NDIR氣體測(cè)控系統(tǒng)中關(guān)鍵問(wèn)題的分析與設(shè)計(jì)

高鐵對(duì)安全性能要求越來(lái)越高，針對(duì)威脅高鐵運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)，充分利用各種檢測(cè)、監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)，加強(qiáng)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部、外部環(huán)境等的安全檢測(cè)、監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采取針對(duì)性的防控和處置措施，是確保高鐵運(yùn)行安全的重要技術(shù)支撐。文章介紹一種電調(diào)制非分光紅外傳感器構(gòu)成的新型氣體測(cè)試儀中關(guān)鍵問(wèn)題的分析與設(shè)計(jì)，提高高鐵運(yùn)行運(yùn)行過(guò)程中SO2、CO、CO2等有關(guān)煙霧氣體的檢測(cè)性能。

NDIR(電調(diào)制非分光紅外)氣體傳感器采用電調(diào)制的紅外光源，同時(shí)采用高精度干涉濾光片以及鍍金氣室，避免了強(qiáng)震動(dòng)的機(jī)械裝置，在氣體精密測(cè)控儀器上得到了迅速的發(fā)展。

電調(diào)制的紅外光源容易受到調(diào)制頻率的影響，其調(diào)制頻率與調(diào)制深度的關(guān)系曲線如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)100%調(diào)制深度且穩(wěn)定的狀態(tài)，設(shè)置調(diào)制頻率為10Hz。紅外光源由恒功率電源供電，確保光源的發(fā)光功率基本不變，但是紅外光源、傳感器氣室以及探測(cè)器都會(huì)不同程度受到溫度變化的影響，同時(shí)，信號(hào)處理電路中元件也存在一定的溫漂，因此測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境恒溫至關(guān)重要。此外紅外光通過(guò)窗口材料入射到測(cè)量氣室，被測(cè)氣體通過(guò)測(cè)量氣室，吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，透過(guò)測(cè)量氣室的紅外光由探測(cè)器接收，得到一個(gè)與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的微弱直流信號(hào)，此直流信號(hào)極易受外界的干擾，穩(wěn)定可靠、選頻特性?xún)?yōu)良、抗干擾能力強(qiáng)的微弱信號(hào)處理電路同樣關(guān)鍵。

1 測(cè)試系統(tǒng)中高精度恒溫的實(shí)現(xiàn)

1)溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖2。由電流型溫度傳感器AD590進(jìn)行溫度采集，通過(guò)電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓，再由AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1110完成溫度的A/D轉(zhuǎn)換。

2)加熱控制電路如圖3所示。本電路是典型的以弱控強(qiáng)的電路。控制信號(hào)CTRL是由單片機(jī)控制輸出的PID信號(hào)，其中的三極管Q1在此信號(hào)的作用下，低電平時(shí)導(dǎo)通、高電平時(shí)截止，從而控制繼電器S1的通斷，繼而CON2端所接的加熱片，實(shí)現(xiàn)加熱的PID控制。

3)增量式PID算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中溫度采集每100毫秒采集一次，在快速升溫階段采用模糊算法進(jìn)行控溫，而在恒溫時(shí)采用增量式PID算法。為防止加熱過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，溫度接近恒溫點(diǎn)時(shí)，采用階梯式恒溫控制方法，如圖4所示，從而實(shí)現(xiàn)精密控溫。

2 微弱信號(hào)處理電路

探測(cè)器輸出的信號(hào)非常微弱，極易受到外界的干擾，因此設(shè)計(jì)選頻特性?xún)?yōu)良、強(qiáng)抗干擾能力的微弱信號(hào)處理電路，對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能體現(xiàn)具有決定性的意義。

1)積分與濾波電路以及精密整流電路，如圖5所示。

2)線性平均值電路與兩級(jí)二階壓控電壓源濾波電路，如圖6所示。

兩級(jí)電路的特征頻率一致，因此具有良好的選頻特性。

其總的品質(zhì)因素為0.707，因此電路具有最佳的平坦特性，抗干擾能力強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)與效果

通過(guò)以上關(guān)鍵問(wèn)題的設(shè)計(jì)與研究，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和檢測(cè)，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性好，溫漂小，其控溫效果如圖7所示。

微弱信號(hào)處理電路選頻特性良好，抗干擾能力強(qiáng)，漂移非常小，信號(hào)穩(wěn)定度高，能實(shí)現(xiàn)精密放大，氣體測(cè)量精度高。測(cè)量效果如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了NDIR氣體測(cè)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題，并針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究，提出了高精度恒溫的實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，與新的微弱信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)溫度穩(wěn)定性好，溫漂小，電路選頻特性良好，抗干擾能力強(qiáng)，漂移非常小，信號(hào)穩(wěn)定度高，能實(shí)現(xiàn)精密放大，氣體測(cè)量精度高。已取得良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，也同樣可應(yīng)用于其他的應(yīng)用環(huán)境。