[发明专利]一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及成分检测领域，为不分光红外气体分析仪，特别是一种以DSP为核心的不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统。

背景技术

红外气体分析仪是一种根据待测气体对红外光谱选择性吸收原理设计而成，用于测量气体体积浓度的仪器。它能够连续自动地测量、指示、记录工作流程中CO、CO₂、CH₄、SO₂、NO等多种待测气体的体积浓度。由于红外气体分析仪灵敏度高、稳定性好等诸多优点，因此被广泛应用于电力、石油、化工、建材、轻工及其它各种炉、窑或烟道的气体分析，是环境监测、生物工程、医疗卫生等科研工作不可或缺的检测工具。

红外光线是一种电磁波，红外辐射主要是热辐射。如果将红外光线射入一定厚度的待测气体层，红外光线的能量就会被待测气体吸收。根据朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律，待测组分按照指数规律对红外辐射能量进行吸收，如式(1)所示。据此，可以确定待测气体浓度与红外光线辐射强度的数学关系。采用检测器检测被气体吸收之后的红外光线辐射强度，即可计算出待测气体的体积浓度。

I＝I₀e^-kol       (1)

式中，I₀为红外光线被气体吸收前的光强度；I为红外光线被气体吸收后的光强度；k为待测组分对红外光线的吸收系数；c为待测组分的摩尔百分比浓度；l为红外光线经过的待测气体层长度。

近代物理学研究证明，待测气体对红外光线吸收现象的实质在于光辐射的能量转移到气体的分子或原子中去。量子理论指出，原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的量子化能级。如果从外界吸收到能量，它们便会受到激发，从较低能级跃迁到较高能级，跃迁前后的能量之差为

E2-E1=hv=hcλ---(2)]]>

式中，E₂为较高能级的能量；E₁为较低能级的能量；v为辐射光的频率；c为光速；h为普朗克常数。

如果某一波长的电磁辐射的能量恰好为某两个能级的能量之差E₂-E₁时，便会被某种粒子吸收并产生相应的能级跃迁，该电磁辐射的波长和频率分别称为该粒子的特征吸收波长和特征吸收频率。对于红外气体分析仪来讲，每种被测气体都有一种或几种特征波长的红外光谱。

红外气体分析仪一般由光路部分和电路部分构成。光路部分主要由红外辐射光源、气室和检测器三大部件组成，而电路部分要根据光路部分的需求来进行设计。所以，红外气体分析仪一般都是根据其光路部分部件的结构特点进行分类的。根据光源类型可以将红外气体分析仪分为分光型（色散型）和不分光型（非色散型）两类。分光型红外气体分析仪，采用分光装置将入射红外光线的光谱进行分离，使入射光谱为待测气体的特征吸收光谱。分光型红外分析仪具有选择性好、灵敏度高等优点。其缺点是入射红外光线经过分光后能量很小，对电气系统和光能检测器要求较高；分光装置比较精密，应避免震动。因此传统的分光型红外气体分析仪大都用于实验室。不分光型红外气体分析仪(简称为不分光红外气体分析仪)，没有分光装置，连续光谱的红外光源直接射入气室，待测组分吸收各自特征光谱的红外辐射能量。由于入射光束辐射能量大，不分光型红外气体分析仪灵敏度相对于分光型的更高，而且信噪比高，稳定性好。缺点是吸收峰存在重叠现象，如果待测组分间有重叠的吸收峰，将会给测量带来干扰。

目前，红外气体分析仪常用的光能检测器主要有薄膜电容检测器、微流量检测器和半导体检测器等。