劉紅梅

(1.武漢大學(xué)軟件工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001)

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溫度對(duì)非分光紅外氣體分析儀信噪比影響研究

劉紅梅1，2

(1.武漢大學(xué)軟件工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001)

非分光紅外氣體分析儀設(shè)計(jì)中存在很多干擾源，如電源老化與電壓漂移、光源驅(qū)動(dòng)的不穩(wěn)定性、氣室的光潔程度、信號(hào)調(diào)整電路的不合理設(shè)計(jì)以及零點(diǎn)漂移等。其中紅外池中，溫度的穩(wěn)定性對(duì)氣體的吸收影響大，氣體吸收對(duì)于溫度具有窗口特性等。該文對(duì)非分光紅外氣體分析儀在室溫和恒溫控溫環(huán)境中做了對(duì)比試驗(yàn)，控溫系統(tǒng)的恒溫點(diǎn)設(shè)置在(48±0.1) ℃，通過試驗(yàn)比較表明高精度恒溫系統(tǒng)下，非分光紅外氣體分析儀的信噪比得到了明顯改善。

非分光紅外；氣體分析儀；高精度溫控系統(tǒng)；信噪比

0 引言

當(dāng)前非分光紅外氣體分析儀設(shè)計(jì)中存在很多干擾源，如電源老化與電壓漂移、光源驅(qū)動(dòng)的不穩(wěn)定性、氣室的光潔程度、信號(hào)調(diào)整電路的不合理設(shè)計(jì)以及零點(diǎn)漂移等[1-2]。其中紅外池中，溫度的穩(wěn)定性對(duì)氣體的吸收影響大，氣體吸收對(duì)于溫度具有窗口特性等。基于此，本文對(duì)非分光紅外氣體分析儀在室溫和恒溫控溫環(huán)境中做了對(duì)比試驗(yàn)，控溫系統(tǒng)的恒溫點(diǎn)設(shè)置在(48±0.1)℃，通過試驗(yàn)比較表明高精度恒溫系統(tǒng)下，非分光紅外氣體分析儀的信噪比得到了明顯改善[3]。

1 非分光紅外氣體分析機(jī)理

當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收作用。非分光紅外氣體分析機(jī)理遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律。定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。

I1=I0exp(-L∑μici)

(1)

式中：I0為平行入射光的強(qiáng)度；I1為出射光的強(qiáng)度；L為氣體介質(zhì)的厚度;c為氣體的濃度；μ為氣體的吸收系數(shù)；c和μ下標(biāo)i表示不同的氣體。

圖1 NDIR氣體紅外吸收譜

非分光紅外氣體吸收譜如圖1所示。根據(jù)氣體吸收譜，對(duì)應(yīng)于不同的組分氣體，在測(cè)量過程中，需要選擇特定的濾光片或者探測(cè)器。靶向特征吸收峰，僅對(duì)待測(cè)量進(jìn)行吸收，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體的濃度變化。

2 溫度對(duì)非分光紅外氣體分析儀信噪比的影響分析

NDIR氣體分析儀的紅外池如圖2所示。

圖2 紅外池

在非分光紅外氣體分析儀中，整個(gè)紅外池置于一個(gè)密封的長(zhǎng)方形腔體中，其中還包括信號(hào)處理電路板、電路轉(zhuǎn)接板、光源驅(qū)動(dòng)板和電源電路板。紅外池裝置由紅外光源、不銹鋼鍍金氣室、濾光片或聚光塔、紅外探測(cè)器等組成。溫度對(duì)紅外池的影響可以歸納為以下幾個(gè)方面[4]：

(1)溫度對(duì)紅外光源穩(wěn)定性的影響。當(dāng)溫度變化時(shí)，處于腔體中的電源板會(huì)受到溫度變化而使得電源芯片的輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響光源的驅(qū)動(dòng)功率，影響入射的光照強(qiáng)度I0。此外紅外光源的特性參數(shù)中顯示，當(dāng)工作在47～48 ℃時(shí)，輸出功率最為穩(wěn)定，因此當(dāng)處于室溫環(huán)境時(shí)，輸出波動(dòng)也會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的誤差。

(2)溫度對(duì)不銹鋼鍍金氣室的信噪比存在影響。鍍金氣室是紅外池的核心，必須采用高質(zhì)量的內(nèi)壁拋光管，并且采用鍍金工藝，提高光潔度，減小漫反射造成的誤差，在試驗(yàn)過程中，不銹鋼氣室有比較大的熱容量，當(dāng)溫度變化時(shí)，會(huì)對(duì)腔體的溫度有影響，從而影響整個(gè)腔體的體積以及由于溫度變化帶來的吸收率的下降。同時(shí)，當(dāng)環(huán)腔體內(nèi)溫度提高到一個(gè)高于室溫的恒定值時(shí)，熱容量可以穩(wěn)定，存在的誤差也是一個(gè)相對(duì)恒定的誤差，在后續(xù)的信號(hào)處理電路中也會(huì)很容易進(jìn)行處理[5-7〗。

(3)溫度對(duì)紅外探測(cè)器穩(wěn)定性存在影響。紅外探測(cè)器在恒定溫度下的工作穩(wěn)定性更好。

(4)溫度對(duì)腔體中的其他電路板存在影響。信號(hào)處理電路板、電路轉(zhuǎn)接板、光源驅(qū)動(dòng)板和電源電路板在不同程度上會(huì)受到溫度變化的影響，當(dāng)在室溫下，實(shí)驗(yàn)室中，由于溫度的不穩(wěn)定性，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量帶來誤差，當(dāng)處于高精度的恒溫環(huán)境下時(shí)，雖然會(huì)增大電路本身的熱噪聲，但是由于溫度的穩(wěn)定性，噪聲同樣具有恒定性的特點(diǎn)，通過信號(hào)處理電路易處理。

3 非分光紅外氣體分析儀在室溫和控溫環(huán)境下的信噪比試驗(yàn)

根據(jù)溫度對(duì)非分光紅外氣體分析儀信噪比的影響分析，分別在室溫下和恒溫控制下進(jìn)行了儀器的信噪比試驗(yàn)。

3.1 非分光紅外氣體分析儀在室溫下的試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為室溫；實(shí)驗(yàn)室為無強(qiáng)對(duì)流空氣的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室；試驗(yàn)氣體壓強(qiáng)為1.2 MPa；待測(cè)氣體流速根據(jù)測(cè)量要求設(shè)定，使得輸出信號(hào)的幅值達(dá)到一定的測(cè)量點(diǎn)；試驗(yàn)儀器為儀器Y01。在遵循試驗(yàn)原理和整體試驗(yàn)步驟完全符合試驗(yàn)要求的前提下，在探測(cè)器一端測(cè)得的輸出信號(hào)波形如圖3所示。

圖3 常溫下探測(cè)器下的信號(hào)波形

結(jié)果分析：在試驗(yàn)前進(jìn)行充分的預(yù)熱后，進(jìn)行近1 h的測(cè)試，得到信號(hào)的輸出幅值在623 mV左右，輸出信號(hào)的波動(dòng)范圍約為130 μV。

3.2 非分光紅外氣體分析儀在恒溫環(huán)境下的試驗(yàn)

由于溫度對(duì)非分光紅外氣體分析儀的信噪比具有多方面的影響，本文設(shè)計(jì)了一款基于增量式PID算法的高精度恒溫系統(tǒng)，讓紅外池置于同一個(gè)長(zhǎng)方形的試驗(yàn)腔體中，該腔體采用保溫海綿密封，恒溫腔體的恒溫點(diǎn)設(shè)置在48 ℃[8]。控溫精度在±0.1 ℃范圍內(nèi) ，基本恒溫，高于現(xiàn)有恒溫系統(tǒng)的恒溫精度近10倍。

集成溫度傳感器采用AD590電流型溫度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換采用ADS1110，其采集電路如圖4所示。

圖4 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊

加熱控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 加熱控制模塊電路原理圖

3.2.1 增量式PID算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

PID控制公式：

=up(n)+uI(n)+uD(n)+u0

(1)

增量型PID算法的算式如下式所示:

Δu(n)=a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)

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(shí)采用增量式PID算法?？販刂芷?0 s。加溫過沖，當(dāng)溫度接近恒溫點(diǎn)時(shí)，采用階梯式恒溫控制方法，如圖6所示。圖中T0為過沖溫度，T1為恒溫溫度，T2為調(diào)整溫度，t2-t1為過沖時(shí)間。

圖6 增量式PID階梯控制方法

通過上位機(jī)軟件監(jiān)控，對(duì)經(jīng)過增量式PID算法控制的腔體通過點(diǎn)溫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到預(yù)定控制溫度范圍，溫度控制效果圖如圖7所示。

圖7 控溫效果圖

3.2.2 恒溫環(huán)境下的試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為48 ℃±0.1 ℃；實(shí)驗(yàn)室為無強(qiáng)對(duì)流空氣的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室；試驗(yàn)氣體壓強(qiáng)為1.2 MPa；待測(cè)氣體流速為根據(jù)測(cè)量要求設(shè)定，使得輸出信號(hào)的幅值達(dá)到一定的測(cè)量點(diǎn)；試驗(yàn)儀器為儀器Y01。將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)置于恒溫控制系統(tǒng)里后，在探測(cè)器端測(cè)得的信號(hào)如圖8所示。

圖8 恒溫處理后的信號(hào)波形

結(jié)果分析：在試驗(yàn)前進(jìn)行充分的預(yù)熱后，進(jìn)行近1 h的測(cè)試，得到信號(hào)的輸出幅值在628 mV左右，輸出信號(hào)的波動(dòng)范圍約為60 μV。

4 結(jié)論

本文通過分析溫度因素對(duì)非分光紅外氣體分析儀的信噪比的影響，分別在室溫和恒溫環(huán)境下進(jìn)行了信噪比的測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，溫度對(duì)信噪比的影響較大，通過恒溫處理后，對(duì)信噪比的改善明顯。

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Temperature Effect on Signal to Noise Ratio of NDIR Gas Analyzer

LIU Hong-mei1,2

(1.School of Software Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

At present,there are many interference sources existed in the design of NDIR gas analyzer,such as power aging,voltage drift,light driven instability,clean degree of gas chamber,signal adjusting circuit unreasonable design and zero drift,etc.Among which,in the IR pool,the temperature stability has great effects on the gas absorption,while the gas absorption has window characteristics to temperature.Comparative tests of the non-dispersive infrared gas analyzer at room temeperature and constant temperature controlled environment were made.The constant temperature point of temperature control system was set to (48±0.1)℃.The comparative experiment shows that SNR of the non-dispersive infrared gas analyzer is improved obviously under the high precision constant temperature system.

NDIR;gas analyzer;high precision temperature control system;signal to noise ratio

2014-03-21 收修改稿日期：2014-10-28

TP334.3

A

1002-1841(2015)04-0049-02

劉紅梅(1980—)，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用，軟件工程。