紅外氣體分析儀控制系統設計

滕加莊　于東林

（吉林化工學院機電工程學院，吉林 吉林 132022）

紅外氣體分析儀控制系統設計

滕加莊于東林

（吉林化工學院機電工程學院，吉林 吉林 132022）

本文對紅外氣體分析儀的組成和工作原理進行了介紹，對紅外氣體分析儀的控制系統進行研究設計，設計的控制部分分為五級電路，依次為訊號采集、訊號放大、反饋電路、濾波和訊號輸出電路。該分析儀控制系統設計經實踐證明，可靠性好，分析精度高。此次分析儀的控制設計，對分析儀的新產品開發和儀器故障診斷有著重要的指導意義。

紅外線；氣體分析儀；檢測；控制系統

紅外氣體分析儀廣泛應用于電力、石油、化工、建材、輕工及其他各種爐窯或煙道的氣體分析［1］，如小型燃燒系統的操作優化；檢測燃燒系統廢氣排放濃度；監測水果貯藏間，溫室，地窖及倉庫的空氣狀況；檢測易燃易爆危險氣體濃度等。它是環境監測、生物工程、醫療衛生等科研工作必不可少的檢測工具。

1　組成及工作原理

紅外氣體分析儀主要由光路系統、檢測器、濾波器室、切光裝置、參比電機和控制電路構成［2］。

1.1光路系統

光源通過反射鏡后成為兩束能量相等的平行紅外光束，兩束能量相等的紅外光分別通過參比氣室和工作氣室后能量就不再相等了，參比氣室內充氮氣不吸收紅外光能，而工作氣室內通以被測氣體，吸收一部分紅外光能后固通能量就變小了。從而使到達檢測器接收室的能量存在一定的差值。利用檢測器把此差值轉變成電訊號，便可測出氣體的濃度［3］。

1.2檢測器

檢測器是一個電容微音器，它是儀器的關鍵部件，是利用中間的薄膜電容器作為其中的一個電極，與另一個固定電極之間相隔一個很小的距離。

1.3濾波氣室

為了消除重疊干擾，除了保證充入檢測器內的氣體具有極高的純度外，通常的方法是加裝濾波室或濾光片［4］，在濾波室內充以干擾氣體，使干擾氣體所對應的那些波長的紅外光在到達檢測器之前就被吸收掉，以消除干擾氣體對檢測器的影響。濾光片則是只讓待測組分對應的那段波長紅外光通過，其他波長的紅外光被大大衰減。濾波室通常固定在氣室與檢測器之間的光路上。在光路上密封，而透光的窗口是氟化鈣晶片制成的。

1.4切光裝置

在切光源與氣室裝有同步馬達帶動的切光片，其轉動頻率為6.48周/s。

1.5參比電機

為了使整流元件工作在線性段，利用參比電機產生一個與訊號同頻率的參比電壓加載到整流器作同步整流，參比電機由一個四級磁鋼轉子和四個繞組組成［5］。轉子由同步電機帶動，與切光片同軸旋轉，以保證參比電壓與訊號電壓頻率完全相同，參比電機的輸出電壓約5～7V。

紅外線氣體分析整機原理如圖1所示。

圖1　紅外線氣體分析儀原理圖

2　電路設計

本次設計的紅外線氣體分析儀分為五級電路，依次為訊號采集、訊號放大，反饋電路、濾波和訊號輸出電路。

2.1訊號采集電路設計

訊號采集電路作為分析儀前置級，選用圖2所示原理電路，它是具有選頻能力的超低頻放大器［6］，有四級三極管放大和二極陰極輸出，G1為前置級，G2左邊三極為第一級放大，右邊三極為雙T網路陰極輸出，G3左邊三極為第二級放大，右邊為第三級放大，G4左邊三極為第四級放大徑直接交連至右邊三極作陰極輸出，經同步半波整流后由指示表指示。

前置級是整流放大器的輸入級，用來放大從高阻抗訊號源（電容微音器）輸出的微弱信號，采用陰極輸出，將高阻抗變成低阻抗和后級放大相匹配，因此前置放大實際上是一個阻抗變換器，它的信號源（檢測器）是一個容量變化的電容器，故需要加上一個固定的直流電壓（極化電壓）才能工作［7］，如圖2，圖中R8、R5、C1、C6均是為了增加該級直流電壓的穩定性及把波紋減到最低而設置的；R1、R2組成分壓網絡，分出100V的電壓再經R3、C2組成的濾波器作極化電壓（B點）。

圖2　前置級

在檢測電容器容量不變化和B點極化電壓非常穩定的情況下，電容器兩端充電成為正、負電極。高阻R6上沒有電流也就沒有電壓降，6C1柵極也就沒有變化符號，但當檢測器兩端能量不等時，產生的差壓迫使電容量按切光片的調制頻率而變動，電容變小就放電，變大就充電，這個電流流經R6便產生一個微弱的電壓降，在柵極就得到變化的訊號。

2.2訊號放大電路設計

訊號放大電路作為第二級，采用電流負反饋式三極放大電路，如圖3所示，C3為高頻旁路電容，C4是輸入交連電容器，R9、R10組成一衰減器，改變R9的阻值便可改變整機增益，R11是屏蔽負載電阻，R13是陰極電阻，起負反饋作用，使工作穩定并降低噪音。R12、C6起退交連作用。

圖3　放大電路

第二級為一普遍的三極管放大，雙T帶阻濾波網路接入反饋回路中，形成一個選頻放大器，如圖4所示。

圖4　選頻放大器

雙T濾波器是由兩組T形濾波器組成［8］，其特征頻率f0=1/2πRC=6.48周/s，雙T網對6.48周則呈現很大的阻抗，其傳輸系數B=0，而對f0以外的各頻率其阻抗很小，傳輸系數可達到1，如圖5所示。

圖5　傳輸特性

圖6　輸出特性

把傳輸特性網路加到負反饋回路之上，使得6.48周/s訊號頻率由于阻抗大而反饋量最小，大于或小于6.48周/s的訊號均得到不同程度的反饋衰減，且離主頻率越遠衰減越大，特性曲線如圖6所示。

此分析儀放大器采用的雙T網路對50周/s的訊號，可衰減80～100倍。圖4中C9、C10、R17和R15、R16、R11組成雙T濾波器，此回路由C8隔斷直流，經6N2作為陽極輸出以提高雙T網路的阻抗并使反饋更加穩定。R24是屏極負載，R25是柵漏電阻，C12是輸出交聯電容，R26、C13是陰極電阻及旁路電容，K1（步進開關）和R18-R23組成一組6檔粗調衰減器，相鄰檔之間改變放大量為2：1正常測量時儀器在指定檔工作。

2.3反饋電路設計

反饋電路作為第三級，輸出端由交聯電容C14、電位器W1及R30組成微調衰減器，如圖7所示，它可以把訊號衰減到原來的1/3左右，這樣它的變化范圍能很好地覆蓋粗調衰減器的每檔，兩者相互配合，可使整機的靈敏度均勻地連續調節，達到所需要的靈敏度值。此電位器W1及R30同時也是下級三極管的柵漏電阻，故當電位器接觸不良或斷路時，會影響整機的正常工作，此外R27是柵極串聯電阻，R28是屏極負載電阻，R29是陰極電阻。

圖7　衰減器

圖8　濾波和輸出電路

2.4濾波與訊號輸出電路

把濾波和輸出電路兩級相連，簡化設計。電路由6N1雙三極管組成，兩級直接交聯，末極陰極輸出，如圖8所示，C16旁路電容，把剩余的諧波短路，使輸出波形更圓滑，C15、R32均是反饋元件，C15起防止寄生振蕩作用，R33、C18組成濾波器起退耦作用，R37為陰極電阻。

3　結論

本文通過對紅外氣體分析儀的采集電路、放大電路、反饋電路、以及濾波和輸出電路五級控制電路進行了模塊設計，明晰了一般分析儀的控制設計過程與方法。該分析儀控制系統設計經實踐證明，可靠性好，并易于分析器件精度。本文的分析儀控制設計，對分析儀的新產品開發和儀器故障診斷有著重要的指導意義。

［1］陳桄紅，徐科軍，陶波波，等.不分光紅外氣體分析儀信號處理與控制系統研究與設計［J］.電子測量與儀器學報，2013（11）：1040-1046.

［2］張永懷，白鵬，劉君華.紅外氣體分析器［J］.分析儀器，2002（3）：36-40.

［3］張堯海，王復興.便攜式固態紅外氣體分析儀［J］.紅外研究，1982（3）：233-236.

［4］張達，陳美美，謝經勇.紅外氣體分析儀在高爐噴煤系統的應用［J］.科技資訊，2008（07）：7.

［5］田勇志，劉建國，闞瑞峰，等.一種用于渦度相關系統的新型開路紅外氣體分析儀的研制［J］.激光與光電子學進展，2012（10）：1-5.

［6］楊斌，何小剛，牛昱光.基于數字信號處理的紅外氣體分析儀［J］.科技情報開發與經濟，2007（6）：196-197.

［7］劉玉川，何小剛.紅外氣體分析系統的分析與設計［J］.科技情報開發與經濟，2007（30）：178-179.

［8］張永懷，張進永，劉君華.智能紅外多組分氣體分析儀［J］.測控技術，2004（5）：9-13.

Control System Design of Infrared gas analyzer

Teng JiazhuangYu Donglin
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022）

In this paper，the composition and working principle of infrared gas analyzers were introduced，and the control system of infrared gas analyzer was researched and designed.The control section of this design is divided into five circuit design，including signal acquisition，signal amplification，feedback circuit，filtering and signal out?put circuit orderly.The analyzer control system design was proved to have good reliability and high analysis preci?sion through practice.The controlling design of this analyzer will have great guiding significance for new product development and fault diagnose of analyzer.

Infrared；gas analyzer；testing；control system

TP2

A

1003-5168（2015）05-0048-3

2015-4-18

滕加莊（1979-），男，碩士，講師，研究方向：數字化制造與分析研究。