紅外甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

朱紅秀，孫連昆，王忠華，聶　哲，劉　歡

(中國礦業(yè)大學(xué) 機電與信息工程學(xué)院，北京100083)

引言

瓦斯爆炸是煤礦開采中的重要安全問題之一。盡管國家在此投入了大量的人力和物力，但是各地礦難仍時有發(fā)生。所以，研制更安全更可靠的甲烷檢測系統(tǒng)勢在必行。目前檢測甲烷氣體的傳感器主要是電化學(xué)傳感器，但是電化學(xué)式傳感器靈敏度低，催化劑易中毒，壽命短。而紅外甲烷氣體傳感器因為選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)時間短，受到越來越多的重視[1]。

1　紅外氣體檢測原理

紅外氣體傳感器的原理主要是利用甲烷氣體的紅外光譜吸收理論，以及朗伯-比爾定律：

I(λ)=I0(λ)e-α(λ)cl

(1)

式中：I0(λ) 為入射光強；I(λ)為出射光強；c為被測氣體體積濃度；α(λ)為氣體摩爾分子吸收系數(shù)；l為光程。

每種氣體都有其特定的吸收峰,而對吸收峰以外波長的光吸收極少。為此,采用雙波長測量方法,引入了不被探測氣體吸收的光作為參考光。設(shè)Im(λ′)和Im0(λ′)為參考光的出射光強和入射光強,則有:

Im(λ′)=Im0(λ′)

(2)

把(1)式和(2)式相除并取對數(shù),可以得到：

(3)

從(3)式可以看出,測量系統(tǒng)從理論上完全消除了光路的干擾因素,并且還消除光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響。

紅外氣體傳感器主要由紅外光源、氣室、光電轉(zhuǎn)換等器件組成。其中的光源選擇和氣室設(shè)計尤為重要。甲烷在1.33 μm,1.67 μm,和3.33 μm處的線型強度S分別為3.71×10-3, 3.27×10-2和5.27，他們的吸收強度比為 1∶8∶1 420，甲烷在3.33 μm處的吸收強度遠大于其在1.33 μm和1.67 μm處的強度[2-3]，所以選擇3.33 μm的紅外光源系統(tǒng)將會有較高的靈敏度，并且價格相對低廉。

2　紅外檢測甲烷氣體傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計

紅外檢測甲烷氣體傳感系統(tǒng)硬件主要由光源、光源調(diào)制電路、氣室、熱釋電探測器、模擬信號處理電路、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、顯示電路和聲光報警電路組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　紅外檢測甲烷氣體傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計Fig.1　Hardware design of infrared detection methane gas sensing system

2.1　光源調(diào)制電路設(shè)計

系統(tǒng)通過AT89S52單片機P0.0引腳控制場效應(yīng)管ST2300TA通斷來實現(xiàn)平行紅外光源IRL715EN-PR產(chǎn)生2 Hz的紅外光方波信號(圖2)。

圖2　光源調(diào)制電路原理圖Fig.2　Schematic of light source modulation circuit

2.2　光電轉(zhuǎn)換器件選擇和氣室設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換器件選用PYS 3228 TC G5.2/G20型號，PYS 3228 TC G5.2/G20 熱釋電探測器是在一個TO-5封裝的探測室內(nèi)含有2個獨立的熱釋電探測器，其中G5.2和G20代表了安裝在該光電轉(zhuǎn)換器件上的2個濾波片型號，G5.2中心波長為3.30 μm，半功率寬度為160 nm，G20的中心波長為4.0 μm，半功率寬度為90 nm。

圖3　PYS 3228 TC G5.2/G20結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Configuration schematic of PYS 3228 TC G5.2/G20

基于光電轉(zhuǎn)換器件的特點系統(tǒng)采用單通道雙波長的氣室設(shè)計。氣室長度為5 cm。實驗發(fā)現(xiàn)2 Hz方波光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后變?yōu)榻普倚盘?，幅值為幾mV。

2.3　模擬信號調(diào)理電路設(shè)計

模擬信號調(diào)理電路(圖4)包括前置放大電路、帶通濾波電路和差分電路3部分[4-5]。

圖4　模擬信號調(diào)理電路Fig.4　Schematic of analog signal conditioning circuit

其中前置放大電路采用AD620AN儀表放大器。AD620是一款低價格、低噪聲、高精度的儀器儀表放大器,只用一個電阻就能決定放大電路的增益,適合于微弱信號檢測。通過連接一個最大阻值為1 kΩ的滑動變阻器，并且通過調(diào)節(jié)該滑動變阻器的阻值就可以調(diào)節(jié)前置放大的倍數(shù)從50.4到1 000之間變化。

由于光源經(jīng)過光源調(diào)制電路調(diào)制后為2 Hz的方波周期信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后為2 Hz的周期信號(近似為正弦波)，并且系統(tǒng)主要受到50 Hz市電的干擾，所以設(shè)計了中心頻率為2 Hz，帶寬為0.8 Hz，放大倍數(shù)為2.5的多路負反饋二階有源帶通濾波電路。帶通濾波電路采用OP07CJG運放，該電路上限截止頻率和下限截止頻率可以非常近，具有很強的頻率選擇性。

由于系統(tǒng)采用單通道雙波長測量方法[6-8]，所以當兩路信號分別經(jīng)過前置放大、帶通濾波后，由周期信號的傅里葉級數(shù)可知，兩路信號幾乎變?yōu)檎倚盘?，但是兩路信號的差值仍然較小，所以需要對兩路信號差值進行放大。差分放大電路采用OP07CJG運放，放大倍數(shù)為200。

2.4　單片機控制AD采集、LCD1602液晶顯示器、聲光報警電路設(shè)計

當光電轉(zhuǎn)換后的兩路微弱信號經(jīng)過模擬信號處理之后近似變?yōu)檎穹鶠閹追恼倚盘?，系統(tǒng)采用12位并行輸出的AD轉(zhuǎn)換芯片AD1674進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)由第二片AT89S52單片機控制AD轉(zhuǎn)換和電壓信號采集，并對采集的電壓信號進行軟件處理，最終由單片機控制LCD1602液晶顯示器顯示CH4體積濃度值。電路原理框圖如圖5所示。

圖5　單片機控制AD采集、LCD1602、聲光報警電路原理框圖Fig.5　Schematic of single-chip microcomputer control AD collection, LCD1602, sound and light alarm circuits

3　紅外甲烷氣體檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由兩片單片機組成，第一片用于光源調(diào)制電路產(chǎn)生2 Hz方波光信號，第二片用于控制AD轉(zhuǎn)換和電壓采集、對信號進行軟件處理、控制LCD1602顯示和控制聲光報警電路報警。第一片單片機程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)利用單片機AT89S52的定時器T0，選擇工作方式2，由于定時器在工作方式2工作時且當外部晶振為12 MHz時，最大定時時間為65.536 ms,所以設(shè)置定時時間為50 ms,在中斷程序中判定發(fā)生中斷次數(shù)是否達到5次，達到5次時則將P0.0口電平進行翻轉(zhuǎn)。這樣就實現(xiàn)了產(chǎn)生周期為0.5 s的周期方波信號。同時采用了AT89S52單片機內(nèi)置的看門狗復(fù)位定時器，可以防止單片機受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛現(xiàn)象。第二片單片機流程圖如圖7所示。

圖6　流程圖1Fig.6　Flow chart 1

圖7　流程圖2Fig.7　Flow chart 2

系統(tǒng)硬件實現(xiàn)了甲烷體積濃度C和正弦電壓信號的轉(zhuǎn)換。所以第二片單片機需要完成正弦電壓信號幅值的測量。快速傅里葉變換即FFT是獲取某一頻率信號的幅值和相位最常見的軟件算法，但是由于單片機AT89S52硬件資源有限，RAM僅為256 B，而FFT需要較大的RAM，所以本系統(tǒng)設(shè)計了一種簡單實用的新算法來實現(xiàn)正弦信號幅值的測量[9]。

其中單片機每隔2 ms采集一次電壓，采集250次為一個周期。假定開始采集的第一個電壓值為最大值并存在變量max中，從第二個采集的值開始，將采集的電壓存入變量tmp中，同時判定當前采集的值tmp是否大于前面的最大值max，如果大于,則用tmp中的值替換max中的值。因為正弦波信號周期為0.5s，所以每隔2 ms采集一次，采集250次，則采集250次電壓加比較tmp和max大小關(guān)系的時間將會略微大于一個正弦電壓信號周期0.5 s，這樣就可以近似求出正弦波信號一個周期內(nèi)的最大值。該算法只用了2個變量，比FFT算法省了大量RAM資源。

用上述算法測量獲取10個信號周期內(nèi)的正弦波的最大值后，進行軟件濾波處理，具體做法是對10個電壓值進行大小排序，排序后剔除2個最大值和2個最小值，對其剩余的6個值求取平均值，這樣可以有效地減弱外界環(huán)境干擾對電壓采集過程中造成的影響。最終濃度電壓值U與濃度C的函數(shù)關(guān)系C=f(U)可由Matlab對實驗數(shù)據(jù)進行擬合而得。同時第二片單片機也采用了AT89S52內(nèi)置看門狗定時器，由于在外部晶振為12 MHz時，看門狗定時復(fù)位時間最長為8.192 ms,所以最長每隔8.192 ms程序必須進行一次喂狗操作，但是第二片單片機程序較為復(fù)雜，如果在主函數(shù)內(nèi)進行喂狗操作，則整個程序會被分割的很離散，且有一些子函數(shù)執(zhí)行時間大于8.192 ms,這樣很難在第二片單片機程序內(nèi)應(yīng)用看門狗定時復(fù)位電路。基于這些原因，設(shè)計了中斷服務(wù)程序內(nèi)進行喂狗的操作，即通過定時器T0，選擇工作方式2，定時5 ms,設(shè)置一個全局變量counter記錄定時器T0發(fā)生中斷的次數(shù),在中斷服務(wù)程序內(nèi)記錄中斷次數(shù)并且判斷中斷次數(shù)是否達到60 000次，如果中斷次數(shù)大于60 000次，主函數(shù)仍然沒有將全局變量counter清零，則程序一定是發(fā)生了異常，所以看門狗將系統(tǒng)復(fù)位，通過中斷喂狗程序?qū)⒖撮T狗定時復(fù)位時間延長到了300 s,可以有效地防止單片機由于受到外界干擾而造成的程序跑飛現(xiàn)象[10]。

4　實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)擬合

系統(tǒng)在實驗室條件下獲得了甲烷體積濃度C和電壓U的對應(yīng)關(guān)系，通過Matlab對表1的甲烷濃度和系統(tǒng)電壓值數(shù)據(jù)進行了擬合，擬合函數(shù)采用了線性擬合、二次函數(shù)擬合和三次多項式擬合。

表1　甲烷濃度與系統(tǒng)電壓對應(yīng)關(guān)系及測量結(jié)果表

通過對比分析圖8，最終確定了三次多項式作為甲烷體積濃度C和電壓U的函數(shù)關(guān)系。表達式為

C=-0.0489 55U3+0.462 842U2-

0.215 116U-0.012 529

(4)

圖8　線性擬合、二次函數(shù)擬合、三次多項式擬合圖Fig.8　Linear fitting, quadratic function fitting, cubic polynomial fitting

由表1的測量值和誤差可知最大相對誤差為0.04即不超過1%。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計的紅外甲烷氣體檢測系統(tǒng)采用紅外平行光源IRL715EN-PR和熱釋電探測器PYS 3228 TC G5.2/G20,設(shè)計了整個系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。實現(xiàn)了甲烷氣體體積濃度在0%～4%范圍內(nèi)系統(tǒng)最大相對誤差小于1%的精確測量。

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