雙量程紫外光離子化氣體濃度檢測電路設計

Design of the for Dual Range UV Ionized Gas Concentration Detection Circuit

孫玉虹1,2　高利聰1,2　梁　庭1,2　丑修建1,2

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室1,山西 太原　030051；

中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室2,山西 太原　030051)

雙量程紫外光離子化氣體濃度檢測電路設計

Design of the for Dual Range UV Ionized Gas Concentration Detection Circuit

孫玉虹1,2高利聰1,2梁庭1,2丑修建1,2

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室1,山西 太原030051；

中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室2,山西 太原030051)

摘要：大量程氣體傳感器檢出限過高，不能適應低濃度有毒有害氣體環境的檢測。為此以C8051f040單片機為核心器件，采用內部 A/D、多路模擬開關CD4053B，設計了一種雙量程紫外光離子化氣體測量系統，以實時檢測待測氣體濃度并用數碼管顯示。在計算機自動配氣系統中測試了乙烯濃度，在0～200×10-6范圍內，小量程的測試誤差≤0.02×10-6，明顯優于大量程的測試誤差≤0.3×10-6。測試結果表明，該系統解決了大量程傳感器在檢測低濃度氣體時遇到的精度低的難題。

關鍵詞：光離子化量程變換I-V轉換校準系數A/D轉換濃度計算

Abstract：The detection limit of large range gas sensor is too high to adopt the detection for low concentration toxic and hazardous gases environment. Thus, with C8051f040 single chip machine as the core and its internal ADC and multi-channel analog switch CD4053B are used to design the dual range UV photo ionization gas measurement system, for detecting the concentration of measured gas in real time and displaying the data on numerical tubes. In computerized automatic gas distribution system, it is used to test the concentration of ethylene in the range of 0~200×10-6, the test error in small range is ≤0.02×10-6, obviously better than the error ≤0.3×10-6in large range. The result of tests indicates that this system solves the low accuracy problem encountered in detecting low concentration of gas by large range sensor.

Keywords：Photo ionizationRange transformationI-V conversionCalibration coefficientsA/D conversionConcentration calculation

0引言

近年來，人們越來越重視工業衛生領域及生活辦公領域的空氣質量，目前常用的幾種檢測氣體的傳感器有熱導式傳感器(thermal conductivity detector，TCD)、氫火焰傳感器(flame ionization detector，FID)、電子俘獲傳感器(electron capture detector，ECD)、光離子化傳感器(photo ionization detector，PID)等。以高靈敏度檢測著稱的紫外光離子化氣體傳感器可以檢測濃度0.3 μl/m3甚至更低濃度的有毒有害氣體，因此紫外光離子化氣體傳感器越來越受到人們的關注[1-2]。但同小量程傳感器相比，高量程傳感器在檢測氣體濃度時分辨率會增大，達不到氣體監測要求。本文設計了雙量程數據采集機制，量程分別為0～200×10-6和0～2 000×10-6(1×10-6=1ml/m3)。通過單片機控制量程自動轉換，提高傳感器對環境的適應性。

1系統總體設計

系統的總體設計主要由五部分組成: 紫外光離子化檢測器、量程變換單元、C8051F040單片機、顯示模塊及報警電路。量程變換單元把光離子化檢測器產生的微電流信號轉換成電壓信號, C8051F040 作為核心控制器件,通過AIN0模擬輸入口對電壓信號進行采集,然后利用內部自帶的ADC 實現模數轉換,最后通過數據處理控制 LED 顯示待測氣體濃度值。

C8051F040單片機是集成的混合信號片上系統SOC，具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器。除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其他數字外設及功能部件[3-5]。其內部ADC為12位轉換精度，最高轉換速率可達100 kbit/s,而且在轉換前，有一個可編程增益放大器PGA對采集的模擬量進行放大和縮小，以滿足實際需要。

2硬件電路設計

2.1　量程變換設計

量程變換單元主要由I-V轉化電路和多路模擬開關CD4053B構成。量程變換單元如圖1所示。

圖1　量程變換單元

光離子化檢測器輸出信號是微弱的電流信號，為了信號的方便處理，必須經過I-V轉換電路轉換為電壓信號。本文采用輸入阻抗高、偏置電流小的斬波穩流放大器ICL7650 作為I-V轉換器，采用“T”型反饋網絡[6-7]。由于探測器輸出的是變化緩慢的信號，所以在轉換器后面接一個截止頻率為2 Hz的有源低通濾波器。

CD4053B是三二選一模擬開關，相當于三組單刀雙擲開關。三個數字控制輸入A、B、C 可獨立地選擇每組模擬開關刀位的導通方向。CD4053B用來控制前端放大器反饋電阻，有效地控制放大器的放大倍數，從而控制傳感器的檢測量程。本文設計的是雙量程，所以只需把一個控制輸入與單片機的I/O口相連，單片機一直同時查詢CD4053B的狀態和傳感器的輸出值，從而有效地控制CD4053B的狀態轉換。

2.2　顯示及報警電路

濃度顯示電路由數碼管及驅動電路構成。聲光報警電路由蜂鳴器、高亮度發光管及驅動電路構成。

2.3　噪聲消除

我們把屏蔽前和屏蔽后的測試數據用Matlab經過傅里葉變換后得到幅頻特性曲線,如圖2、圖3所示。

紫外光離子化氣體傳感器是通過紫外燈輻射的能量來電離氣體分子的。紫外燈的激發方式有電感耦合和電容耦合方式。本文采用電容耦合方式，其中RF電源的頻率為87 kHz,幅值為1 000 V。

圖2　屏蔽前的幅頻特性曲線

由于I-V轉換電路極易受到外界的干擾，尤其容易受到紫外燈RF驅動電壓的影響，因此我們給量程變換電路加上金屬屏蔽外殼來屏蔽外界的干擾。

從圖2可以看出，信號在87 kHz處的幅值最大，而87 kHz正好是紫外燈驅動電壓的頻率；從圖3可以看出，信號在2.1 Hz處的幅值最大，高頻噪聲得到很好的抑制。

圖3　屏蔽后的幅頻特性曲線

3系統軟件設計

系統的軟件設計包括初始化配置、A/D采樣、濃度計算等。程序采用C 語言編寫，具有編程效率高、可讀性強、便于修改等優點[8]。

主程序流程圖如圖4 所示。

圖4　主程序流程圖

單片機默認CD4053B處于小量程狀態(0~200×10-6)。當單片機檢測到傳感器輸出值達到滿量程時，系統將控制CD4053B將低一級的反饋電阻接通，并一直查詢CD4053B開關狀態。通過傳感器輸出值以及CD4053B的狀態計算出當下檢測氣體的濃度值，從而實時有效地檢測出待測檢測氣體的濃度。

3.1　校準系數

校準系數(correction factor,CF)是探測器對待測物靈敏度與探測器對校準氣體異丁烯靈敏度之比，其可以用式(1)計算得到[9]，校準系數的大小常用來調整PID直接測量某種氣體的靈敏度。

(1)

3.2　濃度計算子程序

12位采樣數據經過下式計算，就可以得到實際電壓值：

(2)

式中：Uref為ADC內部參考電壓，其值為2.43V；M為12位采樣數據。

圖5為該系統在濃度范圍為0~200×10-6和0~2 000×10-6時異丁烯的測量數據。

圖5　系統采樣值與異丁烯濃度的關系

圖5中，橫軸為異丁烯濃度，縱軸為光離子化探測器輸出信號經過A/D采樣后，經式(2)計算得到的電壓值。通過最小二乘法[10]線性擬合后的函數關系式，如式(3)、式(4)所示：

ya=0.158 3+9.548×10-3xa

(3)

yb=0.124 0+8.232×10-4xb

(4)

由于在0~2 000×10-6量程擬合曲線中，存在明顯的拐點，受光離子化技術本身的限制，在大量程時，測試數據的線性度相對低量程明顯下降，為了保證系統輸出的準確性，此量程數據采用分段直線擬合法，將測試數據分成兩段，分別用最小二乘法擬合，函數關系如式(5)所示。

(5)

由式(3)、式(5)可知，只要知道采樣電壓值，就可以計算待測物的相對異丁烯濃度。

根據式(1)，待測物的實際濃度即為其相對異丁烯濃度與CF的乘積，待測物濃度計算流程如圖6所示。

圖6　濃度計算流程圖

4實測數據

測量數據如表 1 所示。

表1　測量數據

應用該檢測系統并結合計算機自動配氣系統，測

量乙烯的濃度；并用PhoCheck Tiger便攜式VOC氣體檢測儀進行監測。輸入濃度值為PhoCheck Tiger便攜式VOC氣體檢測儀測量的值，實際測量值為檢測系統分別在兩種量程下測試顯示的濃度值。由測試數據可以看出，小量程的絕對誤差≤0.02×10-6，大量程的絕對誤差≤0.3×10-6，所以在0~200×10-6濃度范圍內，小量程的測試精度比較高，測試結果更加可靠。

5結束語

系統采用C8051f040單片機為核心器件控制模擬開關芯片CD4053B，實現了雙量程光離子化氣體濃度的檢測及顯示功能，解決了大量程傳感器檢測低濃度氣體存在高檢出限問題。經過重復測量，該系統測量精度比較高，性能可靠，可用于實際測量。

參考文獻

[1] Sevcik J,Krysl S.A photoionization detector[C]//Chromatographia,1973:375-380.

[2] 牛坤旺.高靈敏度紫外光離子化器件研究[D].太原：中北大學,2012.

[3] 馬喜順.高速SoC單片機C8051F[J].電子產品世界,2002(9):63-64.

[4] 童長飛.C8051F040系列單片機開發與C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005:548-549.

[5] 譚秋林,許姣,薛晨陽.基于C8051F040酒精濃度測試儀的研究[J].傳感技術學報,2009,22(10)：1378-1381.

[6] 魏立乾,雷升杰,方美華.輻射監測的微弱電流測量I-V轉換技術[J].儀器儀表與分析監測,2010(3):28-31.

[7] 陳濟,杜述松,呂建工，等.微電流放大與電阻性T型反饋網絡[C]//中國空間科學學會空間探測專業委員會第二十一屆學術會議論文集,2008:556-559.

[8] 邊晶瑩,李曉峰,李平周.基于FPGA的新型數字電壓表設計[J].現代電子技術,2010,33(6):185-188.

[9] 白亮.光離子化檢測器在環境應急監測中的應用探討[J]．海峽科學，2007(6)：109-1l0.

[10]張修太,胡雪惠,翟亞芳,等.基于PT100的高精度溫度采集系統設計與實驗研究[J].傳感技術學報,2010(6):812-815.

中圖分類號：TM932

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503025

國家自然科學基金資助項目(編號：51075375)。

修改稿收到日期：2014-09-23。

第一作者孫玉虹(1988-)，女，現為中北大學精密儀器及機械專業在讀碩士研究生；主要從事MEMS器件測控技術的研究。