基于熱導傳感器和卡爾曼算法的氧分析儀設計*

王文蓉，彭明仔，吳黎明

（1.廣州科技貿易職業學院，廣州 511442；2.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

當前，精密氣體檢測系統的研究是熱點問題，主要應用于環境污染氣體檢測、瓦斯氣體檢測、汽車尾氣排放檢測等方面，而且這些主要只用于開關檢測，達到上限或者下限值的時刻就提示報警信息等，在精密度上要求不高；此外，在檢測氫氣、氮氣、氧氣等雙原子分析氣體時，目前采用的基于朗伯比爾定律的檢測方法難以實現，于是基于熱導傳感的檢測方法應運而生。當前熱導傳感器的熱導池還存在氣體取樣不均、環境溫度補償困難、溫漂大等相關問題[1-3]。本文針對這些問題，基于嵌入式系統，在分析現有誤差來源的基礎上，通過熱導池信號采集電路、傳感信號放大電路、大氣壓傳感器對比檢測電路、溫度傳感器電路和高精度AD 轉換電路，以及軟件算法對信號進行濾波，實現系統的精密檢測，該裝置不需要參考氣體，可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作。

1 熱導氣體檢測原理及整體設計

本設計中的熱導池采用錸鎢絲作為熱敏元件，熱導池的結構如圖1 所示。錸鎢絲的阻值會因為氣體濃度的不同而變化，設計原理就是根據測量臂樣品的濃度變化，從而改變錸鎢絲的阻值，然后通過橋臂輸出與之對應的電壓改變值，濃度不同，對應的電壓信號不同，從而實現濃度測量。

圖1 熱導池結構示意圖

系統的整體設計框圖如圖2所示。主要包含熱導池、傳感信號放大處理電路、AD轉換電路、嵌入式控制系統、大氣壓對比檢測電路、存儲電路和顯示電路等。供電系統中最主要的是給熱導池進行恒流供電，保持熱導池的穩定性。經過熱導池進行信號采集，輸出與濃度變化相對應電壓信號，輸出信號非常微弱，經過傳感信號放大電路進行處理，然后經過AD轉換，由嵌入式系統進行數據處理，然后對測試數據進行存儲和顯示。

圖2 系統整體框圖

本設計采用平面六通閥和定量閥以及長管氣路設計的方式。進氣、檢測和排氣設計在同一個平面六通閥中，定量閥確定被測樣品氣體體積，確保每次測量的體積保證高度一致；此外，被測氣體在長管中能充分地混合均勻，避免了由于濃度具有隨機性而帶來的誤差，解決了人為確定被測樣體積與濃度不均產生的精度誤差。如圖3所示。

圖3 氣路連接圖

2 主要硬件電路

2.1 信號采集與處理電路

信號采集與處理電路如圖4 所示，通過平面六通閥接入樣氣，導入熱導池進行檢測，輸出的信號采用AD8220AR 儀表放大器進行初級放大。AD8220AR 是軍用級別的放大器，具有出色的交流特性，低功耗帶寬為1.5 MHz；輸入噪聲低，壓擺率僅為2 V/μs。在此基礎上選用OPA2188進行次級放大和信號跟隨，確保信號放大到合適范圍的同時，具有較高的信噪比。

圖4 信號采集與處理電路

2.2 AD轉換電路

AD 轉換電路采用24 位ADS1248、8 通道2KSPS 模數轉換器，支持4 路差分輸入和7 路單端輸入。內部集成了2.048 V的參考電壓，10 ppm 內部溫度傳感器。使用內部恒流源時需要啟用內部電壓參考才能正常輸出；SPI為下降沿鎖存；SPI數據發送到ADS1248后需要等一段時間再把CS引腳拉高。具體的設計電路如圖5所示。

圖5 AD轉換電路

2.3 嵌入式控制系統

控制系統采用STM32F103 進行處理。具體的最小系統設計電路如圖6 所示，STM32F103 自帶SPI 通訊接口，資源豐富、處理速度快、價格低廉、下載方便，在設計過程中將測試的情況進行了說明。

2.4 數字隔離電路

設計采用ADuM7441 四通道標準數字隔離器和雙通道高可靠數字隔離器ADuM1201，電路具有可靠性高、性噪比高，六路信號通過TP9-TP14輸出，具體的設計電路如圖7所示。

3 恒溫控制

由于熱導傳感器整體的檢測精度容易受環境溫度的影響，在整個系統設計過程中設計了高精度恒溫控制系統，恒溫系統為了不受環境的影響，設置的恒溫點在48 ℃，溫度變化范圍不超過0.1 ℃。控溫效果圖如圖8所示。

4 卡爾曼濾波算法

軟件設計中最核心的部分是濾波算法的實現，本設計濾波算法采用Kalman（卡爾曼）濾波。卡爾曼濾波的原理流程如圖9 所示。Kalman 濾波器是一種線性的離散時間有限維系統。Kalman濾波器具有估計性能：使濾波后的狀態估計誤差的相關矩陣P（n）的跡最小化，因此Kalman濾波器是狀態向量x（n）的線性最小差估計。在對單一信號源濾波的場合，由于測量值與估計值具備幾乎完全相同的概率分布，為了更好地實現去噪效果，在假定被測對象變化不顯著的情況下，可以將之前（1～N）個時間節點的測量值隨機作為當前時間節點的測量值，以實現更好的去噪效果。

圖6 嵌入式控制系統

圖7 數字隔離電路

圖8 控溫效果圖

圖9 卡爾曼濾波原理流程圖

采用經典卡爾曼濾波對虛擬信號及真實信號進行濾波，結果如圖10～11 所示。從濾波結果中可以看出，經典卡爾曼對信號的濾波效果好、實時性好、計算量需求極小，能夠有效去除高斯噪聲以及非高斯噪聲，基本不受脈沖信號影響。

圖10 經典卡爾曼濾波對虛擬信號濾波結果

圖11 經典卡爾曼濾波對真實信號濾波結果

5 實驗測試

測試說明：一共有5 種氧標氣，分別為0%、1.5%、6%、12%、20.7%。具體步驟：（1）以20.7%的標氣進行標定，控制流量在煙氣分析儀正常流量范圍內，待數據穩定后，進行標定操作；（2）依次通入0%、1.5%、6%、12%、20.7%的標氣，等數據穩定后，記錄數據；（3）最后通入空氣，等數據穩定后，記錄數據，并一直通著空氣，24 h后記錄數據。

表1 實驗數據數據表

表2 實驗數據數據表

重復步驟（2）～（3），最終得到的測試數據如表1～2所示。從測試數據可以看出，裝置測試結果全部合格，線性誤差最大不超過±2%RS，飄移誤差小，測量精度達到國內較高水平。

6 結束語

本文通過分析氣體探測的現狀和熱導傳感器在檢測雙原子氣體過程中存在的問題，重點對熱導池進行了優化設計，改進了取樣氣路的設計，從源頭解決了氣體混合不均勻和取樣一致性問題。通過高精度信號處理電路和AD轉換，嵌入式控制系統進行數據濾波處理。經測試，該傳感器裝置測量精度高，線性誤差最大不超過±2%RS，飄移誤差小，測量精度達到國內較高水平。此外該裝置不需要參考氣體，可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作，為氣體探測提供了新的解決方案。