２８ ・ 工业安全与环保 ２００８年第３４卷第１１期 ・ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｖｅｍ￣ｒ ２Ｏ０８ 利用ＣＯ的吸收光谱测量其浓度的装置研究 刘新跃 郭建强 （西南交通大学 成都６１００３１） 摘要 目的是实时测量工业现场ＣＯ气体浓度，采用半导体激光器扫描吸收谱线的方法，通过锁相放大器测量出谱线 的２次谐波和１次谐波的比值来计算浓度，与实验结果吻合，所设计的方案可行。 关键词 吸收光谱ＣＯ浓度 吸收线性方程激光扫描 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯ ｂｙ Ｉｔｓ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｔｕｎ ＬＩＵ Ｘｉｎ・－ｙｕｅ ＧＵＯ Ｊｉａｎ—・ｑｉａｎｇ （Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｍｒｓｉｔｙ Ｃｌ￣ｎｇｄｕ ６１００３１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｅａｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｔｈｅｌｏｃｋｉｎｇ ａｍｐｌｉｉｆｅｒｉｓ ｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅ ｒａｔｉｏｏｆｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃｔｏｔｈｅｆｉｒｓｔ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ＳＯ ＣＯ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｃａｎ ｂｅ ｃａｌ・ ｅｕｌａｔｄｏ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｐｅｃｔｒｕｍ ｄｉａｇｒａｐｈ ＣＯ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｔｙｐｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｌａｓｅｒ ｓｃａｆｌ 随着工业化进程不断加快，对钢铁的需求量与日俱增， 息。 随之而来的是工业炼钢炼铁产生的ＣＯ对环境和工业安全 根据朗伯特一比尔（Ｌａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ）定律【３】，入射光强，０ 的影响也日益严重。ＣＯ是无色、无臭、无味、有毒、可燃烧的 和出射光强，服从如下表达式： 气体，标准状况下气体密度为１．２５ ｓ／Ｌ，和空气密度（标准状 ，＝ｌｏｅｘｐ［一口（ ） ］ （１） 况下１．２９３ ｓ／Ｌ）相差很小。出于对环境保护和能源再利用 其中，，０是入射光强，，是出射光强，ｏ（ ）是在频率 时的 的需要，需在线测量ＣＯ浓度，以保证工业生产。ＣＯ的检测 吸收系统，￡为吸收路径的长度，Ｃ为待测ＣＯ的浓度。对式 方法可概括为利用电流、电位、电阻率的物理传感器，和利用 （１）进行变形得： 电化学方法来检测的化学传感器【ｌｌ。本文所研究的装置是 ｃ＝一 ｌｒＩ丢 ． （２） 利用红外激光吸收谱的方法来测量ＣＯ浓度的物理传感器。 根据式（２）就能测得ＣＯ浓度，这也是整个系统的理论 １基本原理 基础。 大气中污染物的激光光谱测量法是基于探测激光被吸 ２系统实现 收的情况进行的，分子的特征吸收起到了对污染分子的种类 ２．１硬件部分 进行识别以及对其浓度进行量化的重要作用【２】。当激光光 整个系统包括２个核心部分，一是半导体光源扫描部 源发出的光与ＣＯ的吸收波长一致时，ＣＯ就会吸收激光辐射 分，二是微弱信号的锁相放大测量部分。具体的实现框图如 能量的一部分，通过在此频率是否出现吸收峰，可以知道光 图１所示。 路中是否有ＣＯ，而其吸收的强度与ＣＯ的浓度有关，因此通 ２．１．１光源部分 过对一激光被吸收掉的能量的分析可以得到ＣＯ浓度的信 在理想化的描述中，每１条光谱线对应１个确定的频 空调系数为２０ ｍｉｎ，房子散热系数为０．０８时室温 （２）提高空调整体的性能并不能一味依靠提高空调设 为２２．３℃。比原来温度低０．７ ｏＣ。 备的性能，而应该找到合适的性能点。 可见，一味提高空调设备的性能不一定能使整个系统更 （３）提高空调机的调节系数可以缩短室温震荡的时间。 优化，而减小房子的散热系数提高隔热性能却能提高系统的 （４）提高房间的隔热性能能够提高整体的控温性能。 整体优化。这点与预测的有些出入。 参考文献 ４总结与结论 ［１］王振江．系统动力学引论．上海：上海科学技术文献出版社，１９８８． 通过在Ｖｅｎｓｉｍ下对空温系统的模拟可以得到以下 ３０—３７． ［２］贾仁安，丁荣华．系统动力学．北京：高等教育出版社，２００２。４— 结论： ３Ｏ． （１）经过一定的时间后室温能够稳定在预定值和室外 作者简介张鹏。１９８０年生，男，山东省泰安人，在读硕士研究生。主 温度之间的某一个值左右，即使给足够长的时间室温也并不 要从事矿山地压管理和安全方面的研究。 能达到预定的温度。 （收稿时间：２ＯＯ７—１１—２１） 图１半导体激光扫描测量ＣＯ浓度硬件结构 率，其光谱轮廓只用１条没有宽度的几何线来表示。实际 上，对任何１条谱线进行测量，它们总有一定的频率宽度，而 且各条光谱线的宽度也不一样【４】。因此要保证激光频率范 围内只有ＣＯ气体的吸收峰存在，否则能量的衰减并不是全 部由于ＣＯ的作用。综合考虑吸收峰强度以及吸收峰是否 与其他气体重叠等因素，将输入激光的中心频率定在１．５７ ｍ，虽然此波长附近的吸收相对要微弱一些，但是它不与 ｃｏ２及水蒸气的吸收谱相重合，这让ＣＯ的浓度可以简单地 通过式（２）计算得出。 光源发出的激光经光纤后射人待测气室，经ＣＯ吸收 后，由光电二极管接收，并将光信号转换成电信号，经信号检 测部分后送入微处理器。同时也将激光器的背光信号送入 微处理器，以作为激光输出光强的参考。 ２．１．２吸收检测 锁相放大器具有输出稳定、强有力滤除噪声的能力以及 能将深埋在噪声中的微弱信号提取出来并加以放大的优良 特性 Ｊ。实验发现光强的变化十分微弱，完全淹没在背景噪 声之中，特别是在低浓度时，传统的滤波根本不能从中提出 有用的信号，故在信号检测部分采用锁相放大技术来提取信 号。锁相放大器的结构原理如图２所示。 国２钡相放大器结构原理 设测量的原始信号： Ｙ（１）＝Ｂ（ｓｉｎ ２７ ＋ Ｉ）＋ （１） （３） 式中，，是待测信号的调制频率， ｌ是初始相位，Ｎ（１）是噪 声。 参考信号为： Ｘ（ｔ）＝Ａ（ｓｉｎ ２ ＋ ２） （４） 其中， ２是参考信号初始相位。 经过乘法器后， （ｔ）ｙ（１）： Ａ ＢＣＯＳ（ ２一 。）一 ［ＣＯＳ（４ ＋ Ｉ＋ ２）］ ＋Ｘ（Ｉ）Ｎ（１） （５） 由互关原理【６】推导知道，系统最终输出为： Ｒ（Ｉ）： ＡＢ 。。ｓ（ ２一ＰＩ） （６） 式（６）表明输出１个直流信号。因为式（６）中Ａ、 Ｉ、 ２ ・２９・ 均是已知，所以它表征了原始信号Ｙ（ｆ）的最大幅度 的大 小。 ２．２软件部分 软件部分的流程如图３所示，在系统开机后首先读取系 统的初始化信息，并从指定引脚输出指定频率的方波供硬件 部分使用，然后进入测量阶段。 图３测量软件逻辑流程 进入测量阶段后，第１步是首先检测激光器输出激光的 中心频率是否处于１．５７胛，如果不在指定频率上则调整稳 频电路，使其符合要求，并根据背光检测回路，适当地改变激 光器的驱动电流。第２步，进行Ａ／Ｄ转换，将取回的数据进 行计算处理后最后显示在装置的ＬＣＤ上。第３步，系统重新 回到开始测量的位置进行下一轮的测量。 ３实验澍试 通过如图１所示的实验装置，在压力为１０ ｋＰａ，温度为 ２５℃，体积分数为０．１％的ＣＯ气体中，实用ＲＩＧＯＬ ＶＳ５０００ 数字示波器，测试结果如图４所示。 圈４ ＣＯ气体吸收蜂测试 ４结论 本装置以微处理器为核心，利用ＣＯ对红外光的吸收原 理，组成了一套较为先进的系统，解决了ＣＯ实时在线测量 问题，经现场实验取得了预期的效果。 参考文献 【１】Ｗｅｉｄｏｎｇ Ｃｈｅｎ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ＯＮ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｓｅｘ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｍｅａ￥ｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｃｅｔｙｌｅｎｅｔｒａｃｅ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏ・ ｇＹ。２ＯＯＯ．４１：３３９—３４８． ［２］Ｒ Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔ．Ａ ｃｏｍｐａｃｔ ＮＩＲ ｉｆｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ＣＯ ａｎｄ Ｃ０２：ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ２ｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｌｉｎｅ ｓｈａｐｅｓ．Ｓｐｅ￣ｔｒｏｃｈｉｍｉｅａ Ａｃｔａ Ｐａｒｔ Ａ，２ＯＯ４，６０：３ ２９１—３ ２９８． ［３］王世平．现代仪器分析原理与技术．哈尔滨：哈尔滨工程大学出 版社。１９９９．２６—２９． ［４】徐振峰．瓦斯浓度二次谐波检测相关技术研究：［硕士论文］．太 原：中北大学． ． ［５］施风荣．锁相放大器的设计．湖南工业职业技术学院学报，２０Ｏ７，７ （３）：５６—６３． ［６］李政颖．煤矿瓦斯多通道光纤传感检测仅的研究与开发：［硕士 学位论文］．武汉：武汉理工大学，３ｌ一３２． （收稿日期；２００８—０６—３０）
