高精密恒溫系統(tǒng)在NDIR氣體分析儀中的應(yīng)用*

謝永超

(1.西南交通大學，四川 成都 610036；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412001)

0 引 言

當前，基于非分光紅外(NDIR)技術(shù)的氣體分析儀設(shè)計過程中存在很多干擾源，這些干擾源對檢測精度影響的輕重程度各有不同[1,2]，其中紅外池中，溫度的穩(wěn)定性對氣體的吸收影響大，此外,對于特定的吸收氣體，恒溫點同樣重要[3]。本文設(shè)計了一種基于增量式PID算法的高精度溫控系統(tǒng)，選擇對氣體吸收影響最小的恒溫點，并控溫范圍為±0.1 ℃，相比現(xiàn)有同類溫控系統(tǒng)，精度提高近10倍[4,5]。將該高精度的溫控系統(tǒng)應(yīng)用在NDIR氣體分析儀中，對比了分別在常溫下的測量結(jié)果和溫控系統(tǒng)下的測量結(jié)果，信噪比得到明顯改善。

1 NDIR氣體分析機理

當紅外光通過待測氣體時，氣體分子對特定波長的紅外光有吸收作用，其吸收關(guān)系服從朗伯—比爾(Lambert-Beer)吸收定律：設(shè)平行入射光的強度為I0，出射光的強度為I1，氣體介質(zhì)的厚度為L,氣體的濃度為C,氣體的吸收系數(shù)為μ，則其關(guān)系表達式為

I1=I0exp(-L∑μiCi).

(1)

其中,μ為不同氣體的吸收系數(shù)，Ci為不同氣體的濃度。

當為多種混合氣體時，為了分析特定的氣體組分，需要在傳感器或者紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體的濃度變化。

其NDIR氣體紅外吸收譜如圖1所示，表明了各種氣體的特征吸收峰。

圖1 NDIR氣體紅外吸收譜

2 恒溫系統(tǒng)對NDIR氣體分析儀測試信噪比的影響分析

NDIR氣體分析儀的紅外池如圖2所示。

圖2 紅外池

整個紅外池由紅外光源部分、鍍金氣室、濾光片、待測氣體通道以及紅外接收裝置組成。紅外光源的穩(wěn)定性在兩方面受溫度影響:其一是光源的電源芯片，溫度的變化會對電源芯片的輸出電壓帶來波動，電壓的波動對紅外光源的輸出功率必然造成影響;其二是紅外光源本身參數(shù)中要求其最合適的使用溫度環(huán)境，在特定恒溫下的輸出最為穩(wěn)定，溫度的波動也會造成輸出結(jié)果上的誤差；鍍金氣室是紅外池的最核心的組成部分，內(nèi)壁采用鍍金，提高光潔度，減小光線漫反射造成的誤差，在氣體吸收過程中，同樣受溫度的影響，保持恒定的溫度，即使在本溫度下同樣存在誤差，但誤差恒定，可以在后續(xù)信號處理中很容易處理[6,7]。紅外接收裝置采用的是與特定氣體相對應(yīng)的探測器，探測器在恒定溫度下的工作穩(wěn)定性更好,由此可見，設(shè)計高精度的控溫系統(tǒng)勢在必行。

3 高精度控溫系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 高精度控溫系統(tǒng)的核心硬件設(shè)計

通過上面的分析，讓紅外池置于同一個長方形的試驗腔體中，該腔體采用保溫海綿密封，在該設(shè)計中，防止室溫對紅外池的影響，同時考慮紅外光源和鍍金氣室的工作需要，設(shè)計采用智能PID算法控制腔體中的恒溫點設(shè)置在48 ℃[8～10],使其控溫后腔體中溫度的變化保持在±0.1 ℃范圍內(nèi) ，基本恒溫。

集成溫度傳感器采用AD590電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值流過器件的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(K)度數(shù)，其工作原理是：在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和5～30 V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1 kΩ的恒值電阻器，那么，此電阻器上流過的電流將和被測溫度呈正比，此時電阻器兩端將會有1 mV/K的電壓信號。

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS1110，它是精密的連續(xù)自校準的片內(nèi)帶基準電壓的16位A/D轉(zhuǎn)換器，帶差分輸入。片內(nèi)基準為2.048×(1+0.05 %)，溫度采集模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖3,該模塊整體作用是：對控制的溫度進行采集，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給單片機處理,在溫度采集的過程中，進行實時溫度補償。

圖3 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊

加熱控制模塊電路設(shè)計如圖4。

由單片機控制輸出PID信號，通過三極管的開關(guān)作用，控制固態(tài)繼電器的通斷，從而達到控制加熱片實現(xiàn)以PID控制的方式通斷。

圖4 加熱控制模塊電路原理圖

3.2 增量式PID算法設(shè)計實現(xiàn)

增量式PID控制公式

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)),

(2)

式中 Δu(k)為控制量增量，“增量式PID”就是直接以這個增量進行控制。根據(jù)響應(yīng)的情況進行參數(shù)的整定，增量式PID控制算法可以通過(2)式推導(dǎo)出。由式(2)可以得到控制器的第k-1個采樣時刻的輸出值為

(3)

將式(2)與式(3)相減并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式為

Δuk=ukuk-1

=Aek-Bek-1+Cek-2.

(4)

其中

(5)

由式(5)可以看出，如果計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A，B，C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由式(4)求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法式(1)相比，計算量小得多，因此，在實際中得到廣泛的應(yīng)用。

具體在本設(shè)計中溫度采集頻率為10 Hz(100 ms)，1s采樣的溫度值通過滑動平均值濾波。系統(tǒng)控溫采用模糊算法和增量式PID算法相結(jié)合的方式，快速升溫階段采用模糊算法，恒溫時采用增量式PID算法，控溫周期20 s。為防止加溫過沖，當溫度接近恒溫點時，采用階梯式恒溫控制方法，如圖5。先將恒溫點設(shè)置在小于恒溫溫度的值，當溫度恒定后，再將恒溫點調(diào)整為恒溫溫度。

圖5 增量式PID階梯控制方法

4 溫控系統(tǒng)的測試

通過對硬件電路和軟件部分的設(shè)計，其中還考慮整個腔體中溫度的均勻性和整個紅外池的熱容量，因此，在腔體中的加熱源兩端加有保持氣體流動的風扇，并必須保證溫度傳感器不能被風扇直吹，并在此基礎(chǔ)上，通過上位機軟件監(jiān)控，得到了溫度控制效果圖。

5 恒溫系統(tǒng)在NDIR氣體分析儀中的應(yīng)用

由上面設(shè)計出的高精度的控溫系統(tǒng)，應(yīng)用在NDIR氣體分析儀中，根據(jù)紅外池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用在室溫下和在本設(shè)計中的高精度溫控系統(tǒng)中，分別對探測器端測得的信號進行測試，對測試得到的信號進行信噪比分析，測試過程保持在同一個溫度比較穩(wěn)定的實驗室測試，由同一個人，在同一臺測試儀上進行了多次試驗，在沒有增加高精度溫控系統(tǒng)的測試儀中，測得具有典型代表的探測器下的信號波形如圖6，圖7所示。

圖6 常溫下探測器下的信號波形

將整個測試系統(tǒng)置于恒溫控制系統(tǒng)中后，在探測器端測得的信號如圖6所示。

圖7 恒溫處理后的信號波形

6 結(jié) 論

經(jīng)過恒溫系統(tǒng)在NDIR氣體測試儀中的應(yīng)用測試，通過對輸出信號的比較，在室溫下輸出信號的波動范圍約為130 μV，而置于恒溫系統(tǒng)中后，探測器端的輸出信號的波動范圍大約是60 μV左右，對信噪比的改善比較明顯。

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