基于NDIR的紅外氣體濃度信息檢測系統*

苑隆寅

(重慶郵電大學移通學院 管理工程系， 重慶 401520)

基于NDIR的紅外氣體濃度信息檢測系統*

苑隆寅

(重慶郵電大學移通學院 管理工程系， 重慶 401520)

針對熱光源氣體檢測系統存在長期漂移和穩定性差的問題，基于非分光紅外(NDIR)氣體檢測技術，結合雙通道探測方法，設計并研制了紅外氣體濃度信息檢測系統.該系統采用雙橢球型氣室結構，可以在小空間內實現長光程，從而降低了氣體濃度檢測下限，同時引入了雙參數溫度補償方法，降低了溫度漂移對紅外探測器和硬件電路的影響，提高了系統穩定性和可靠性.采用改進型靜態配氣方法對相關性能進行測試.結果表明，甲烷氣體濃度檢測下限達到5×10-5，具有一定的實際應用價值.

非分光紅外氣體檢測； 雙通道探測； 雙橢球型氣室； 雙參數溫度補償； 甲烷氣體濃度； 熱光源； 靜態配氣； 探測下限

我國對煤炭的需求量與日俱增，采礦業的安全至關重要.近年來，由于瓦斯爆炸而引起的煤礦災害正逐步增加，已造成大量國民傷亡和巨大經濟損失[1-4].煤礦下瓦斯氣體的主要成分為甲烷，國內急需研制具有自主知識產權的紅外瓦斯檢測儀，從而可以更好地完成瓦斯檢測工作并達到預防瓦斯爆炸的作用[5].

近些年，國內外一些高等院校及科研機構針對基于NDIR氣體檢測技術的紅外CH4氣體檢測儀進行了研究.Crawford等[6]利用甲烷在1.66 μm處的二倍頻吸收峰位，使用近紅外LED作為光源，研制出一款便攜式低成本甲烷檢測儀，其最低檢測下限為10-4；中北大學的譚秋林等[7]采用單紅外熱光源雙路差分技術研制出一種高集成化的CH4氣體檢測儀，其最低檢測下限為5×10-4；Kormann等[8]在制冷條件下利用激光器光源對大氣中的CH4進行了檢測.安徽光機所、燕山大學和中科院半導體所等國內科研機構也曾采用半導體激光器作為光源對CH4氣體進行檢測[9-12].以上研究成果雖然取得了一定的進展，但是研制的儀器在最低檢測下限及穩定性方面均未達到理想效果，因而限制了其實際應用.

本文基于雙通道差分NDIR氣體檢測技術，采用雙橢球型氣室結構，可以在小空間內實現長光程檢測，并且降低氣體濃度檢測下限.同時，本文對傳統氣體吸收理論比爾朗伯定律進行了修正與擴展，引入了系統固有系數和與溫度有關的參數并進行了相應補償，提高了系統的穩定性和可靠性.本文研制出一種基于E2V傳感器的NDIR CH4檢測儀，該檢測儀的氣體濃度檢測下限可以達到5×10-5.

1 檢測原理

傳統氣體檢測理論比爾朗伯定律具有一定的瑕疵，例如光程不一定是唯一值，光源的光強不恒定，氣體吸收截面函數不僅與波長有關還可能與其他因素(如濾光片的帶寬等)有關，以及傳感器的性能可能還會隨著溫度的變化而呈現一定的改變等.基于以上考慮，本文在比爾朗伯定律基礎上進行了一定的修正與補償，最終得到一種非線性理論推導方法.具體補償算法可以表示為

I=I0exp(-aCn)

(1)

式中：I為氣體吸收后出射光強；I0為氣體吸收前入射光強；C為氣體濃度；a和n分別為檢測系統固有常量和待測氣體相關常量.這樣處理是為了減少干擾并采用雙探測器檢測，從而更精確地測量氣體濃度C的大小.

由于探測器輸出的電壓信號為一個直流分量疊加一個正弦波信號，且只有這個正弦波信號含有氣體濃度信息，因而需要經過一系列電路處理得到這個正弦波信號的峰峰值(即峰值與谷值的差值).為了方便表示，定義零點雙通道輸出信號交流分量(即峰峰值)的比值為Zero，即

Zero=V0act/V0ref

(2)

式中：V0act為主探測器輸出信號峰峰值；V0ref為參考探測器輸出信號峰峰值.

在通入待測氣體之后的信號中定義比率Ratio的表達式為

Ratio=Vact/Vref

(3)

式中：Vact為通入氣體后主探測器輸出信號峰峰值；Vref為通入氣體后參考探測器輸出信號峰峰值.很顯然當未通入待測氣體時，Ratio與Zero數值相等.

為了消除傳統依賴某一個電壓值計算氣體濃度帶來的誤差，通過電壓比率處理，可以去除探測器本身響應率不同以及雙通道運放增益不完全一致帶來的影響，起到了自補償作用.引入標準化吸收率N和標準化比率NRA，其表達式分別為

N=Vact/(VrefZero)

(4)

NRA=1-N=1-Vact/(VrefZero)

(5)

氣體跨度因子Span與N的關系可以表示為

N= 1-Vact/(VrefZero)=

Span[1-exp(-aCn)]

(6)

對式(6)進行變換，則有

Span=[1-Vact/(VrefZero)]/[1-exp(-aCn)]

(7)

NRA=1-Span[1-exp(-aCn)]

(8)

由此可以推得氣體濃度C的表達式為

(9)

通過后續實驗可以證實上述補償算法比傳統氣體吸收公式更為準確，得到的檢測系統具有更低的檢測下限和更高的靈敏度.

2 系統組成

CH4氣體濃度檢測系統的結構框圖如圖1所示.該檢測系統包括兩套隔離電源供電電路，分別為紅外熱光源的驅動電路和紅外探測器輸出信號的處理電路.由紅外寬帶熱光源和紅外熱釋電探測器組成的氣體傳感器是整個檢測系統的核心模塊.本文采用NDIR雙探測器檢測技術，兩個探測氣室分別為測量氣室和參考氣室.兩路信號同時經過前置放大與峰值檢波電路處理后將被送入模數轉換電路，將之前的模擬量轉變為數字量，對主控芯片進行數字量處理.當待測氣體濃度超過一定數值時，檢測到的電壓變化量就會超出預設值的范圍，發光二極管和蜂鳴器將同時工作，此時系統自動開啟聲光報警功能；如果待測氣體濃度在正常范圍內，測得的濃度信號、電壓值或其他穩定信息可以通過按鍵控制并選擇不同信號顯示在LCD上，以便判斷識別或預判下步工作.

圖1 CH4氣體濃度檢測系統的結構框圖

為了降低氣體濃度檢測下限，本文采用雙橢球型氣室結構，從而在小空間內實現長光程.雙橢球結構示意圖如圖2所示.

圖2 雙橢球結構示意圖

將單橢球和雙橢球氣室性能進行對比實驗，且單、雙橢球的長軸、短軸和焦距等參數均一致.通過實驗發現，雙橢球結構雖然在光強方面與單橢球相比呈現一定的衰減，但是光程卻增加了一倍，雙橢球結構在小范圍空間內可以獲得最大檢測性能，在保證光強衰減不大的前提下，雙橢球結構可以提高光程，從而降低系統檢測下限并提高系統檢測靈敏度.

3 結果與分析

3.1 新型配氣方法

根據中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會頒布的《氣體分析校準用混合氣體的制備靜態體積法》和中華人民共和國國家標準中的《氣體分析動態體積法制備校準用混合氣體》，本文采用新型配氣方法搭建了氣體實驗的配氣系統，具體氣體實驗裝備如圖3所示.

為了精確測量氣體濃度，本文采用動態與靜態相結合的方法來進行混合氣體的配制.以一個具有固定容積V的玻璃罩作為氣體配制的氣室，

圖3 氣體實驗裝備圖

(10)

式中，ΔVm為第m次注入的待測氣體體積.

對式(10)進行變換，則可得到每一次注入純CH4氣體的體積與實時氣體濃度的關系，即

(11)

利用式(11)進行配氣，即可完成從零濃度到目標濃度的氣體實驗.

3.2 系統參數確定

當確定檢測系統固有常量和待測氣體相關常量時，需要進行多組實驗，即需要多次采集不同氣體濃度下的N值.將得到的N值與氣體濃度進行擬合，可以得到相應的函數方程，具體實驗數據和擬合曲線如圖4所示.

圖4 標準化吸收率與氣體濃度對應關系及擬合曲線

Fig.4 Corresponding relationship and fitting curve between standardized absorption rate and gas concentration

由圖4通過計算可以得到a=0.242 01，n=0.660 7.通過比爾朗伯定律可知n應該等于1，但是這里得到的擬合數據為0.660 7，這是因為基本原理是建立在理想測試環境下的，但是正常實驗環境存在壓強、室溫等因素，此外周圍環境中的干擾噪聲有可能對氣體吸收光譜或硬件電路處理產生不可避免的干擾誤差，所以擬合數據不為1也是可以理解的.

3.3 溫度補償算法

氣體實驗中需要確定式(9)中N和Span的溫度補償值Nc和Spanc，對式(9)進行變換，則有

(12)

將Nc和Spanc分別引入補償方程，則有

Nc=N[1+β(t-t0)]

(13)

Spanc=Span+γ(t-t0)/t0

(14)

式中：t0為室溫；t為環境溫度；β和γ分別為N和Span的補償系數.通過氣體實驗分析系統電壓測量值UT、Vref和Vact與溫度之間的關系，再經過數字方程處理后即可得到補償系數β和γ，再與式(12)聯立即可得到氣體濃度數值.溫度補償實驗數據如表1所示.

表1 溫度補償實驗數據

由表1中的實驗數據可以得到N-1與t-t0之間的線性關系，具體結果如圖5所示.對比式(6)與式(13)可知，圖5中擬合曲線的斜率為-β，因而由圖5可知β=0.000 377.

圖5 標準化吸收率的溫度補償結果及擬合曲線

利用同樣方法對Spanc進行補償擬合，具體結果如圖6所示.圖6中擬合曲線的斜率為γ，由圖6可知γ=0.014 22.圖6中擬合曲線的截距為Span，由圖6可知Span=0.258 34.

圖6 Spanc的溫度補償結果及擬合曲線

已經得到β=0.000 377和γ=0.014 22，將之前得到的a=0.242 01與n=0.660 7一起代人式(12)可得C={-4.164 93ln[1-(1-Nc)/Spanc]}1.513 55

(15)

再對式(15)進行變換，則有

(16)

Spanc=0.258 83+0.000 711(t-20)

(17)

若已知環境溫度、Vact和Vref等數值，則可以得到待測氣體的實時濃度信息.與傳統方法相比，本文方法具有更好的穩定性和實用性.

3.4 雙通道檢測實驗

在雙通道檢測實驗中需要通過測量某一氣體濃度點下有效探測器(ADO)和參考探測器(RDO)分別輸出的電壓值，從而得到待測氣體的濃度信息.雙通道檢測實驗之前需要進行雙通道ADO與RDO輸出電壓信號對比實驗，具體結果如圖7所示.由圖7可見，當存在信號干擾時，兩個輸出端的波動是一致的，因此，ADO與RDO的輸出數據具有一定的同步性，因而可以進行一定的線性化處理.

圖7 ADO和RDO實時波動情況對比

在低于甲烷爆炸限的氣體濃度范圍內進行了41組氣體濃度實驗，具體實驗數據與擬合曲線如圖8所示.由圖8可見，擬合曲線符合數據點群分布規律，具有較好的擬合度，即雙通道實驗可以很好地降低由單通道引入的干擾，如光強的漂移和氣室環境的波動等.

圖8 氣體濃度實驗數據與擬合曲線

3.5 對比實驗結果

對低濃度下待測氣體濃度的標準值與實際值進行對比實驗.依據式(15)繪制標定曲線并反推出實際氣體濃度，再與標準配氣時的標準氣體濃度進行對比，具體實驗數據和擬合曲線如圖9所示.由圖9可見，實驗數據可以很好地擬合為線性關系，且擬合曲線的斜率為0.929 02，擬合曲線的擬合標準誤差為0.039 66.本文方法可以更精確地測量甲烷氣體濃度，且最低檢測下限與靈敏度可以達到5×10-5，相比原有甲烷檢測儀的檢測下限提高了一倍多.可見，本文提出的氣體檢測儀可以滿足人們對氣體檢測的要求.

圖9 對比實驗數據與擬合曲線

4 結 論

基于NDIR氣體檢測技術，本文以紅外熱光源、差分雙橢球型氣室和紅外探測器為核心探測模塊，在紅外氣體吸收原理基礎上擴展了比爾朗伯定律，研制出了一種紅外CH4氣體濃度信息檢測系統.該檢測系統采用改進型靜態配氣方法，CH4氣體濃度檢測下限達到5×10-5，具有一定的實際應用價值.

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(責任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英)

Infrared information detection system for gas concentration based on NDIR

YUAN Long-yin

(Department of Management Engineering, College of Mobile Telecommunications of Chongqing University of Posts and Telecom, Chongqing 401520, China)

Aiming at the problems of long-term drift and poor stability existing in gas detection system with the thermal light source, the infrared information detection system for gas concentration was designed and developed in combination with the dual-channel detection method based on non-dispersion infrared (NDIR) gas detection technology. The double ellipsoid gas chamber structure was adopted in the system, the long optical path could be achieved in small space, and thus, the minimum detection limit for gas concentration could be reduced. Meanwhile, the two-parameter temperature compensation method was introduced to reduce the effect of temperature drift on both infrared detector and hardware circuit, and to improve the stability and reliability of the system. In the experiment, an improved static gas distribution method was used to test the performances. The results show that the minimum detection limit for the methane gas concentration reaches 5×10-5. The present system has a certain practical application value.

non-dispersion infrared (NDIR) gas detection; dual-channel detection; double ellipsoid gas chamber; two-parameter temperature compensation; methane gas concentration; thermal light source; static gas distribution; minimum detection limit

2016-11-14.

國家高技術研究發展計劃資助項目(2013BAK06B00).

苑隆寅(1973-)，男，重慶人，副教授，碩士，主要從事數字資源利用與信息系統等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.13

TN 215

A

1000-1646(2017)03-0311-06

*本文已于2017-05-08 20∶25在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.014.html