总有机碳分析仪CO2检测算法分析

　　总有机碳分析仪工作流程的核心问题就是有机物的高效转化和CO2 的精确检测．对于前者，主要是高效催化剂 材料和结构的研制；对于后者，主要是选择合适的总有机碳分析仪检测算法以降低误差及获得真实的CO2浓度信号．

　　NDIR 检测器由广谱红外光源、流通气室、双元热释电检测器和电路组成．双元热释电探测器前配置透射波长分别为4．3，4．0μｍ 的滤光片，4．3μｍ 滤光片用于检测经 CO2吸收后的光功率犐T，4．0μｍ滤光片用于监测光源输出功率犐0．利用比值犐T／犐0 来分析CO2 浓度，可以消除信号电压值易受光源输出 功率以及电路放大倍数波动的影响导致CO2 浓度测量误差的一个重要因素，是载气不纯引起的仪器基线偏移（一般为上移）．碱石灰 是氢氧化钙与氢氧化钠（或钾）的混合物，极易吸收水分和二氧化碳．因此，可以在载气气路（石英管之前）加入碱石灰来消除载气中的CO2，从而消除载气不纯引入的误差．

　　影响CO2 浓度测量的另一个关键问题，是气体经过NDIR模块时流速不稳．这包括载气不稳，测量 时载气流速与建立工作曲线时流速不一致（不妨定义为流速设置不当），管路堵塞引起的流速变化，以及水样滴落到石英管内催化剂上时，水样在高温下迅速汽化导致流速快速变化．同时，由于混合气体在流过后续管道的过程中，CO2 具有扩散行为，NDIR模块检测到的并不是一个理想的脉冲信号.利用邻苯二甲酸氢钾（KHP）配置的TOC浓度为40ｍｇ•L－1水样进行实验，NDIR模块输出信号，如图2所 示．图2中，实线表示NDIR 模块原始测量数据；点划线为ＳＧ算法平滑处理所得的曲线，SG算法实际上是利用最小二乘法对数据进行卷积平滑；虚线为利用快速傅里叶变换算法进行低通滤波得到的平滑曲线；点线表示NDIR测量数据的高斯拟合曲线．由图2可知：NDIR 模块输出信号有较大的噪声，通过直接取曲线峰值（即曲线最大值）来衡量CO2 浓度会有很大的偶然误差．

　　这说明SG算法和FFT低通滤波都能实现曲线降噪平滑，NDIR模块输出信号中的噪声主要是电路的高频噪声．对经FFT低通滤波降噪平滑处理后的曲线取最大值，就可以得到CO2 的浓度，称之为峰高法．对TOC浓度为40ｍｇ•L－1的水样进行6次实验，相对标准偏差为 2．14％，说明峰高法能够满足行业标准．对信号波包进行高斯拟合是信号处理常用方法．由图2可知：NDIR模块原始测量数据狌（狋）并不符合正态分布，实测信号上升较快，并存在一定的拖尾现象．这主要原因是水样在高温下迅速汽化导致流

　　速快速变化以及CO2 在气路中的扩散混合．如果将狌（狋）对时间狋进行积分，即根据信号波包的面积来 分析CO2 浓度，在气路不稳时会存在较大误差．一个可能的改进方案是在NDIR模块前配置流量传感 器，以测量CO2 和载气混合气体到达NDIR模块时的流速狏（狋），单片机将狌（狋），狏（狋）对时间狋进行积分 来分析CO2 的浓度，这样能消除流速不稳的影响，并且对所有经过NDIR模块的CO2 都进行了测量和 计算，原则上精度应该更高，但是一个质量流量计价格在数千元，这将极大地提高TOC分析仪的价格．

　　由于NDIR的输出信号不是高斯分布，FFT平滑相比高斯拟合保留了更多的细节，能较好地体现NDIR信号的真实分布［15］，同时考虑到单片机的程序复杂性和计算时间［16］，本仪器初步选用了速度较快、普适性强的FFT算法进行信号平滑降噪；然后，取平滑曲线峰值来检测CO2 浓度．这样既避免了气体流速 波动的影响，并具有较低的成本，更易于TOC分析仪的推广普及．