張 胥，徐雷鈞，白 雪，肖 暉

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市計量檢定測試中心，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

室內(nèi)環(huán)境中含有多組分氣體，其中部分氣體過量對人體產(chǎn)生危害，如CH、CO2和CO等氣體。因此，設(shè)計氣體檢測裝置，實時檢測室內(nèi)環(huán)境中多組分氣體濃度，能夠有效避免室內(nèi)氣體中毒事件的發(fā)生。

目前，氣體檢測裝置多采用電化學(xué)法、半導(dǎo)體傳感器以及紅外檢測法[1]。與其他方式相比，紅外檢測法具有壽命長、環(huán)保、響應(yīng)快以及精度高的優(yōu)點，其中非分光紅外檢測法(NDIR)效果最佳[2]。現(xiàn)有的紅外氣體檢測裝置多存在檢測氣體組分單一、裝置體積過大和數(shù)據(jù)觀測不便的問題，關(guān)于多組分、小型化和智能化的氣體檢測裝置的研究較少。孫世嶺利用LED-PR光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計了基于非色散紅外技術(shù)的低功耗CO2傳感器[3]，但其檢測氣體組分單一，應(yīng)用場景較少。杜彬彬設(shè)計了三橢球結(jié)構(gòu)吸收室的甲烷檢測系統(tǒng)，提高氣體傳感器的分辨率，但氣室體積過大，不便攜帶[4]。因此，設(shè)計多組分、可視化且便攜式的氣體檢測裝置成為解決問題的關(guān)鍵。

為了能實時、準(zhǔn)確、高效地檢測室內(nèi)有害氣體濃度，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的三組分氣體檢測裝置。該裝置以非分光紅外檢測法為基本原理，輔以物聯(lián)網(wǎng)平臺及相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)CH、CO2和CO三組分氣體濃度變化的遠程可視化監(jiān)測，利用反射型氣室、緊湊的電路結(jié)構(gòu)縮小了裝置的體積，實現(xiàn)了小型化。

1 基本檢測原理

1.1 朗伯-比爾定律

由紅外光譜原理可知，一定頻率的紅外光照射氣體分子時，被測氣體分子中擁有相同振動頻率的分子鍵振動吸收[5]。該頻率紅外光被吸收后，對應(yīng)的輸出光強減弱，吸收關(guān)系遵守朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[6]，假設(shè)入射光強為Iin，出射光強為Iout，其表達式為

Iout=Iin·e-kcl

(1)

式中：k為氣體對紅外光的吸收系數(shù)；c為吸收紅外光氣體的濃度，ppm(1 ppm=10-6)；l為氣體吸收介質(zhì)的長度[7]，cm。

1.2 非分光紅外差分檢測模型

在實際測量中，采用多通道的差分檢測方式可以有效減小誤差。其原理如下，對于待測氣體在紅外光通過后，測量通道和參比通道的輸出光強IMout、IRout分別為：

IMout=IMin·e-kMcl

(2)

IRout=IRin·e-kRcl

(3)

在采用單光源的情況下，測量通道和參比通道的初始光強差異可忽略不計，即IMin≈IRin。由式(2)、式(3)可得到待測氣體濃度c的表達式為

(4)

由式(4)可以看出采用差分檢測方式可以顯著降低入射光強變化所帶來的影響[8]。

由于熱電堆探測器的輸出電壓和紅外光輸出光強成正比，即V∝I[9],結(jié)合式(4)可得：

(5)

式中：VMout、VRout分別為熱電堆探測器測量通道和參比通道輸出電壓值，mV。

由式(5)可知，在氣體對紅外光的吸收系數(shù)kR、kM及氣體吸收介質(zhì)長度l確定已知的情況下，通過測量熱電堆探測器輸出電壓即可反演推算出待測氣體的實際濃度值[10]。

本裝置需同時檢測CH、CO2和CO氣體的濃度，為縮小裝置體積選用集成一體化熱電堆探測器HTS-Q21，其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱電堆探測器內(nèi)外部結(jié)構(gòu)圖

熱電堆探測器內(nèi)部是由若干熱電偶串聯(lián)組成，其基本原理遵循塞貝克效應(yīng)，即其輸出電壓取決于熱電偶測量端(1、3、4、5、6)和基準(zhǔn)端(2)之間的溫度差?；鶞?zhǔn)端的溫度由熱敏電阻測得，當(dāng)有紅外光照射至探測器表面，熱電堆測量端溫度上升，產(chǎn)生熱電勢，輸出電壓信號。

熱電堆探測器外部有4個不同波長的濾波片，分別為TP1-3.4 μm(CH對紅外光吸收波長)、TP2-4.26 μm(CO2對紅外光吸收波長)、TP3-4.64 μm(CO對紅外光吸收波長)和TP4-3.91 μm(上述3組氣體對該波長紅外光幾乎不吸收)[11]。將氣體不敏感濾波片(TP4)當(dāng)作參比通道，氣體對紅外光有較好吸收能力的濾波片(TP1、TP2、TP3)當(dāng)作測量通道，由此構(gòu)成三組氣體差分檢測的結(jié)構(gòu)。

在本設(shè)計中以單光源四光路的形式檢測三組分氣體濃度。借助其探測器測量模型如圖2所示。

2 系統(tǒng)總體方案

裝置主要由紅外光源、氣室、熱電堆探測器組成的光路系統(tǒng)[12]以及光源調(diào)制電路、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、無線通訊電路組成的電路系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三組分氣體傳感器裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置以ESP8266為核心，其是一個高度集成的WiFi MCU。當(dāng)裝置正常工作時，ESP8266的PWM功能引腳輸出2 Hz頻率的方波調(diào)制信號，在光源驅(qū)動電路的作用下驅(qū)動紅外光源IRL715。紅外光源以固定頻率發(fā)出連續(xù)光譜的紅外光，經(jīng)氣室反射后到達熱電堆探測器HTS-Q21濾波片表面，在濾波片的過濾后，探測器內(nèi)部熱電堆根據(jù)特定波長紅外光的光強產(chǎn)生相應(yīng)的熱電動勢信號。

由于熱電堆探測器輸出電壓信號為μV級別且其中夾雜著大量噪聲信號，需要信號調(diào)理電路完成對熱電堆探測器輸出信號的放大與濾波處理。信號在處理完畢后進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為單片機可讀取的數(shù)字量信號，并利用I2C接口傳輸給單片機進行數(shù)據(jù)處理。通過WiFi及MQTT軟通訊協(xié)議將處理完畢的數(shù)據(jù)上傳手機監(jiān)測端,實現(xiàn)了三組分氣體的可視化遠程檢測功能。

3 硬件設(shè)計

3.1 光源驅(qū)動電路

由于熱電堆探測器輸出信號中包含大量噪聲信號，為保證有效電壓信號具有區(qū)分度，在本設(shè)計中通過ESP8266外設(shè)接口的PMW功能產(chǎn)生2 Hz頻率的調(diào)制信號控制紅外光源交替暗滅，使熱電堆探測器輸出一個2 Hz特征頻率的信號以便于提取。

考慮到使用紅外光源正常工作時電流為115 mA，單片機外設(shè)驅(qū)動電流不能達到，需要額外的光源驅(qū)動電路，其電路如圖4所示。通過控制可控穩(wěn)壓芯片ADP7118-5,保證輸出穩(wěn)定、連續(xù)且變化的紅外光。由于紅外光源導(dǎo)通電流過大(約150 mA)，為防止燈的開關(guān)脈沖耦合至較小的熱電堆輸出電壓，將紅外光源采用單獨電源供電。

圖4 光源驅(qū)動電路圖

3.2 信號調(diào)理電路

熱電堆探測器輸出電壓范圍為幾百μV至幾mV不能直接采樣，且其中包含大量的噪聲信號會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為了使探測器輸出信號能達到采樣電路的最低采樣閾值，需對其進行放大處理；為在噪聲信號中提取有用的輸出信號，需對其進行濾波處理。設(shè)計中采取放大濾波的方式，選用具有極低失調(diào)電壓和漂移的精密運算放大器芯片OP281構(gòu)建電路。單路濾波放大電路如圖5所示。

圖5 單路濾波放大電路圖

熱電堆探測器的每個通道都配備了84 kΩ的內(nèi)部電阻，可以與電容C1構(gòu)建RC低通濾波電路，其截止頻率為

其22位階躍函數(shù)響應(yīng)時間為

τ=84 kΩ×39 nF×ln222≈49.9 ms

電阻R1、R2構(gòu)成電路的增益放大部分，其放大增益為

電阻R2與電容C2又構(gòu)成一個濾波電路，其截止頻率為

其22位階躍函數(shù)響應(yīng)時間為

τ=200 kΩ×16 nF×ln222≈48.7 ms

由于采用的紅外光調(diào)制頻率為2 Hz，因此22位階躍函數(shù)響應(yīng)時間約為50 ms。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

在經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸出4路模擬信號：CH、CO2、CO氣體測量信號和參考信號。在對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，為提高測量精度，選用ADS1115芯片。這是4通道16位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可同時對4路模擬信號進行采樣。通過硬件I2C接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至ESP8266中進行濃度計算。電路如圖6所示。

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括下位機軟件程序設(shè)計和用戶監(jiān)測界面設(shè)計。

4.1 下位機軟件程序設(shè)計

下位機程序操控整個系統(tǒng)設(shè)備端的實現(xiàn)過程，包含系統(tǒng)初始化、光源調(diào)制、數(shù)據(jù)采集、封裝數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)上傳云端的功能。下位機軟件流程如圖7所示。當(dāng)裝置上電后程序開始執(zhí)行，首先進行系統(tǒng)內(nèi)部定時器及相應(yīng)外設(shè)的初始化操作，然后ESP8266開始連接室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)上傳云端做準(zhǔn)備。當(dāng)連接成功后，進行紅外光源的2 Hz調(diào)制并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集探測器輸出的模擬信號，每次采集到的數(shù)據(jù)在經(jīng)過數(shù)據(jù)均值處理后采用Json字符串的格式進行封包，然后通過WiFi上傳至云端。

圖7 下位機軟件流程圖

4.2 用戶監(jiān)測軟件設(shè)計

用戶監(jiān)測軟件的功能主要是利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對下位機測量氣體濃度的顯示及氣體濃度過閾值情況下的報警，其功能結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要分為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺及監(jiān)測界面3個部分。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)中包括三組分氣體傳感器和外設(shè)I/O設(shè)備，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行云平臺下發(fā)的控制指令。物聯(lián)網(wǎng)云平臺在接收到數(shù)據(jù)后通過規(guī)則引擎將數(shù)據(jù)下發(fā)至微信小程序制作監(jiān)測軟件實時顯示室內(nèi)三組分氣體的濃度值。

5 實驗與結(jié)果

裝置的實驗測試及對氣體濃度的標(biāo)定在鎮(zhèn)江市計量檢定測試中心完成。

選用2 000 ppm濃度的CH、CO2和CO三組分氣體以及高純濃度N2。通過校準(zhǔn)器發(fā)生器將待測氣體與高純濃度N2混合進行稀釋，從而得到不同的濃度值用于標(biāo)定。

實驗在室溫25 ℃下進行，在校準(zhǔn)器發(fā)生氣配比完成后，通過引氣導(dǎo)管向氣室內(nèi)通入待標(biāo)定的氣體，持續(xù)通氣30 s以排除氣室內(nèi)原有氣體，再靜置30 s待數(shù)值穩(wěn)定后再進行讀數(shù)。每組濃度氣體標(biāo)定10次，最終取所有數(shù)據(jù)的平均值減小誤差，其標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣體標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

標(biāo)定完成后，對三組分氣體測量電壓和參考電壓的比值做函數(shù)擬合處理，其擬合曲線如圖9所示。

圖9 標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線圖

將擬合得到的函數(shù)寫入代碼中，單片機會根據(jù)電壓值，獲得對應(yīng)氣體濃度值。

為了測試裝置的穩(wěn)定性，CH、CO2和CO氣體在800 ppm濃度進行重復(fù)性測試，分別測試5組數(shù)據(jù)。其測量結(jié)果如表2所示。由表2可知，測量的誤差最大為2.95%，具有良好的重復(fù)性，滿足使用需求。

表2 重復(fù)性測試數(shù)據(jù) ppm

并且以CH在600 ppm濃度、CO2在800 ppm濃度及CO在1 000 ppm濃度為例，在不同時段進行穩(wěn)定性測試。結(jié)果如圖10所示。

圖10 穩(wěn)定性測試曲線圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的三組分氣體檢測小型化裝置，實現(xiàn)了室內(nèi)CH、CO2和CO三組分氣體濃度的無線遠程監(jiān)測。以非分光紅外檢測法為基本原理，設(shè)計了單光源四光路的反射型氣室結(jié)構(gòu)提高了光路長度，有效減小了外界環(huán)境帶來的影響。利用高性能運放設(shè)計了信號處理電路，有效放大了探測器輸出微弱信號并濾除其中的噪聲信號。以ESP8266為核心，完成光源驅(qū)動、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺的功能，最終可以在無線監(jiān)測端實時查看室內(nèi)三組分氣體的濃度。經(jīng)過實驗測試可知，設(shè)計的CH、CO2和CO三組分氣體檢測裝置在0～2 000 ppm內(nèi)的檢測精度為2.95%，具有穩(wěn)定性好、小型化和遠程監(jiān)測的特點，可應(yīng)用于室內(nèi)或礦井區(qū)等場所實時監(jiān)測有害氣體的濃度。