日
發(fā)明者張廣軍, 呂俊芳, 周秀銀, 周浩敏, 袁梅 申請人:北京航空航天大學(xué)