基于紅外技術的全量程CO2傳感器設計

趙慶川

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

基于紅外技術的全量程CO2傳感器設計

趙慶川

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

針對工業(yè)燃煤廢氣中CO2濃度高的特點，設計了一種具有溫度和壓力補償?shù)摹⒒诜巧⒓t外檢測技術的全量程CO2傳感器。詳細介紹了電壓轉換電路、遙控及顯示電路、紅外CO2元件電路、壓力補償電路、電流輸出電路這五部分硬件電路以及傳感器的軟件流程。試驗結果表明，該傳感器具有測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定可靠、受環(huán)境溫度及壓力影響小等特點。

工業(yè)廢氣 CO2溫室效應 紅外檢測 氣體監(jiān)測 傳感器 單片機 節(jié)能減排

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，全球氣候變暖問題已引起廣泛關注。許多科學家都認為，由于溫室氣體大量排放所造成的溫室效應加劇是全球變暖的基本原因[1]。國際原子能機構的一項調查結果表明，中國CO2排放量居世界第二位，約占全球總量的13.6%[2]。我國提出，到2020年，單位國內生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%～45%。為此，環(huán)境保護部組織開展了“應對氣候變化”工作項目，開始建立我國溫室氣體排放總量統(tǒng)計制度，著力研究溫室氣體監(jiān)測技術。由此可見，在國內，尤其是重點城市，全面推進溫室氣體監(jiān)測、監(jiān)控和監(jiān)管體系的建立和發(fā)展，切實推動各領域、各行業(yè)減緩和適應氣候變化的工作勢在必行[3]。

國內外關于CO2氣體檢測方法的研究多見于大氣環(huán)境。20世紀90年代，世界氣象部門的一些組織利用非分散紅外法和氣相色譜法[4]檢測大氣環(huán)境中的CO2，還有一些學者對紅外光譜測量CO2的方法開展了研究[5-6]。隨后，國內一些研究者將非分散紅外法的應用擴展到氣象、環(huán)境和醫(yī)學領域[7-9]，開發(fā)了紅外傳感器[10]。然而，適用于燃煤廢氣中CO2濃度監(jiān)測的傳感器研究仍較少。因此，本文針對燃煤等工業(yè)廢氣中CO2濃度高、波動較大的特點，兼顧功耗和性能，設計了一種基于非色散紅外CO2檢測技術的傳感器，從而實現(xiàn)了在0～100%VOL全量程范圍內，對CO2濃度的準確、快速測量。

1 系統(tǒng)總體設計

基于紅外技術的全量程CO2傳感器原理圖如圖1所示。該傳感器主要由電源轉換電路、紅外CO2檢測電路、壓力檢測電路、遙控及顯示電路、電流輸出電路、單片機6部分組成。

圖1 全量程CO2傳感器原理圖

Fig.1 Schematic diagram of the full range CO2sensor

本傳感器選用基于PFM技術的高效電壓轉換芯片為整機供電，從而有效降低了傳感器的功耗；同時，選用高性能的光學結構氣室及信號處理電路一體化設計的CO2元件，實現(xiàn)了氣體濃度的準確測量。

本設計以微芯半導體公司的16位高性能控制器dsPIC33FJ128GP802芯片為主控芯片，該芯片帶有128 KB閃存程序存儲器，具有10路輸入通道的12位ADC轉換器、4路通道的16位DAC輸出端口，大大簡化了電流輸出電路的設計，并且有SPI、I2C、UART、CAN這4種通信模塊，便于系統(tǒng)的整體設計運用。

2 硬件電路低功耗設計

2.1 電壓轉換電路

一般工業(yè)現(xiàn)場的直流電源電壓為24 V。為降低傳感器的整機功耗、提高傳感器帶載距離，電壓轉換電路必須選用寬輸入電壓范圍、高轉換效率的電壓轉換芯片。本文選用微芯半導體公司研發(fā)的具有自動脈沖頻率調制(pulse frequency modulation，PFM)及脈寬調制(pulse-width modulation，PWM)特性的MCP16311芯片。該芯片可在最高30 V的輸入電壓源下工作，具有內部軟啟動及過溫保護功能，MCP16311能夠在PWM/PFM模式下運行，它會在輕載和高降壓轉換比條件下切換到PFM模式，這樣便可在整個負載范圍內提高效率。電壓轉換電路如圖2所示。

圖2 電壓轉換電路圖

Fig.2 Circuit of voltage conversion

MCP16311芯片的反饋電壓UFB為0.8 V，通過R1及R2的配比可知，當芯片的輸入電壓在7～30 V之間時，芯片的輸出電壓為5.5 V。通過LDO芯片MCP1703T-3302E/CB，可將芯片輸出電壓從5.5 V降到3 V，作為單片機電路、壓力補償電路及紅外CO2元件的電源。

2.2 遙控及顯示電路

遙控及顯示電路是人機接口的主要實現(xiàn)方式。本文設計的基于紅外技術的全量程CO2傳感器采用4位LED數(shù)碼管，第1位為狀態(tài)顯示位，后3位為顯示數(shù)值。數(shù)碼管采用動態(tài)驅動顯示電路設計，在保證視覺效果的同時降低了整機功耗。傳感器采用HS0038型紅外接收頭，并以單片機軟件解碼的方式識別遙控按鍵的鍵值。

2.3 紅外CO2元件電路

紅外吸收型CO2氣體元件是基于氣體的吸收光譜隨物質的不同而存在差異的原理制成的。根據(jù)比爾朗伯定律，可以通過光學結構氣室內紅外光的吸收情況推算出CO2氣體的濃度。本傳感器選用基于高性能的光學結構氣室及信號處理電路一體化設計的CO2元件，內置信號處理電路、溫度補償電路及智能處理芯片，量程范圍為0～100%VOL，最小分辨率為0.01%，非常適用于燃煤廢氣內高濃度CO2氣體的實時測量。本元件直接輸出UART數(shù)字信號，單片機可直接通過UART接口與CO2元件實時通信，讀取CO2濃度值。

2.4 壓力檢測電路設計

壓力檢測電路主要用于實現(xiàn)CO2氣體環(huán)境壓力的測量，采用NXP公司生產(chǎn)的MPX2202壓阻式硅壓力傳感器檢測壓力，測量范圍為0～200 kPa，具有±0.25%的線性度，完全可以滿足本設計的應用需要。具體電路如圖3所示。

圖3 壓力檢測電路圖

Fig.3 Circuit of pressure detection

在圖3中，MPX2202輸出的差分電壓信號Y1和Y2經(jīng)由LM358運放芯片及電阻器件組成的差分放大電路，被放大101倍，MPX2200滿量程輸出為40 mV，所以放大后的壓力信號YL的電壓范圍為0～0.84 V。故選擇REF3120芯片輸出的2.0 V電壓作為dsPIC33FJ128GP802芯片的A/D轉換參考源，保證了壓力檢測的準確度。經(jīng)過試驗室大量數(shù)據(jù)測試，得出CO2實際濃度與壓力的修正關系，從而保證了不同壓力應用環(huán)境下CO2傳感器的監(jiān)測準確度。

2.5 電流輸出電路設計

電流輸出電路的核心為XTR111芯片，該芯片是一款精密電壓-電流轉換芯片，非線性誤差為0.002%，轉換精度為0.015%，是輸出4～20 mA標準電流信號的理想選擇。輸出電流取決于VIN引腳的電壓和SET引腳對地的電阻的比率，電流輸出電路如圖4所示。

圖4 電流輸出電路圖

Fig.4 Circuit of current output

在圖4中，Uout為dsPIC33FJ128GP802芯片內置的16位DAC轉換器輸出端口之一。由XTR111芯片的特性可知，Iout=10Uout/R23，從而可以推算出輸出4～20 mA標準電流信號時Uout的數(shù)值。

3 軟件設計

基于紅外技術的全量程CO2傳感器的程序采用C語言模塊化設計。主程序主要進行單片機初始化、UART串口通信讀取CO2濃度值及人機接口響應，具體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

Fig.5 Flowchart of software

4 試驗驗證

為了測試本文設計的基于紅外技術的全量程CO2傳感器是否滿足±3%F·S的基本誤差要求，選取了3臺傳感器樣機進行試驗室測試驗證。3臺樣機全部滿足基本誤差要求。另外，還對3臺樣機進行了工作穩(wěn)定性試驗，確保其全部滿足工作60天誤差不大于±3%F·S的穩(wěn)定性要求。

5 結束語

基于紅外技術的全量程CO2傳感器設計是一個比較新的課題，是實現(xiàn)工業(yè)溫室氣體CO2排放定量監(jiān)測的重要設備。本文根據(jù)以上設計，完成了傳感器樣機的加工。試驗室測試表明，傳感器基本誤差、穩(wěn)定性等指標均符合設計要求，具有測量范圍寬、靈敏度高、響應時間快、抗干擾能力強的特點，適用于發(fā)電廠、水泥廠等燃煤工業(yè)廢氣CO2監(jiān)測場所。在節(jié)能減排的大背景下，本設計具有廣闊的推廣應用前景及較高的社會經(jīng)濟效益。

[1] 程鐘,楊龍譽,王軍霞.工業(yè)溫室氣體CO2排放監(jiān)測技術前期研究[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2013(6):11-14.

[2] 何日安.溫室氣體監(jiān)測方法的研究進展[C]//中國環(huán)境科學學會.2010中國環(huán)境科學學會學術年會論文集(第二卷).北京：中國環(huán)境科學出版社，2010.

[3] 趙敏,胡靜,湯慶合,等.溫室氣體監(jiān)測研究進展及對我國的啟示[J].環(huán)境科技,2012,25(4):75-78.

[4] 王庚辰.大氣中CO2濃度的全球監(jiān)測現(xiàn)狀[J].地球科學進展,1994,9(4):70-77.

[5] OHTAKI E.Application of infrared carbon dioxide and humidity instrument to studies of turbulent transport[J].Boundary Layer Meteorology,1984,29(1):85-107.

[6] KOZODOY R L,MICHEELS R H,HARRINGTON J A.Smallborehollow waveguide infrared absorption cells for gas sensing[J].Applied Spectroscopy,1996,50(3):415-417.

[7] 張曉春,趙玉成,乜虹,等.新型大氣CO2本底濃度紅外監(jiān)測系統(tǒng)及其測量結果的分析[J].青海環(huán)境,1998,8(4):149-152.

[8] 宋釗,萬方,陳曉婷,等.非分散紅外線氣體法測定生活垃圾填埋氣中CO2[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2008,20(3):47-49.

[9] 裴成磊,鄺俊俠,梁永健.廣州溫室氣體試點監(jiān)測站儀器維護討論[J].現(xiàn)代科學儀器,2011(1):126-128.

[10]白澤生.一種CO2氣體檢測方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(7):105-107.

Design of the Full Range CO2Sensor Based on Infrared Technology

Aiming at the characteristics of high concentration of carbon dioxide in exhaust gas of industrial coal combustion,the full range carbon dioxide sensor with temperature and pressure compensation and based on nondispersive infrared detection technology is designed.The design of five parts of the hardware circuits,including voltage converting circuit,remote control and display circuit,infrared carbon dioxide element circuit,pressure compensation circuit,and current output circuit,as well as the software program flowchart of the sensor are introduced in detail.The result of tests shows that the characteristics of sensor are wide measurement range,high precision,stable and reliable,and free from the environmental temperature and pressure.

Industrial exhaust gas CO2Greenhouse effect Infrared detection Gas monitoring Sensor Single chip microcomputer Energy-saving and emission-reduction

TH86;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612020

修改稿收到日期：2016-05-25。

作者趙慶川(1984—)，男，2010年畢業(yè)于山東科技大學測試計量技術及儀器專業(yè)，獲碩士學位，助理研究員；主要從事智能監(jiān)測儀器儀表設計及電氣控制技術、傳感器無線通信技術方向的研究。