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在线气体检测仪设计的理论基础与思路

发布时间: 2021-01-26  点击次数: 70次

在工业生产中,电力、煤炭以及石油化工行业产生大量的易燃、易爆、有毒有害的气体,对这些有害气体进行及时且精确的监测和预报是许多企业安全生产中的重要一环[1]。由于这些气体在多数情况下成分复杂,对某种单一的气体进行监测有着很多的局限性,所以越来越多的行业和部门需要多通道的在线检测仪器。

    在线检测技术的主要应用是在线气体检测仪和水质检测仪。其中在线气体检测技术应用范围广、发展快,技术也比较成熟,主要应用在流程工业、环境检测和其他领域。现随着我国经济的发展及科技的进步,已开发了许多在线监测仪设备,并且在产品结构设计、信号处理、干扰补偿和嵌入式系统方面缩小了与检测仪器水平的差距。但在功能、自动化水平、可靠性、精度等方面与国外技术仍有较大的差距,特别是在技术产品上的差距更大。以新型数字式传感器组成的检测仪器、有毒易爆类气体检测仪器还不常见,不少旧产品的技术更新缓慢。所以为在分析检测仪领域弥补与国外的差距,研发新一代的智能化多通道在线气体检测仪成为必要的任务。

1.1 在线红外光谱检测技术的应用

    在各种在线光谱分析技术中,对中红外(2.5~15 μm)的光谱分析成熟,这也是目前应用广泛的在线气体分析技术。中红外光谱是在线光谱分析常用的波段,例如非分光气体分析仪(NDIR)常选择的特征波长为1~15 μm。各种气体的吸收光谱比较复杂,其中CO为4.66 μm,CO2为4.27 μm,CH4为3.33 μm,SO2为7.30 μm等。非分光红外气体分析技术是在线分析应用成熟的技术,已经开发出了多种红外气体分析仪。

1.2 传感器简介

    传感器采用半导体光源,能发出4.26~9.67 μm波长范围的红外光,基本包含了常见气体的特征吸收带。除此之外,该光源具有功耗低、热稳定性好和抗氧化能力强的特点。传感器气室部分的基本结构包括光学系统、电路测量系统、信号放大系统和模数转换系统。在工作时,左侧光源发出红外光,通过窗口透明玻璃射入气室,同时将待测气体通入气室,气体吸收特定波长的红外光,气室内部设置了参考和测量通道,分别对应着相应的检测装置,其中参考测量通道通入零气,用于对传感器的零点标定。而测量通道通入检测气体,其电压值与气体浓度值呈线性关系,因为测量装置输出的电压信号只有毫伏级别,因此,还必须对其进行适当放大。

1.3 整体设计思路

    根据总体的功能要求,对检测仪的整体结构进行了设计,基于模块化的设计原理,可将整个检测平台分为气体主控制器、传感器、信号调理、通信、控制以及人机交互6个模块,检测仪各模块间的流程框图,气体经预处理装置通入传感器中,传感器采集气体浓度值,进行信号调理后送入主控制器中,主控制器对数据进行处理,并进行通信和控制操作。同时,为方便用户从设备获取需要的信息以及直接发送指令操作仪器,增加了人机交互模块。

 

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