CN102103075A - 一种气体红外线吸收检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体红外线吸收检测方法，采用红外线源(1)产生红外辐射；采用两个微型气体池作为滤波片，其中一个是氮气气体池(8)，另外一个是高浓度待测气体池(9)，用于吸收待测气体所对应的吸收谱线的所有红外能量；采用两个红外传感器(7)，其中一个用于测量透过氮气气体池和待测气体后的红外能量，得I(λ)，另一个用于测量透过待测气体池和待测气体后的红外能量，得I₀(λ)；对I(λ)和I₀(λ)进行信号处理后获得待测气体浓度。它实现了更精确的谱带过滤，能够有效的过滤干扰因素，对碳氢爆炸气体有非常好的选择性，大大提高气体红外线吸收检测精度和最低检出浓度，提高了检测的灵敏度和一致性。

Description

一种气体红外线吸收检测方法

技术领域

本发明属于非分光红外吸收气体检测领域，具体是一种气体红外线吸收检测方法。

背景技术

随着工业的迅速发展，人类接触有害气体及可燃易爆气体的场所越来越多。一次中毒或爆炸事故，使人们认识到发展工业的同时保护人类自身安全的重要性。因此各种有害气体及可燃易爆气体检测传感器渐渐成为工业安全生产中不可少的检测设备。

甲烷、一氧化碳、硫化氢、氧气等可燃、易爆碳氢气体是石油平台勘探和油船、化学品船运输等领域中重大安全事故的来源之一。因此，在这些环境中对此类易燃、易爆气体的检测是实现安全生产的一个非常重要的环节。目前市场上常用的可燃气体传感器有催化燃烧式和红外气体传感器。

催化燃烧式可燃性气体传感器采用低功耗高抗干扰型载体催化元件。它与二只固定电阻构成检测桥路。当空气中含有可燃性气体扩散到检测元件表面上，在检测元件表面催化剂作用下迅速进行无焰燃烧，产生反应使检测元件的铂丝电阻值增大，检测桥路输出一个差压信号。这个电压信号的大小与可燃性气体浓度成正比例关系。它经过放大后，进行电压电流转换并把可燃性气体爆炸下限值以内的百分含量(％LEL)转换成4-20mA标准信号输出。

此类传感器有以下几个缺点：

1、测量精度低，只有±5％；

2、传感器使用寿命短，只有24个月；

3、传感器漂移严重，每个月需要标定一次；

4、传感器需定期清理维护；

5、传感器遇到某一种气体容易中毒，失去了对可燃气体的催化作用。

红外气体传感器基于比尔定律

$\frac{I\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}=\exp [-A\left(\mathrm{\λ}\right)]---\left(1\right)$

A(λ)＝σ(λ)·C·L                                          (2)

其中，I₀(λ)为光源的发光强度，I(λ)为光源的光经过气体吸收后的透过部分强度，二者之比定义为透过率。A(λ)为吸光度，L表示光程长度，C是吸收分子的浓度，σ(λ)是在标准气体状态下，与测量仪器无关的气体碰撞展宽吸收光谱的分子吸收系数。式(2)表示吸光度A(λ)与光程长度与浓度的积CL成比例，比例常数为分子吸收系数σ(λ)。不同的分子具有不同的特征σ(λ)，因此可以通过对吸光度(或透过率)的测量获得吸收分子浓度。

红外气体传感器是利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的碳氢气体进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。内置温度传感器，可进行温度补偿。该传感器使用方便，可直接用来替代催化燃烧元件，广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。

图1是非分散红外气体传感器的原理示意图。1是红外线源，2是气体测量池，3是待测气体分子，4是红外线，5是滤波片，6是透镜，7是红外传感器。红外光源发出的辐射穿过样品池到达传感器，传感器前面放置了一个带通的滤波片，它只允许待测气体分子吸收波段范围内的辐射透过，其他波长的辐射无法进入传感器。首先在气体测量池中充满氮气(氮气对红外辐射基本不吸收)进行测量，得到光源未经吸收时的光强作为背景，这个背景相当于式(1)中的I₀(λ)。然后再把气体测量池中充入待测气体再次测量，这次测得的光强相当于式(1)中的I(λ)，由此可以得到吸光度A(λ)。气体的分子吸收系数σ(λ)和光程长度L都已知，根据式(2)就可以解出气体的浓度C。

显然滤波片透过波段越窄，其对波长的选择性就越好，越能有效的过滤干扰因素，最理想的状况是可以用滤波片选择待测气体的单条特征吸收谱线进行测量。但是目前滤光片制作技术所能达到的最小透过带宽约为200纳米，远远大于任何气体吸收线的线宽，很难完全排除其他气体的影响。现有滤光片的透过特性见图2。同时传感器只能给出滤光片透过波段内辐射的总能量，不包含任何光谱信息，无法通过算法处理把干扰成分分离出来。

此类传感器容易受到不同类型的气体干扰，测量不稳定，测量精度不高。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种气体红外线吸收检测方法，它实现了更精确的谱带过滤，能够有效的过滤干扰因素，对待测气体有非常好的选择性，大大提高气体红外线吸收检测精度和最低检出浓度，提高了检测的灵敏度和一致性。

本发明采用了如下技术方案：一种气体红外线吸收检测方法，A、采用红外线源产生红外辐射；B、采用两个微型气体池作为滤波片，其中一个是氮气气体池，另外一个是高浓度碳氢气体池，用于吸收待测气体所对应的吸收谱线的所有红外能量；C、采用两个红外传感器，其中一个用于测量透过氮气气体池和待测气体后的红外能量，得I(λ)，另一个用于测量透过碳氢气体池和待测气体后的红外能量，得I₀(λ)；D、对I(λ)和I₀(λ)进行信号处理后获得待测气体浓度。

在本发明中，它还包括温度传感器，用于探测红外传感器所处温度，对待测气体浓度进行温度补偿；所述待测气体为可燃气体，高浓度待测气体池为碳氢气体池，用于吸收3.3～3.4微米处所对应的吸收谱线的所有红外能量。所述碳氢气体池内的碳氢混合气体主要成分为甲烷和乙烷。

本发明优选方案是：所述碳氢(HC)混合气体为45％甲烷、45％乙烷和10％乙烯。

所述微型气体池的厚度为0.5cm；所述红外线源采用镍铬电热合金丝制成，由熔融石英玻璃密封作为辐射窗口；它采用自相关算法剔除测量信号中的环境背景和噪声干扰，获得高信噪比的气体浓度信号；通过测量不同浓度的标准气体，标定出气体浓度与光学密度ln(I₀(λ)/I(λ))之间的关系曲线。

本发明的有益效果：与传统的滤光片相比，传统的滤光片没有良好的选择性，在透过范围内没有针对目标气体做优化。本发明是一种全新的滤波技术，完全排除其他气体的影响。本发明根据被测气体的红外吸收特性，采用待测气体作为滤光片，对碳氢爆炸气体有非常好的选择性，用于过滤红外线源中的对HC气体敏感的光谱成分，这样可以得到一个稳定的与碳氢(HC)气体无关的背景变化。另外一个气体池充入高纯氮气，不过滤任何光谱信成分，用于测量红外光源中对碳氢(HC)气体敏感的信号。本发明提供了更精确的谱带过滤方法，其对待测气体波长的选择性非常好，甚至达到最理想的状况：用微型气体池选择待测气体的单条特征吸收谱线进行测量，有效地过滤了干扰因素，配合相应的放大滤波电路，可以更加精确的测量背景信号，提高信噪比，大大提高气体红外吸收检测精度和最低检出浓度，提高检测的灵敏度和一致性。

附图说明

图1为现有非分散红外气体传感器的原理示意图

图2为现有滤光片的透过特性

图3为本发明检测方法的原理示意图

图4为本发明中高浓度待测气体池的透过特性

具体实施方式

根据图3所示，本发明一种气体红外线吸收检测方法，它采用红外线源1产生红外辐射，红外线源1采用由镍铬电热合金，绕成的螺旋柱体电阻，外面用很薄的熔融石英玻璃作为窗口，把合金丝密封起来，其中充入惰性气体。这样处理后的红外线源1具有辐射率高、使用寿命长、防爆防尘的特点。合金丝拉制得较细，热容量很小，升温降温很快，便于频率较高的电调制。

本发明不再使用传统的窄带滤波片或干涉滤波片，而是使用微型气体池作为滤波片。在传感器前放置两个微型气体池，一个是氮气(N2)气体池8，另外一个是高浓度待测气体池9。所述待测气体池9为碳氢气体池，所述碳氢气体池内的碳氢混合气体主要成分为甲烷和乙烷。具体方案是：所述碳氢(HC)混合气体为45％甲烷、45％乙烷和10％乙烯。高浓度碳氢气体池中的甲烷、乙烷等混合气体会把所有在3.3～3.4微米处所对应的吸收谱线的红外能量全部吸收，而通过N₂池的红外能量在甲烷(CH4)的特征吸收峰是没有任何吸收的。高浓度碳氢气体池的透过特性见图4。因此两部分透射红外能量为I_N2和I_CH，利用高浓度的碳氢气体池作为滤波片，可以精确的过滤掉敏感气体的吸收谱线，形成一个“干净”的背景。

气体池用白宝石片粘合而成，形成0.5cm厚度的气室，分别充入氮气(N₂)和碳氢混合气体。碳氢混合气体主要成分为甲烷和乙烷，根据理论计算，对于绝大多数碳氢类的混合气体，0.50cm厚气室就可以吸收掉敏感谱线位置上98％的辐射能量，足以在3.3～3.4微米波段形成非常纯净的背景。这个背景包括了水汽、CO₂、环境温度辐射和光源强度变化等信息，但不包括碳氢气体的影响。

气体测量池2，设有气体出入口，用于充入待测气体。微型气体池可放置在气体测量池2之前，也可放置在气体测量池2之后。采用两个红外传感器7，其中一个用于测量透过氮气气体池和待测气体后的红外能量，即样品信号测量，得I(λ)；另一个用于测量透过碳氢气体池和待测气体后的红外能量，即背景信号测量，得I₀(λ)；对I(λ)和I₀(λ)进行信号处理后获得待测气体浓度。当光源使用4Hz、占空比50％的方波信号进行驱动，背景信号和样品信号都表现为接近正弦波，这两个信号的差别非常小，很难直接区分。二者信号经过延时电路的处理，使相位相差90°，然后利用自相关算法剔除噪声和背景等干扰，获得高信噪比的碳氢气体浓度信号。

在获得了碳氢气体(HC)浓度信号之后，需要对该信号进行温度校正。在测量时设有一个温度传感器——热敏电阻，通过对该电阻阻值的测量能够获得红外传感器的热背景变化。本发明所用气体红外线吸收检测装置的温度漂移表现为二次函数曲线，通过测量10组以上不同温度下的飘移，可以准确的获得温漂曲线，进而通过软件对测量信号进行温度校正。

获得了温度校正的测量之后，就可以对气体红外线吸收检测装置进行浓度标定。通过测量不同浓度的标准气体，标定出其浓度(％)与光学密度ln(I₀(λ)/I(λ))之间的关系曲线，因为浓度与光学密度关系不完全线性，需进行多项式拟合，得出多项式的各个系数。这些系数写入检测装置的EEPROM(可擦写存储器)中长期保存，直到下一次浓度标定，两次标定的时间间隔大约1年。

本发明具有气体浓度百分含量转换成数字信号和模拟信号同时输出的功能，数字信号通过MODBUS RTU协议RS485形式传输；模拟信号为4～20mA标准电流信号，信号传输距离远，抗环境干扰能力强，检测装置不会中毒，性能稳定，寿命长，不需要维护。可选加现场显示器，可现场设定报警值。本发明气体红外线吸收检测方法的推广会产生很好的经济效益和社会效益。本发明并不局限于可燃碳氢气体浓度的测量，广泛用于有害气体、温室气体、污染气体的工业在线测量。

Claims (9)

1.一种气体红外线吸收检测方法，A、采用红外线源(1)产生红外辐射；B、采用两个微型气体池作为滤波片，其中一个是氮气气体池(8)，另外一个是高浓度待测气体池(9)，用于吸收待测气体所对应的吸收谱线的所有红外能量；C、采用两个红外传感器(7)，其中一个用于测量透过氮气气体池(8)和待测气体后的红外能量，得I(λ)，另一个用于测量透过高浓度待测气体池(9)和待测气体后的红外能量，得I₀(λ)；D、对I(λ)和I₀(λ)进行信号处理后获得待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于它还包括温度传感器，用于探测红外传感器(7)所处温度，对待测气体浓度进行温度补偿。

3.根据权利要求1所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于所述待测气体为可燃气体，高浓度待测气体池为碳氢气体池，用于吸收3.3～3.4微米处所对应的吸收谱线的所有红外能量。

4.根据权利要求3所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于所述碳氢气体池内的碳氢混合气体主要成分为甲烷和乙烷。

5.根据权利要求4所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于碳氢混合气体为45％甲烷、45％乙烷和10％乙烯。

6.根据权利要求1至5任一项所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于所述微型气体池的厚度为0.5cm。

7.根据权利要求1至5任一项所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于所述红外线源(1)采用镍铬电热合金丝制成，由熔融石英玻璃密封作为辐射窗口。

8.根据权利要求1至5任一项所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于它采用自相关算法剔除测量信号中的环境背景和噪声干扰，获得高信噪比的待测气体浓度信号。

9.根据权利要求1至5任一项所述的气体红外线吸收检测方法，其特征在于通过测量不同浓度的标准气体，标定出气体浓度与光学密度ln(I₀(λ)/I(λ))之间的关系曲线。

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