一種改進型高靈敏紅外CO濃度檢測方法

李明勇　蘭　江　石俊杰　黃啟勇　白麗麗

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌　443003)

?

一種改進型高靈敏紅外CO濃度檢測方法

李明勇蘭江石俊杰黃啟勇白麗麗

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌443003)

針對CO氣體對紅外光譜吸收系數(shù)低、低濃度CO檢測難度大的問題，采用非散射紅外光譜吸收法，通過電學(xué)調(diào)制方式，設(shè)計了一種改進型高靈敏紅外CO濃度檢測裝置，并給出了光學(xué)模塊和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。針對檢測信號頻率低、噪聲大的問題，設(shè)計了一種性能良好的選頻器以及能抑制其溫度漂移的拓撲結(jié)構(gòu)，提高了檢測信號的信噪比，并減小了溫度變化對CO濃度檢測的影響。此外，還給出了CO濃度的計算方法。試驗結(jié)果表明，儀器檢測靈敏度可達0.3×10-6。

CO濃度檢測光譜吸收溫漂抑制溫度補償選頻器濾波數(shù)據(jù)擬合

FilteringDatafitting

0　引言

非散射紅外光譜吸收法是檢測CO濃度的重要方法。該方法測量精度高、靈敏性好、抗干擾性強。非散射紅外光譜吸收法采用單光束雙波長技術(shù)，主要有電學(xué)調(diào)制、旋轉(zhuǎn)切光、分光干涉等方法。各種方法各有優(yōu)缺點，國內(nèi)外對這些方法都進行了大量的研究[1-8]。陳曉寧等設(shè)計了一種電機旋轉(zhuǎn)切光形式的非分散紅外CO濃度檢測方法，測量靈敏度可達10-7級[3]；王一幫等設(shè)計了一種電學(xué)調(diào)制法的船用CO分析儀，儀器性能良好[4]；劉忠富等采用低功耗單片機和改進設(shè)計電路，降低了系統(tǒng)功耗[5]；司福棋等采用自相關(guān)系數(shù)法，對紅外CO濃度信號進行了濾波，提高了CO濃度檢測精度[7]。

然而，在電學(xué)調(diào)制法中，紅外光源工作時溫度較高，光源難以快速變化，調(diào)制頻率普遍為幾赫茲，檢測信號中含有1/f噪聲、背景噪聲和其他噪聲且信號頻率太低，采用傳統(tǒng)的一階RC濾波或帶通濾波器難以實現(xiàn)濾波功能[9]。采用雙T形式的選頻器可以較好地實現(xiàn)低頻帶通濾波，但雙T選頻器的中心頻率受電子元器件參數(shù)的影響較大。本文設(shè)計了一種改進型高靈敏紅外CO濃度檢測裝置，并提出了一種消除雙T選頻器中心頻率漂移的拓撲結(jié)構(gòu)，使得檢測靈敏度可達0.3×10-6。

1　改進型高靈敏紅外CO濃度檢測結(jié)構(gòu)

改進型高靈敏紅外CO濃度檢測結(jié)構(gòu)由氣路部分和電路部分組成，如圖1所示。

氣路部分由進氣口、干燥過濾、三通電磁閥1、氣泵、CO吸收池、三通電磁閥2、出氣口組成。正常工作時，氣路通過進氣口和出氣口與外界連通，以檢測環(huán)境中CO的濃度。需要進行校準零點時，可啟動切換信號使三通電磁閥由常開通路換為閉合通路，氣流順序為“電磁閥1→氣泵→紅外CO吸收池→三通電磁閥2→霍加拉特試劑→電磁閥1”。霍加拉特試劑可在常溫下將CO液體催化為CO氣體，使得內(nèi)循環(huán)中的CO濃度為零，方便零點校準。

電路部分由微處理器、紅外光源調(diào)制電路、信號檢測與調(diào)理電路、RS-232通信模塊、顯示及報警模塊等組成。微處理器控制12位DAC8330，調(diào)制得到頻率為2.01Hz的正弦波，經(jīng)驅(qū)動電路后連接到紅外光源。紅外光源發(fā)出的紅外光在CO吸收池多次反射后，被紅外探測器轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號，經(jīng)過信號放大、信號調(diào)理、A/D采集后發(fā)送到微處理器。微處理器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，即可計算得到CO吸收池內(nèi)CO氣體濃度。

圖1　改進型高靈敏紅外CO濃度檢測結(jié)構(gòu)圖

2　紅外光源調(diào)制電路與CO吸收池設(shè)計

紅外光源調(diào)制電路如圖2所示。

圖2　紅外光源調(diào)制電路圖

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8830采用標準SPI通信方式通信，位數(shù)為12位。微處理器內(nèi)部存儲有整周期256點的正弦波數(shù)據(jù)。需要進行紅外光源調(diào)制時，微處理器按照特定時間間隔，依次將正弦波數(shù)據(jù)送到DAC8830，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送到驅(qū)動電路，紅外光源P1連接驅(qū)動電路的輸出端，這樣紅外光源就可以產(chǎn)生正弦調(diào)制紅外光。

采用非散射紅外光譜吸收法檢測CO氣體濃度時，由于CO氣體對紅外光譜的吸收率較低，檢測10-6級的CO氣體需要設(shè)計專用CO吸收池，以增加紅外光的反射次數(shù)。CO吸收池有多種設(shè)計方法，如直通式、平面鏡反射、橢圓式、懷特池等。本文設(shè)計的CO吸收池采用經(jīng)典的懷特池結(jié)構(gòu)，如圖3所示。紅外光源發(fā)出紅外光經(jīng)過入射鏡反射后到達凹透鏡2，然后光線按照2、3、4、…、n(n一般大于12)的路線多次反射后，經(jīng)出射鏡反射到達紅外探測器。紅外探測器的探測面上還有帶寬為100nm的窄帶濾光片，可濾除其他光線干擾。采用這種方式設(shè)計的CO吸收池光程可達6m。

圖3　吸收池結(jié)構(gòu)圖

3　改進型檢測方法原理與結(jié)構(gòu)

氣體分子對特定的光譜有吸收作用，且滿足朗伯-比爾定律：

I=I0e-kCL

(1)

式中:I0為初始光線強度;k為氣體對光線的吸收系數(shù);C為氣體濃度;L為光線傳播距離。

式(1)可轉(zhuǎn)化為：

(2)

為了消除檢測中水蒸氣、粉塵顆粒、散射等干擾，選用的紅外探測器有兩個探測面，分別為Gas面和Ref面。Gas面對CO吸收的紅外光敏感，其輸出信號反映CO濃度信號；Ref面對CO吸收的紅外光不敏感，其輸出信號可作參考。

檢測原理如下：以一定頻率正弦調(diào)制的紅外光源，經(jīng)過CO吸收池反射，再經(jīng)窄帶濾光片到達紅外探測器。假設(shè)某一時刻，紅外探測器Gas端和Ref接收的信號分別為A(s)和B(s)，兩個信號經(jīng)過1 000倍放大，再依次經(jīng)過可相互切換通路的選頻器濾波電路、A/D采集后接入微處理器；微處理器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后即可計算出CO氣體濃度。

圖4為改進型檢測電路結(jié)構(gòu)圖，下面就主要部分工作原理介紹如下。

圖4　改進型檢測電路結(jié)構(gòu)圖

3.1選頻器濾波

紅外探測器檢測信號放大1 000倍后含有大量的1/f噪聲、背景噪聲和其他噪聲，波形并不像正弦波，而且畸變嚴重。由于檢測信號的頻率僅為2.01 Hz，傳統(tǒng)的一階RC濾波效果不明顯，二階或以上Sallen- Key結(jié)構(gòu)的帶通濾波器(電容取值太大)又難以實現(xiàn)濾波。本文設(shè)計了一種新的選頻器對檢測信號進行濾波，其電路如圖5所示。

圖5　新設(shè)計的選頻器濾波電路圖

結(jié)合圖5，對電路工作原理說明如下：電路的輸出連接一個雙T陷波器，經(jīng)同相放大后接入輸入端形成反饋；利用雙T陷波器對特定頻率的抑制作用，使得整個電路具有對特定頻率的選擇作用。這個特定頻率就是紅外光源的調(diào)制頻率。為了保證電路濾波的對稱性，在實際使用中，常取C=C2=C3=C4/2、R=R14=R16= 2R13。設(shè)信號輸入為Uin，信號輸出為Uo，反饋回路中有4個節(jié)點，分別為A、B、C、D，其節(jié)點電壓分別采用UA、UB、UC、UD表示，根據(jù)運算放大器“虛短”和“虛斷”以及模擬電路相關(guān)知識，可得：

(3)

求解上式，得到Uo與Uin的傳遞函數(shù)如下：Φ(s)=

(4)

如果取C=2.2μF、R=36kΩ、R12=R15=1kΩ、

R11=1kΩ、R10=51kΩ，令s=jω=j2πf，式(4)可以寫成：

(5)

式中：f0=1/(2πCR) =2.01 Hz，這個頻率就是紅外光源的調(diào)制頻率。選頻器幅頻響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6　選頻器幅頻響應(yīng)曲線圖

從圖6可以看出，新設(shè)計的選頻器對2.01 Hz頻率有很好的選頻作用，而對2.01 Hz以外的干擾有明顯抑制，對f<1 Hz和f>4 Hz的信號衰減可達-26 dB。

3.2抑制溫度變化對選頻器影響

新設(shè)計的選頻器對特定頻率有很好的濾波作用，但對電子元器件的性能也提出了較高要求。然而，當工作溫度范圍為-10～40 ℃時，由于受電子元器件溫漂影響，選頻器的中心頻率變化可達20%，這會嚴重影響CO測量精度。

為了抑制溫度對選頻器影響，設(shè)計了改進型檢測的電路結(jié)構(gòu)。通過可相互切換通道的方式，并結(jié)合特定的算法，可抑制溫度漂移影響。

假設(shè)某一時刻，紅外探測器Gas端和Ref接收的信號分別為A(s)和B(s)，然后信號經(jīng)過1 000倍放大后，接入選頻器。假設(shè)此刻兩個選頻器由于溫度漂移中心頻率已經(jīng)發(fā)生改變，分別為GGas(s)和GRef(s)，那么接入A/D采集前的信號大小分別為：

(6)

此時，微處理器控制A/D進行一次采集，并存儲數(shù)據(jù)，將通路選擇開關(guān)S1和S2同時切換，然后再采集一次A/D值，那么有:

(7)

由于兩次采樣的結(jié)果均是經(jīng)過選頻器濾波后的結(jié)果，因此A/D值受噪聲影響很小。根據(jù)以下計算公式，計算得到的值能較好地反映CO濃度變化。

(8)

由式(8)不難看出，當選頻器中心頻率發(fā)生漂移，通過兩次通道切換并采取上述算法，使得計算結(jié)果與選頻器中心頻率無關(guān)。這樣既實現(xiàn)了濾波，又從理論上消除了選頻器中心頻率隨溫度漂移對計算結(jié)果的影響。

4　試驗驗證

采用零氣(99.999%N2)、濃度為9.8×10-6、30.4×10-6和50.5×10-6的CO氣體，對設(shè)計的CO樣機進行校準。按照式(8)計算出此時的N值，分別為：12 552、12 308、11 905、11 486。其相關(guān)系數(shù)達到了0.998 6，通入20.5×10-6和40.3×10-6的標氣后，測量結(jié)果分別為20.3×10-6、40.6×10-6，測量靈敏度優(yōu)于0.3 ×10-6。

5　結(jié)束語

采用非散射紅外光譜吸收法，設(shè)計了一種改進型高靈敏紅外CO濃度檢測的光學(xué)模塊和電路結(jié)構(gòu)，并提出了一種抑制雙T選頻器中心頻率漂移的拓撲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)提高了檢測信號的信噪比，減小了溫度變化對CO濃度檢測的影響。試驗結(jié)果表明，儀器檢測靈敏度可達0.3×10-6。

[1] 郭奇,路林吉.無線CO電化學(xué)傳感器應(yīng)用設(shè)計[J].自動化儀表，2012,33 (3):73-75.

[2] 王曉麗，劉瑾，周潯.光譜吸收型CO氣體傳感器的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2009,10 (30):226-228.

[3] 陳曉寧，劉建國，司福棋,等.非分散紅外CO氣體檢測系統(tǒng)研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2007,2 (3):207-210.

[4] 王一幫.船用CO分析儀研制[D].北京：中國船艦研究院，2012.

[5] 劉忠富，游國棟，于為民.新型低功耗CO檢測系統(tǒng)的研制[J].自動化儀表，2008,29 (10):60-63.

[6] 蘭江，李明勇，白麗麗,等.一種高靈敏度的紅外CO濃度檢測方法與設(shè)計 [J].自動化與儀表，2015,30 (2): 13-16.

[7] 司福棋，劉建國，劉文清,等.基于氣體相關(guān)濾波技術(shù)的非分散紅外CO 氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].量子電子學(xué)報，2004,21(4):425-428.

[8] 劉忠富，游國棟，于為民,等.新型低功耗CO檢測系統(tǒng)的研制[J].自動化儀表技術(shù)，2008,29(10):60-63.

[9] 張景超，劉瑾，王玉田,等.新型光纖CO氣體傳感器的研究[J].光電子·激光,2004,15(4):428-431.

AnImprovedHighlySensitiveInfraredDetectionMethodforCOConcentration

AimingattheproblemthattheinfraredspectrumabsorptioncoefficientofCOislow,andthedifficultyoflowCOconcentrationdetection,animprovedhighlysensitiveinfraredCOconcentrationdetectorisdesignedbasedonnon-dispersiveinfra-red(NDIR)methodandelectricalmodulationmode;thedesignmethodofopticalmoduleandelectricalcircuitispresented.Duetothedetectionsignaloflowfrequencyandlargenoise,anexcellentfrequencyselectorandthetopologicalstructureforsuppressingthetemperaturedriftaredesignedtoimprovethesignal/noiseratioofdetectionsignalanddecreasetheinfluenceoftemperaturedriftonCOconcentrationdetection.Inaddition,thecalculatingmethodofCOconcentrationisgiven.Theexperimentalresultsshowthatthedetectionsensitivityoftheinstrumentisupto0.3×10-6.

COconcentrationdetectionSpectralabsorptionTemperaturedriftsuppressionTemperaturecompensationFrequencyselector

李明勇(1987—)，男，2013年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事前置信號放大、模擬電路設(shè)計、儀器儀表設(shè)計方向的研究。

TH89;TP29

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609018

湖北省科技支撐計劃基金資助項目(編號：2014BEC088)。

修改稿收到日期：2016-03-10。