恒溫NDIR二氧化碳?xì)怏w傳感器研究

裴 昱,張加宏,2,李 敏,顧 芳

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044)

1 引 言

CO2是大氣的重要組成部分之一,在精細(xì)化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大氣環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[1]。近年來,社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致了全球氣候不斷的變化,對CO2濃度進(jìn)行實(shí)時高效的檢測也愈加重要[2]。當(dāng)前,針對CO2氣體濃度進(jìn)行檢測的手段主要有電化學(xué)法、電子捕獲法、紫外線電離法以及非色散紅外吸收法等,其中,非色散紅外吸收法憑借其靈敏度高、檢測范圍廣、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在CO2氣體檢測領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。

此外,在實(shí)際測量的過程中,CO2氣體傳感器系統(tǒng)的性能易受到環(huán)境溫度的影響,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時,CO2氣體本身的光譜特性會產(chǎn)生變化,從而對紅外光的吸收效率會有所下降,并且濾光片的中心波長會發(fā)生偏移,所檢測到的CO2氣體濃度也會隨之產(chǎn)生誤差[3]。為解決環(huán)境溫度所造成的檢測誤差,絕大多數(shù)通常采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度誤差修正,從而降低CO2氣體檢測過程中的溫度漂移[4]。本文著重對基于CO2氣體傳感器的電路進(jìn)行改進(jìn),在檢測系統(tǒng)中增添了恒溫控制模塊,提出了一種基于非色散紅外吸收法的恒溫CO2氣體傳感器,有效避免了因?yàn)榄h(huán)境溫度變化所造成的檢測誤差。

2 基本原理與方法

2.1 朗伯-比爾定律

大量非對稱雙原子和多原子氣體分子的振動、轉(zhuǎn)動譜線位于紅外波段,其對光的吸收呈現(xiàn)出明顯的頻率選擇性[5]。非色散紅外CO2氣體傳感器正是基于不同氣體分子對紅外光具有特定的吸收光譜這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫可知,CO2氣體對4.26 μm波段的紅外光強(qiáng)烈吸收,對4 μm波段的紅外光幾乎不吸收。

當(dāng)一束入射光強(qiáng)為I0的平行紅外光線通過待測CO2氣體介質(zhì)時,CO2氣體分子對紅外光造成衰減,使得出射光強(qiáng)為I,且光強(qiáng)衰減遵循朗伯-比爾定律(Lamber-Beer law),其表達(dá)式為:

I=I0e-k(λ)CL

(1)

通過分析上式,當(dāng)紅外光光程L、CO2氣體吸收系數(shù)k(λ)為定值時,通過測量紅外光的入射光強(qiáng)I0和出射光強(qiáng)I之間的關(guān)系,可間接計(jì)算出待測CO2氣體的濃度C:

(1)

其中,CO2氣體濃度單位為ppm。

2.2 PID算法

PID控制算法是結(jié)合偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的算法,它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制算法[6]。為解決傳統(tǒng)PID算法存在超調(diào)、積分飽和的問題,本系統(tǒng)提出采用增量式PID算法對采樣氣室的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,用u(t)表示系統(tǒng)的輸出,e(t)表示溫度控制的差值,則基于PID算法的溫度智能控制系統(tǒng)的公式為:

(3)

其中,kp表示比例放大系數(shù);ki表示積分參數(shù);kd表示微分參數(shù);調(diào)節(jié)kp可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度;調(diào)節(jié)ki可以消除靜態(tài)誤差和加快響應(yīng)速度;調(diào)節(jié)kd可以控制系統(tǒng)的超調(diào)量[7]。在實(shí)際溫度控制過程中,只需將所設(shè)定的目標(biāo)溫度和當(dāng)前溫度作為入口參數(shù)送入增量式PID算法,由算法計(jì)算出當(dāng)前單片機(jī)輸出的PWM增量,從而達(dá)到溫度控制的目的,本系統(tǒng)所提出的增量式PID恒溫控制流程如圖1所示。

圖1 PID恒溫控制流程圖

2.3 光學(xué)腔體設(shè)計(jì)與恒溫仿真

氣體傳感器的性能與采用的光路結(jié)構(gòu)密切相關(guān),它直接影響傳感器的測量精度[8]。為此,本系統(tǒng)在PID恒溫控制的基礎(chǔ)上采用了一種單氣室雙波長的采樣氣室,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過三維實(shí)體建模軟件Pro/E建立3D模型[9],采樣氣室的內(nèi)部為新型反射式扁錐形結(jié)構(gòu),探測面直徑為10 mm,錐角設(shè)定為5°,長度約為80 mm,外圍包裹了PI電熱片用于對采樣氣室進(jìn)行恒溫控制,為了減小紅外光散射對檢測結(jié)果造成干擾,對采樣氣室內(nèi)壁進(jìn)行了拋光和鍍金處理。為方便待測混合氣體進(jìn)出,在采樣氣室外圍分別開有入氣口和出氣口。采樣氣室的左側(cè)裝有直徑為3 mm的白熾燈HSL5-115-S紅外光源,其輻射波長覆蓋范圍從可見光到5 μm,包含了CO2氣體特征吸收峰。采樣氣室的右側(cè)封裝有德國PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS2534雙通道熱電堆探測器,有兩路光強(qiáng)感應(yīng)窗口,分別封裝有相應(yīng)的窄帶濾光片。當(dāng)紅外光源發(fā)射的紅外光線通過采樣氣室內(nèi)待測混合氣體后,分別通過中心波長為4 μm的參考濾光片和中心波長4.26 μm的測量濾光片,并由雙通道熱電堆探測器進(jìn)行接收和分析。由于參考光路和測量光路處于同一檢測環(huán)境中,采用采用單氣室雙波長的差分檢測模型可有效提高CO2氣體傳感器的精確性和穩(wěn)定性。

圖2 CO2氣體傳感器采樣氣室結(jié)構(gòu)圖

為直觀了解電熱膜對采樣氣室內(nèi)部恒溫控制的效果,對恒溫加熱條件下的扁錐形腔體內(nèi)的溫度場進(jìn)行了仿真與分析。在Pro/E內(nèi)對3D模型建立一個邊長為40 cm的正方體空氣域,進(jìn)而通過前處理軟件ICEM采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分[10],生成采樣氣室與空氣域的四面體網(wǎng)格如圖3(a)所示。最后,通過ANSYS FLUENT軟件對網(wǎng)格劃分好的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及迭代計(jì)算,在仿真過程中,將采樣氣室的金屬層設(shè)置為熱源,湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型[11],采樣氣室金屬層材料選定為不銹鋼,設(shè)置金屬層導(dǎo)熱系數(shù)和密度分別為16.2 W/m·℃和7.93×103kg/m3。由于采樣氣室的金屬層體積大小約為7 cm3,而實(shí)際加熱過程中的熱功率為3 W,因此在FLUENT中設(shè)置熱源的生熱率為428571 W/m3,計(jì)算流體入口采用速度入口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件。設(shè)定迭代次數(shù)為300并進(jìn)行計(jì)算,得到采樣氣室內(nèi)的溫度場分布如圖3(b)所示,在固體熱源傳熱的作用下,采樣氣室內(nèi)的升溫可達(dá)312 K,且氣室內(nèi)部空氣溫度近乎保持均勻恒定,從理論上有效驗(yàn)證了本文恒溫CO2氣體傳感器的可行性。

圖3 光學(xué)腔體與恒溫仿真

3 硬件檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)所提出的CO2氣體傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)和外圍電路組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,光學(xué)系統(tǒng)包括紅外光源、采樣氣室以及探測器,外圍電路包括STM32單片機(jī)、光源驅(qū)動電路、電源電路、溫度采集電路、加熱模塊、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、無線藍(lán)牙模塊以及上位機(jī)。該系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)對采樣氣室內(nèi)溫度的控制,又可對待測CO2氣體濃度信號進(jìn)行采集處理[12]。

圖4 CO2氣體傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選擇PI電熱片對采樣氣室進(jìn)行恒溫控制,采用以TB6612FNG芯片為核心的加熱驅(qū)動電路,首先設(shè)定溫度控制的目標(biāo)值,STM32單片機(jī)輸出占空比可變的PWM信號給TB6612FNG芯片驅(qū)動PI電熱片加熱,SHT11溫濕度傳感器實(shí)時采集采樣器室的溫度信息,將當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值之間的偏差作為反饋電路輸入值,并由相應(yīng)的控制算法計(jì)算得到系統(tǒng)的控制量,再繼續(xù)驅(qū)動PI電熱片對采樣氣室進(jìn)行加熱操作,從而逐漸地將溫度控制在目標(biāo)值附近的一定范圍內(nèi),并保持穩(wěn)定[13]。其中,SHT11溫濕度傳感器所采集到的采樣氣室內(nèi)部的溫度通過無線藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)端進(jìn)行實(shí)時顯示。

由于TPS2534雙通道熱電堆探測器對紅外光強(qiáng)變化較為敏感,在檢測過程中需對紅外光源進(jìn)行低頻率脈沖調(diào)制。因此,本文通過LM358驅(qū)動電路實(shí)時調(diào)制紅外光信號,降低外界環(huán)境光照的影響,并達(dá)到延長紅外光源使用壽命的目的[14]。紅外光在扁錐形采樣氣室內(nèi)通過不斷反射后到達(dá)TPS2534雙通道熱電堆探測器后,得到參考通道和測量通道兩路電信號經(jīng)過濾波放大和A/D轉(zhuǎn)換之后,被送到單片機(jī)內(nèi)部,最終通過上位機(jī)傳送到電腦上。

根據(jù)以上介紹,本系統(tǒng)的硬件檢測系統(tǒng)包括3塊PCB電路板,分別為主控電路板、光源驅(qū)動電路板和信號處理電路板,通過固定架,將焊接的電路板與扁錐采樣氣室腔體相連,通過杜邦線實(shí)現(xiàn)主控板與其他兩塊功能板之間的通信,組裝成實(shí)驗(yàn)測試裝置,系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 CO2氣體傳感器檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 恒溫測試

為了檢測PID算法控制的恒溫系統(tǒng)的實(shí)際作用,首先需對不同環(huán)境溫度下的恒溫效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在濃度檢測過程中,選用C180溫度試驗(yàn)箱對環(huán)境溫度進(jìn)行控制,將CO2氣體傳感器檢測系統(tǒng)置于溫度試驗(yàn)箱內(nèi),通過減壓閥將標(biāo)氣瓶內(nèi)的待測氣體輸送到采樣氣室內(nèi)部,系統(tǒng)測試平臺如圖6所示。

在恒溫控制過程中,采樣氣室的溫度由SHT11溫濕度傳感器進(jìn)行采集,并通過無線藍(lán)牙模塊實(shí)時傳輸?shù)绞謾C(jī)端,單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)對采樣氣室的恒溫控制[15],無線藍(lán)牙傳輸界面如圖7所示。

PID算法的設(shè)定溫度需稍微大于正常環(huán)境溫度,又因?yàn)橐话悱h(huán)境溫度低于40 ℃,所以本系統(tǒng)目標(biāo)溫度設(shè)定40 ℃。在恒溫控制過程中,設(shè)定kp=2、ki=0.01,kd=0.2,為了盡快穩(wěn)定加熱片的功率和保護(hù)各種設(shè)備,所以,本文分別設(shè)置C180溫度試驗(yàn)箱溫度為-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,首先,設(shè)定溫度試驗(yàn)箱的溫度為-10 ℃,等待20 min箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后,開啟單片機(jī)讓PID算法驅(qū)動PI電熱片,每隔5秒鐘在手機(jī)端讀取SHT11傳回的溫度值,記錄完畢后溫度箱每隔10 ℃重復(fù)上述操作記錄溫度值直到40 ℃。測得不同環(huán)境溫度下的采樣氣室溫度變化曲線如圖8所示。

圖6 系統(tǒng)測試平臺

圖7 無線藍(lán)牙傳輸界面圖

圖8 PID恒溫控制的采樣氣室溫度變化曲線圖

圖9給出了540～600 s的系統(tǒng)穩(wěn)定后的變化趨勢,可以看出在無論外部溫度怎么變化,當(dāng)電熱片在PID算法控制工作穩(wěn)定時,采樣氣室內(nèi)溫度誤差小于0.2 ℃,與預(yù)期結(jié)果吻合,表明PID算法加熱裝置有效地對溫度誤差進(jìn)行了硬件補(bǔ)償,從而讓傳感器工作在穩(wěn)定溫度狀態(tài)環(huán)境下,消除了環(huán)境溫度對實(shí)際檢測的干擾。

圖9 PID算法恒溫控制穩(wěn)定后的效果圖

4.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

將傳感器測試系統(tǒng)置于C180溫濕度試驗(yàn)箱中,設(shè)定試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為40 ℃。分別配置濃度為10 ppm、297 ppm、495 ppm、694 ppm、896 ppm、1100 ppm、1516 ppm、2000 ppm的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體,分8組進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn),將8組CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體通入氣體傳感器測試系統(tǒng)內(nèi),等待輸出電壓值相對穩(wěn)定后記錄下結(jié)果,求出氣體傳感器參考通道電壓信號與測量通道電壓信號的比值f,然后求出電壓比值平均值。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知,由于CO2濃度的增大,探測通道紅外波段的光被大量吸收,這樣就導(dǎo)致測量通道電壓下降,而參考通道幾乎保持不變,這樣就使比值隨著濃度的增加而增大,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。為了衡量本文所提出的CO2氣體傳感器的特性是否滿足朗伯-比爾定律,本文對標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中電壓比值平均值與CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合,指數(shù)函數(shù)擬合如圖10所示,擬合系數(shù)為0.998,擬合公式為:

f=-0.04116e-C/1227.1197+0.92544

(4)

以上擬合公式基本滿足朗伯-比爾定律,存在差異為上式多出了近似為1的常數(shù)項(xiàng),該常數(shù)項(xiàng)與傳感器自身的設(shè)計(jì)有關(guān),比如所選紅外光源為發(fā)散式光源,不是平行光入射。理論上講,該公式的反函數(shù)即為CO2氣體傳感器的標(biāo)定公式,然而在實(shí)際檢測過程中,CO2氣體的吸收系數(shù)易受到環(huán)境變化的影響,從而導(dǎo)致該標(biāo)定誤差增大。因此,將電壓比值平均值作為自變量,CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度作為因變量,采用多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合,多項(xiàng)式函數(shù)擬合如圖11所示,擬合系數(shù)為0.99749,所得CO2氣體濃度的標(biāo)定公式為:

C=1.32332×106f2-2.32644×106f+

1.02248×106

(5)

圖10 指數(shù)函數(shù)擬合曲線圖

圖11 多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線圖

4.3 恒溫效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CO2氣體傳感器的恒溫效果,在C180溫度試驗(yàn)箱設(shè)定不同的環(huán)境溫度的條件下,對恒溫控制的CO2氣體傳感器進(jìn)行檢測誤差對比。首先設(shè)定C180溫度試驗(yàn)箱的溫度為-10 ℃,待箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后開啟恒溫CO2氣體傳感器系統(tǒng),PI電熱片對采樣氣室進(jìn)行恒溫控制處理,SHT11溫濕度傳感器對采樣氣室的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并傳輸?shù)绞謾C(jī)端,待采樣氣室溫度穩(wěn)定到40 ℃時,依次通入標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的八種濃度的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行濃度測量,分別對每種濃度的氣體記錄8組輸出電壓,并求出電壓比值平均值,帶入上述標(biāo)定公式中計(jì)算出對應(yīng)的濃度值。設(shè)定箱內(nèi)溫度分別為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,重復(fù)上述測量步驟,并記錄所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。繪制出不同環(huán)境溫度下恒溫CO2氣體傳感器的檢測結(jié)果,如圖12所示。

圖12 不同溫度環(huán)境下的檢測結(jié)果圖

由圖12可知,在氣體濃度一定的情況下,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時,經(jīng)過PID算法控制的恒溫CO2氣體傳感器的檢測結(jié)果基本保持不變,所測的濃度值與CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度之間的差值如圖13所示,可以看出,兩者的絕對誤差最大為±60 ppm。由此可見,當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時,本系統(tǒng)所提出的CO2氣體傳感器可有效保持恒溫效果,而恒溫控制后檢測誤差較小且保持穩(wěn)定,因此,PID恒溫控制算法基本解決了CO2氣體傳感器溫度漂移問題。

圖13 不同溫度環(huán)境下的檢測誤差圖

5 結(jié) 論

考慮到環(huán)境溫度的變化會造成CO2氣體傳感器測量精度下降,致使其適用范圍受限,因此本文利用非色散紅外檢測技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶恒溫控制的CO2氣體傳感器。系統(tǒng)采用SHT11溫濕度傳感器對采樣氣室的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,并通過無線藍(lán)牙模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端,同時基于PID算法在不同環(huán)境溫度下對采樣氣室進(jìn)行恒溫控制。在此基礎(chǔ)上,通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)擬合出CO2氣體濃度與輸出電壓比值關(guān)系曲線,并對其恒溫效果進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。結(jié)果表明,在采樣氣室恒定40 ℃時,傳感器系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出0～2000 ppm量程范圍內(nèi)的CO2氣體濃度,絕對誤差最大為±60 ppm,滿足預(yù)期效果。