非分光紅外二氧化碳濃度測(cè)量?jī)x的研究

王學(xué)水,張冉冉,池金波

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

?

非分光紅外二氧化碳濃度測(cè)量?jī)x的研究

王學(xué)水,張冉冉,池金波

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

介紹了一種非分光紅外(NDIR)CO2濃度測(cè)量?jī)x。從紅外輻射與紅外吸收的基本原理出發(fā)，以雙通道氣體吸收模型為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器技術(shù)，完成了以CO2濃度檢測(cè)功能為核心的理論分析；圍繞紅外光源和紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路，并把傳感器安裝在受保護(hù)的光路系統(tǒng)中；并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)改進(jìn)了濃度計(jì)算方法。

CO2檢測(cè);非分光紅外;紅外傳感器

0 引言

二氧化碳作為大氣中重要的組成成分在人們的日常生產(chǎn)生活中起著極其重要的作用。電化學(xué)法、色譜法、光學(xué)吸收法等CO2濃度檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有成熟的應(yīng)用，但把上述方法應(yīng)用到民用電子，受應(yīng)用環(huán)境、精度要求和成本等的限制，難以普及。非分光紅外法又稱(chēng)非分散紅外吸收分析(NDIR)，即由光源發(fā)出的光直接穿過(guò)試樣后通過(guò)濾鏡到達(dá)檢測(cè)器?；贜DIR的氣體濃度檢測(cè)設(shè)備具有穩(wěn)定性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間快以及良好的便攜性等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)基于非分光紅外原理的CO2濃度測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍為體積分?jǐn)?shù)的3%～30%(30 000 ppm～300 000 ppm)，測(cè)量電路和濃度計(jì)算方法適用于對(duì)應(yīng)的濃度測(cè)量范圍，數(shù)據(jù)擬合方式為最小二乘法。對(duì)0～5 000 ppm濃度范圍的測(cè)量技術(shù)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)研究，而5 000 ppm被認(rèn)為是人對(duì)CO2長(zhǎng)期耐受濃度的極限。本文應(yīng)用非分光紅外技術(shù)，研究了室內(nèi)低濃度范圍的CO2氣體的測(cè)量方法。

1 檢測(cè)原理

紅外CO2氣體濃度檢測(cè)技術(shù)是以朗伯比爾定律為理論基礎(chǔ)，根據(jù)雙通道氣體吸收模型來(lái)計(jì)算CO2的濃度。4.26 μm的紅外光是CO2氣體的一個(gè)吸收峰，但CO2氣體對(duì)4 μm的紅外光幾乎沒(méi)有吸收，如圖1所示。

圖1 CO2的紅外吸收峰頻率

假設(shè)4.26 μm紅外光和4 μm紅外光的初始光強(qiáng)分別為Im0、Ir0，經(jīng)CO2吸收后剩余光強(qiáng)分別為Im和Ir,由郎伯比爾定律可知：

Im=Im0e-klc

(1)

CO2不會(huì)對(duì)4 μm紅外光造成衰減，前后光強(qiáng)近似相等。

Ir=Ir0

(2)

式中，k為CO2氣體對(duì)紅外光的吸收系數(shù)，l為紅外光源到接收器的長(zhǎng)度，將式(1)和式(2)相除后再取對(duì)數(shù)[1]，可得：

(3)

于是求得濃度：

(4)

式(4)為濃度計(jì)算的基本公式，在把光強(qiáng)I轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U的電路系統(tǒng)中，滿足關(guān)系：

U1=P1Im

(5)

U2=P2Ir

(6)

P1和P2與光柵透光系數(shù)和傳感器靈敏度有關(guān)，是與系統(tǒng)相關(guān)的常量。

所以濃度計(jì)算公式可以表示為：

(7)

式中，U1為傳感器輸出的待測(cè)氣體光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓，U2為傳感器輸出的參考?xì)怏w光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓[2]，式(7)中只有U1和U2是待測(cè)量，其余都是常量。進(jìn)一步，根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，保留到三次冪：

(8)

引入中間變量x，用來(lái)表示對(duì)參考?xì)怏w電壓和待測(cè)氣體電壓作比后取對(duì)數(shù)的近似值，U1和U2越接近，近似值越接近真實(shí)值，于是得到CO2濃度的近似計(jì)算公式：

c=ax+b

(9)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及核心硬件實(shí)現(xiàn)

紅外CO2氣體濃度測(cè)量?jī)x的功能框圖如圖2所示，包括紅外光源、氣室、紅外探測(cè)器、放大電路、A/D采樣電路、LCD顯示電路和數(shù)據(jù)通信接口。紅外光源使用IRL715，波長(zhǎng)范圍從可見(jiàn)光到5μm，具有波長(zhǎng)范圍寬、可靠性高、輸出穩(wěn)定、時(shí)間常數(shù)短等優(yōu)點(diǎn)。氣室與外界環(huán)境連通，紅外輻射垂直射入氣室，一部分被氣室中的氣體分子吸收，剩余部分透過(guò)氣室到達(dá)紅外探測(cè)器。

圖2 紅外CO2濃度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖

紅外探測(cè)器選用TPS2534，它是基于熱釋電效應(yīng)的一種熱探測(cè)器。該探測(cè)器是雙通道的，兩通道上分別裝有4.26 μm濾光片和4 μm濾光片，分別是待測(cè)氣體電壓通道和參考?xì)怏w電壓通道，紅外探測(cè)器完成光強(qiáng)到電壓的轉(zhuǎn)換。探測(cè)器外接信號(hào)放大電路，經(jīng)放大后的電壓信號(hào)由A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后交由單片機(jī)處理。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置算法求出氣室中CO2濃度，該數(shù)值通過(guò)LCD顯示器顯示出來(lái)。

2.1 光路安裝結(jié)構(gòu)

紅外CO2濃度探測(cè)器輸出信號(hào)的有效性和可靠性必須以科學(xué)合理的光路安裝結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)[3]。如圖3所示，氣室外側(cè)是光路保護(hù)罩，它兩端留有紅外光源IRL715和紅外探測(cè)器TPS2534的安裝空間，但是兩者不能固定在這個(gè)保護(hù)罩上，必須以電路板為基板，將管腳焊接在電路板上。左側(cè)紅外光源的安裝空間實(shí)際是一個(gè)拋物面反光鏡，起到匯聚光線的作用。保護(hù)罩內(nèi)側(cè)涂有反光材料，對(duì)紅外線幾乎沒(méi)有吸收作用。保護(hù)罩上端的透氣紗網(wǎng)和通氣孔保證了氣室與外界環(huán)境連通，氣室中CO2濃度等于環(huán)境中的濃度，同時(shí)避免粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入氣室，對(duì)傳感器和光源起到保護(hù)作用，為系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性提供了保證。

圖3 光路安裝結(jié)構(gòu)

2.2 紅外光源驅(qū)動(dòng)電路

紅外光源IRL715的工作電壓為+3.3 V，該電壓通過(guò)可控穩(wěn)壓芯片ADP3330-3.3獲得，紅外驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，芯片的導(dǎo)通和截止由管腳6控制。單片機(jī)程序控制紅外光源發(fā)光頻率為1 Hz、占空比為50%，保證光源輸出穩(wěn)定光強(qiáng)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，方便檢測(cè)。

圖4 紅外光源驅(qū)動(dòng)電路

2.3 放大電路

紅外探測(cè)器和熱電偶一樣都是應(yīng)用了熱電效應(yīng)原理，但熱釋電傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)高于熱電偶。紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)非常微弱，測(cè)量通道和參考通道上輸出的模擬電壓通常小于3 mV，疊加在直流電壓上，在A/D采樣之前，必須進(jìn)行放大[4]。此電路中所用的運(yùn)算放大器為圣邦微電子(SGMICRO)的SGM8554，它是四通道高精度運(yùn)算放大器。

待測(cè)電壓和參考電壓放大電路如圖5所示，兩路氣體放大電路是完全對(duì)稱(chēng)的。很明顯，該放大電路是兩極放大，前后級(jí)間通過(guò)1 μF極性鉭電容實(shí)現(xiàn)信號(hào)耦合[5]，其余電容都是濾波電容，消除信號(hào)中的噪聲干擾，前后級(jí)放大電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)接近。

圖5 傳感器信號(hào)放大電路

圖6 放大后的待測(cè)電壓和參考電壓波形圖

經(jīng)過(guò)放大后的待測(cè)電壓和參考電壓波形圖如圖6所示，光路、傳感器結(jié)構(gòu)和電路組成的對(duì)稱(chēng)性使得待測(cè)氣體電壓波形與參考?xì)怏w電壓波形相近。待測(cè)氣體電壓波形會(huì)隨CO2氣體濃度的變化而有所變化，參考?xì)怏w電壓波形不隨CO2濃度而變化，電壓之比接近于1，滿足式(8)的近似展開(kāi)條件，與理論分析情形相符。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將實(shí)驗(yàn)設(shè)備組裝調(diào)試后分別置于5組濃度不同的標(biāo)準(zhǔn)濃度CO2氣體中，溫度保持25℃的恒溫，得到5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。表中的中間數(shù)據(jù)(ln(U2/U1))即式(9)中的x。

表1 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中標(biāo)記出來(lái)，得到如圖7所示的散點(diǎn)圖，從趨勢(shì)看符合式(9)。應(yīng)用最小二乘法擬合出參數(shù)，可得圖中所示方程。

圖7 最小二乘法擬合趨勢(shì)圖

圖7所示方程在高濃度范圍偏離真實(shí)值較大，會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。為了減小誤差，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，以上述測(cè)量點(diǎn)為線段端點(diǎn)，對(duì)濃度值與中間數(shù)據(jù)的關(guān)系進(jìn)行分段處理，如圖8所示。線段在整個(gè)量程內(nèi)分布均勻的前提下，線段越多，誤差越小。

圖8 分段處理擬合趨勢(shì)圖

使用圖7所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算濃度，保持25℃恒溫，改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的濃度值，得到與之對(duì)應(yīng)的儀表顯示濃度，如表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方法在低濃度CO2氣體檢測(cè)中誤差較小。

表2 標(biāo)準(zhǔn)濃度與對(duì)應(yīng)的顯示濃度

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的非分光紅外二氧化碳測(cè)量?jī)x適用于低濃度范圍的CO2濃度檢測(cè)，具體應(yīng)用于室內(nèi)CO2濃度的測(cè)量，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注實(shí)用性、便攜性、經(jīng)濟(jì)性，用非分光紅外檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)了CO2濃度檢測(cè)的理論分析和實(shí)物制作。結(jié)合雙通道氣體模型，推導(dǎo)出CO2濃度的計(jì)算公式和在低濃度范圍內(nèi)的近似公式。選用12位A/D采樣電路完成信號(hào)的采樣處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用分段處理方法改進(jìn)了濃度計(jì)算方法，減小了誤差。但外界環(huán)境的溫度變化也會(huì)導(dǎo)致紅外傳感器的輸出電壓發(fā)生變化，該誤差不能被參考?xì)怏w完全抵消，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使溫度對(duì)誤差的影響在算法上得到修正。

[1] 張軍輝,董永貴.電調(diào)制型NDIR傳感器及信號(hào)處理方法的改進(jìn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2008,48 (2): 189-191.

[2] 李靜.紅外二氧化碳測(cè)量?jī)x的研制[D].西安：西安理工大學(xué),2011.

[3] 常態(tài)華,蘇杰,田亮，等.檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用「M].北京:中國(guó)電力出版社，2003.

[4] 王學(xué)水,池金波,馬建玲.基于重力加速度傳感器的三維高斯計(jì)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(8):23-25.

[5] 孫會(huì)麗.談電容及其在模擬電路中的應(yīng)用[J].電子世界,2013(2)：34.

Research of the CO2concentration measuring instrument based on NDIR principle

Wang Xueshui,Zhang Ranran,Chi Jinbo

(College of Electronic Communication and Physics,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

A new type of the CO2concentration measuring instrument based on NDIR principle is introduced.From the basic principle of infrared radiation and infrared absorption,based on dual-channel gas absorption model,and combined with sensor technology,the theoretical analysis of CO2concentration detection function is completed as the core.The driver circuit and the signal processing circuit are designed based on infrared light and infrared detector,and the sensor is mounted in the protected optical system.And the concentration calculation method is improved based on the experimental data.

CO2detection; NDIR; infrared sensor

TH73

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.024

王學(xué)水,張冉冉,池金波.非分光紅外二氧化碳濃度測(cè)量?jī)x的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(19)：81-83,88.

2016-06-02)

王學(xué)水(1964-)，男，碩士，教授，主要研究方向：科教儀器、智能儀器儀表。

張冉冉(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：智能傳感器與信息處理。

池金波(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)檢測(cè)與處理。