基于紅外吸收的有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

宿筱

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博255049）

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，各種有害氣體的排放對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然環(huán)境和日常生活的影響越來(lái)越嚴(yán)重，已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。局部環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有害氣體濃度過(guò)高，將嚴(yán)重危害人們的身體健康。因此，對(duì)某些特定區(qū)域內(nèi)有害氣體濃度的監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。與傳統(tǒng)的氣體濃度測(cè)量方法相比，紅外吸收光譜法具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)多組分氣體濃度的同時(shí)測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)在紅外吸收光譜氣體濃度檢測(cè)技術(shù)方面還處于起步發(fā)展階段，大多數(shù)測(cè)量?jī)x器仍選用鎳鉻絲作為紅外光源，采用機(jī)械方式調(diào)制紅外光，存在穩(wěn)定性差、使用壽命短、對(duì)震動(dòng)敏感等缺陷[1-2]。

本文設(shè)計(jì)的有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用新型脈沖調(diào)制紅外熱輻射光源，高精度干涉濾光片一體化熱釋電紅外探測(cè)器，DSP智能控制處理系統(tǒng)等，可在線監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中CO、CO2、CH4的濃度，具有自動(dòng)顯示、越限報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1 紅外吸收光譜檢測(cè)原理

紅外吸收光譜法是利用物質(zhì)對(duì)紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析的方法。根據(jù)紅外理論，許多化合物分子在紅外波段都有一定的吸收峰，吸收峰的強(qiáng)弱及所在波長(zhǎng)由分子本身的結(jié)構(gòu)決定，氣體分子的吸收峰主要分布在1μm～25μm波長(zhǎng)的紅外區(qū)[3]。如CO、CO2、CH4分別在4.66μm、4.26μm、3.46μm有一個(gè)吸收峰。當(dāng)紅外光通過(guò)氣體時(shí)，氣體分子吸收光能量，在相應(yīng)的波長(zhǎng)處就會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)的衰減，而衰減程度與氣體濃度的高低有關(guān)，其關(guān)系服從Lamber-Beer定律，如式（1）所示。

式中：I0為入射光強(qiáng)度；I為出射光強(qiáng)度；K為氣體吸收系數(shù)；C為氣體濃度；L為紅外光透過(guò)氣體的長(zhǎng)度。

氣體吸收系數(shù)K取決于氣體特性，不同氣體的吸收系數(shù)互不相同，對(duì)同一種氣體，K是吸收峰波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)待測(cè)氣體種類(lèi)一定時(shí)，K為一定值。當(dāng)L一定時(shí)，只需測(cè)量出射光強(qiáng)度I，即可確定待測(cè)氣體濃度。由于光強(qiáng)易受外界環(huán)境的影響且不方便測(cè)量，因此，需要利用熱釋電紅外探測(cè)器將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的間接測(cè)量。

系統(tǒng)采用單光源4波長(zhǎng)的檢測(cè)方法，紅外光源發(fā)出的紅外光通過(guò)測(cè)量氣室內(nèi)的光學(xué)反射系統(tǒng)入射到熱釋電紅外探測(cè)器上，探測(cè)器設(shè)置4個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)單元，其中：3個(gè)測(cè)量單元，1個(gè)參考單元。每個(gè)單元上安裝窄帶干涉濾光片，測(cè)量單元濾光片的透射中心波長(zhǎng)分別與待測(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，而參考單元濾光片的透射中心波長(zhǎng)則遠(yuǎn)離待測(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng)。紅外吸收光譜檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 紅外吸收光譜檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

熱釋電紅外探測(cè)器檢測(cè)單元的輸出電壓信號(hào)可表示為：

式中：G1、G2、G3、GR分別為各測(cè)量單元和參考單元的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

該系數(shù)與光源特性、濾光片的透射效率、探測(cè)器的響應(yīng)及環(huán)境溫度有關(guān)。對(duì)同一探測(cè)系統(tǒng)，在相同的使用條件下，每個(gè)測(cè)量單元與參考單元的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的比值為常數(shù)。只需測(cè)得各單元的輸出電壓，由式（6）～（8）即可確定待測(cè)氣體的濃度值。這樣的測(cè)量方法，可以消除由于光源衰減及溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以DSP為控制處理核心，由光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、紅外吸收檢測(cè)模塊、放大濾波及檢波整流電路、通信接口、鍵盤(pán)、LCD顯示和電源模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 DSP芯片的選擇

DSP是整個(gè)系統(tǒng)的控制處理核心部分，直接影響硬件和軟件的設(shè)計(jì)，選用TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，具有以下特點(diǎn)：最高工作頻率150 MHz，32位處理器，可實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的算法任務(wù)。擁有豐富的片內(nèi)資源，片上Flash、ROM、RAM、定時(shí)器、增強(qiáng)局域網(wǎng)絡(luò)eCAN，12位16通道片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。支持TI的ex-pressDSPTM實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)，TMS320DSP算法標(biāo)準(zhǔn)，CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，為軟件開(kāi)發(fā)提供了便利條件。

2.2 紅外吸收檢測(cè)模塊

紅外吸收檢測(cè)模塊包括：紅外光源、氣室、熱釋電紅外探測(cè)器。紅外光源及熱釋電紅外探測(cè)器安裝在內(nèi)壁光潔的鍍膜氣室內(nèi)，氣室開(kāi)有帶防塵罩的氣孔，以便使氣體自由擴(kuò)散。氣室內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，使光源發(fā)射的紅外光經(jīng)反射后入射到熱釋電紅外探測(cè)器上，以增加光程，提高檢測(cè)分辨率。

紅外光源采用新型脈沖調(diào)制紅外熱輻射光源MIRL17-900，以無(wú)定形碳材料作為多層熱電阻薄膜，通過(guò)電流后發(fā)熱產(chǎn)生紅外輻射，其光譜輸出范圍是1.0μm～20μm，完全覆蓋待測(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng)。具有使用壽命長(zhǎng)、發(fā)射效率高、熱容量小等優(yōu)點(diǎn)[4]。用MIRL17-900取代由傳統(tǒng)紅外光源、切光片和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的光源系統(tǒng)，使得光源系統(tǒng)中沒(méi)有可動(dòng)部件，增強(qiáng)了穩(wěn)定性和可靠性。

熱釋電紅外探測(cè)器是系統(tǒng)的核心器件，采用高精度干涉濾光片一體化熱釋電紅外探測(cè)器TPS4339，該探測(cè)器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)多組分氣體檢測(cè)而設(shè)計(jì)的新型熱釋電紅外傳感器，包括3個(gè)測(cè)量單元、1個(gè)參考單元和用于溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)溫單元。3個(gè)測(cè)量單元的濾光片透射中心波長(zhǎng)分別為：4.66μm、4.26μm、3.46μm與待測(cè)氣體CO、CO2、CH4的吸收峰相對(duì)應(yīng)，參考單元的濾光片透射中心波長(zhǎng)為3.93μm，遠(yuǎn)離被測(cè)氣體的吸收峰，參考單元的光譜不能為被測(cè)氣體所吸收，只反映光源的光強(qiáng)信息，TPS4339通過(guò)各單元濾光片將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。濾光片與探測(cè)器的一體化結(jié)構(gòu)，使其具有體積小、穩(wěn)定性好及調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路

熱釋電紅外探測(cè)器只響應(yīng)變化的光強(qiáng)，而對(duì)于穩(wěn)定的光強(qiáng)，其輸出信號(hào)為恒定值。因此，在使用熱釋電紅外探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需對(duì)紅外光源進(jìn)行一定頻率的調(diào)制[5]。根據(jù)MIRL17-900及TPS4339使用手冊(cè)中，光源光強(qiáng)及紅外探測(cè)器響應(yīng)隨調(diào)制頻率的增加而下降的關(guān)系，設(shè)置光源調(diào)制頻率為2 Hz。2 Hz方波調(diào)制信號(hào)由TMS320F2812定時(shí)中斷產(chǎn)生，通過(guò)反相驅(qū)動(dòng)器74F04和光電耦合器MCT273控制功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF9410通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的調(diào)制，光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路

2.4 放大濾波電路

熱釋電紅外探測(cè)器接收調(diào)制紅外光產(chǎn)生微弱的交變電壓信號(hào)，并混有干擾和噪聲，因此要對(duì)其進(jìn)行放大和濾波處理[6]。選用高精度集成運(yùn)放AD8517組成同相放大濾波電路。電路原理圖如圖4所示。電路中R1C1可濾除低頻噪聲，R2C2可濾除高頻干擾，特別是工頻干擾。電路放大增益為1+R2/R3。

圖4 放大濾波電路原理圖

2.5 檢波整流電路

檢波整流電路采用反相型絕對(duì)值檢波電路，電路原理圖如圖5所示。A1、R1、R3、D1、D2、R6組成半波整流電路，A2、R2、R4、R5、R7組成反相求和電路。在電路設(shè)計(jì)中，A1、A2選用低噪聲高精度雙運(yùn)放AD708JN，D1、D2選用開(kāi)關(guān)二極管IN4148，取R1=R3=R4，R2=R5=2R1。當(dāng)ui大于0時(shí)，使A1輸出小于0，導(dǎo)致D1截止，D2導(dǎo)通，A1、R1、R3、R6構(gòu)成反相放大器，u01=-ui，u0=ui。當(dāng)ui小于0時(shí)，使A1輸出大于0，導(dǎo)致D1導(dǎo)通，D2截止，使R3中無(wú)電流，u01=0，u0=-ui。即可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值檢波u0=|ui|。檢波整流電路的輸出信號(hào)，經(jīng)嵌位保護(hù)電路送入TMS320F2812內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣變換，由TMS320F2812運(yùn)算處理后，轉(zhuǎn)換成氣體濃度值。

2.6 外部接口模塊

圖5 檢波整流電路原理圖

外部接口模塊包括：通信接口、LCD顯示、鍵盤(pán)、越限報(bào)警等。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN控制器eCAN，可通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。外擴(kuò)一塊128 k×16的靜態(tài)存儲(chǔ)器IS61LV12816，用于擴(kuò)展程序存儲(chǔ)空間，由于工作電壓為3.3 V，可直接與TMS320F2812的I/O口相連。LCD顯示選用二線串行接口的段式液晶模塊SMS0401。鍵盤(pán)設(shè)置4個(gè)按鍵，分別為模式選擇鍵、上下調(diào)節(jié)鍵及確定鍵，模式選擇鍵用以切換參數(shù)設(shè)置模式或測(cè)量模式，通過(guò)上下調(diào)節(jié)鍵即可設(shè)置各測(cè)量單元的濃度越限值。越限報(bào)警電路由TMS320F2812的通用I/O輸出口控制，產(chǎn)生聲光報(bào)警。

2.7 電源模塊

系統(tǒng)采用220 V市電供電，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源將其變換為±12 V和＋5 V。TMS320F2812所需的數(shù)字3.3 V和1.8 V電源，由＋5 V電壓經(jīng)低壓差雙路輸出線性電源TPS767D301將其變換為3.3 V和1.8 V。模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)設(shè)計(jì)。

2.8 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括初始化程序、主程序、參數(shù)設(shè)置子程序、測(cè)量子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)通信子程序。編程開(kāi)發(fā)工具使用CCS3.0，采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)，系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，完成時(shí)鐘、DSP模式、通信接口芯片及LCD顯示等初始化操作。主程序循環(huán)執(zhí)行按鍵掃描操作，有按鍵時(shí)執(zhí)行參數(shù)設(shè)置子程序，完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，否則執(zhí)行測(cè)量子程序。通過(guò)DSP定時(shí)器產(chǎn)生光源調(diào)制信號(hào)，控制光源斷續(xù)發(fā)光，接收經(jīng)放大濾波、檢波整流后的檢測(cè)信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣存儲(chǔ)，根據(jù)設(shè)定算法計(jì)算出當(dāng)前的測(cè)量濃度。當(dāng)濃度超過(guò)越限值時(shí)，產(chǎn)生聲光報(bào)警，調(diào)用顯示子程序顯示各氣體的濃度值，調(diào)用通信子程序?qū)y(cè)量結(jié)果上傳至監(jiān)測(cè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試完成后，選擇CO、CO2、CH4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由于氮?dú)獠晃占t外光，實(shí)驗(yàn)中采用北京金訊電子有限公司的RCS2000-A型計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，將純凈的CO、CO2、CH4稀釋在氮?dú)庵校苽洳煌M份不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置CO、CO2、CH4的量程范圍分別為：0～200×106、0～5%、0～10%。通入干燥的純度為99.999%的氮?dú)膺M(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，分別通入滿量程氣體進(jìn)行量程校準(zhǔn)。然后在量程范圍內(nèi)，對(duì)由自動(dòng)配氣系統(tǒng)配制的不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體在常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行測(cè)試，滿量程平均相對(duì)誤差小于3%。

基于紅外吸收的有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。采用新型熱釋電紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)多種有害氣體濃度的同時(shí)檢測(cè)，光源調(diào)制及信號(hào)調(diào)理電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了外部干擾，減小了系統(tǒng)誤差。DSP強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和速度，CAN總線通信方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。氣室的精確設(shè)計(jì)，溫度的補(bǔ)償與算法有待進(jìn)一步完善。

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