恒溫NDIR二氧化碳氣體傳感器研究

裴 昱,張加宏,2,李 敏,顧 芳

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,江蘇 南京 210044)

1 引 言

CO2是大氣的重要組成部分之一,在精細化工農業生產、大氣環境監測、生物醫學診斷等領域有著非常廣泛的應用[1]。近年來,社會經濟的持續發展導致了全球氣候不斷的變化,對CO2濃度進行實時高效的檢測也愈加重要[2]。當前,針對CO2氣體濃度進行檢測的手段主要有電化學法、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、抗干擾性強等優點,在CO2氣體檢測領域受到廣泛的應用。

此外,在實際測量的過程中,CO2氣體傳感器系統的性能易受到環境溫度的影響,當環境溫度發生變化時,CO2氣體本身的光譜特性會產生變化,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生偏移,所檢測到的CO2氣體濃度也會隨之產生誤差[3]。為解決環境溫度所造成的檢測誤差,絕大多數通常采用軟件補償的方法進行溫度誤差修正,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行改進,在檢測系統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,有效避免了因為環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、轉動譜線位于紅外波段,其對光的吸收呈現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來實現的。根據HITRAN數據庫可知,CO2氣體對4.26 μm波段的紅外光強烈吸收,對4 μm波段的紅外光幾乎不吸收。

當一束入射光強為I0的平行紅外光線通過待測CO2氣體介質時,CO2氣體分子對紅外光造成衰減,使得出射光強為I,且光強衰減遵循朗伯-比爾定律(Lamber-Beer law),其表達式為:

I=I0e-k(λ)CL

(1)

通過分析上式,當紅外光光程L、CO2氣體吸收系數k(λ)為定值時,通過測量紅外光的入射光強I0和出射光強I之間的關系,可間接計算出待測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控制算法是結合偏差的比例、積分和微分進行控制的算法,它是連續系統中技術最成熟、應用最廣泛的一種控制算法[6]。為解決傳統PID算法存在超調、積分飽和的問題,本系統提出采用增量式PID算法對采樣氣室的溫度進行調節控制,用u(t)表示系統的輸出,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的公式為:

(3)

其中,kp表示比例放大系數;ki表示積分參數;kd表示微分參數;調節kp可以加快系統的響應速度;調節ki可以消除靜態誤差和加快響應速度;調節kd可以控制系統的超調量[7]。在實際溫度控制過程中,只需將所設定的目標溫度和當前溫度作為入口參數送入增量式PID算法,由算法計算出當前單片機輸出的PWM增量,從而達到溫度控制的目的,本系統所提出的增量式PID恒溫控制流程如圖1所示。

圖1 PID恒溫控制流程圖

2.3 光學腔體設計與恒溫仿真

氣體傳感器的性能與采用的光路結構密切相關,它直接影響傳感器的測量精度[8]。為此,本系統在PID恒溫控制的基礎上采用了一種單氣室雙波長的采樣氣室,其結構如圖2所示。通過三維實體建模軟件Pro/E建立3D模型[9],采樣氣室的內部為新型反射式扁錐形結構,探測面直徑為10 mm,錐角設定為5°,長度約為80 mm,外圍包裹了PI電熱片用于對采樣氣室進行恒溫控制,為了減小紅外光散射對檢測結果造成干擾,對采樣氣室內壁進行了拋光和鍍金處理。為方便待測混合氣體進出,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。采樣氣室的右側封裝有德國PerkinElmer公司生產的TPS2534雙通道熱電堆探測器,有兩路光強感應窗口,分別封裝有相應的窄帶濾光片。當紅外光源發射的紅外光線通過采樣氣室內待測混合氣體后,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行接收和分析。由于參考光路和測量光路處于同一檢測環境中,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定性。

圖2 CO2氣體傳感器采樣氣室結構圖

為直觀了解電熱膜對采樣氣室內部恒溫控制的效果,對恒溫加熱條件下的扁錐形腔體內的溫度場進行了仿真與分析。在Pro/E內對3D模型建立一個邊長為40 cm的正方體空氣域,進而通過前處理軟件ICEM采用適應性較強的非結構化四面體網格劃分[10],生成采樣氣室與空氣域的四面體網格如圖3(a)所示。最后,通過ANSYS FLUENT軟件對網格劃分好的模型進行參數設置及迭代計算,在仿真過程中,將采樣氣室的金屬層設置為熱源,湍流模型選擇標準K-ε模型[11],采樣氣室金屬層材料選定為不銹鋼,設置金屬層導熱系數和密度分別為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,而實際加熱過程中的熱功率為3 W,因此在FLUENT中設置熱源的生熱率為428571 W/m3,計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。設定迭代次數為300并進行計算,得到采樣氣室內的溫度場分布如圖3(b)所示,在固體熱源傳熱的作用下,采樣氣室內的升溫可達312 K,且氣室內部空氣溫度近乎保持均勻恒定,從理論上有效驗證了本文恒溫CO2氣體傳感器的可行性。

圖3 光學腔體與恒溫仿真

3 硬件檢測系統

本系統所提出的CO2氣體傳感器主要由光學系統和外圍電路組成,其系統結構如圖4所示。其中,光學系統包括紅外光源、采樣氣室以及探測器,外圍電路包括STM32單片機、光源驅動電路、電源電路、溫度采集電路、加熱模塊、濾波放大電路、A/D轉換電路、無線藍牙模塊以及上位機。該系統既可實現對采樣氣室內溫度的控制,又可對待測CO2氣體濃度信號進行采集處理[12]。

圖4 CO2氣體傳感器系統結構圖

系統選擇PI電熱片對采樣氣室進行恒溫控制,采用以TB6612FNG芯片為核心的加熱驅動電路,首先設定溫度控制的目標值,STM32單片機輸出占空比可變的PWM信號給TB6612FNG芯片驅動PI電熱片加熱,SHT11溫濕度傳感器實時采集采樣器室的溫度信息,將當前溫度值與設定溫度值之間的偏差作為反饋電路輸入值,并由相應的控制算法計算得到系統的控制量,再繼續驅動PI電熱片對采樣氣室進行加熱操作,從而逐漸地將溫度控制在目標值附近的一定范圍內,并保持穩定[13]。其中,SHT11溫濕度傳感器所采集到的采樣氣室內部的溫度通過無線藍牙模塊傳輸到手機端進行實時顯示。

由于TPS2534雙通道熱電堆探測器對紅外光強變化較為敏感,在檢測過程中需對紅外光源進行低頻率脈沖調制。因此,本文通過LM358驅動電路實時調制紅外光信號,降低外界環境光照的影響,并達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通過不斷反射后到達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過濾波放大和A/D轉換之后,被送到單片機內部,最終通過上位機傳送到電腦上。

根據以上介紹,本系統的硬件檢測系統包括3塊PCB電路板,分別為主控電路板、光源驅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,通過杜邦線實現主控板與其他兩塊功能板之間的通信,組裝成實驗測試裝置,系統實物圖如圖5所示。

圖5 CO2氣體傳感器檢測系統實物圖

4 實驗分析

4.1 恒溫測試

為了檢測PID算法控制的恒溫系統的實際作用,首先需對不同環境溫度下的恒溫效果進行實驗驗證。在濃度檢測過程中,選用C180溫度試驗箱對環境溫度進行控制,將CO2氣體傳感器檢測系統置于溫度試驗箱內,通過減壓閥將標氣瓶內的待測氣體輸送到采樣氣室內部,系統測試平臺如圖6所示。

在恒溫控制過程中,采樣氣室的溫度由SHT11溫濕度傳感器進行采集,并通過無線藍牙模塊實時傳輸到手機端,單片機通過調節PWM占空比實現對采樣氣室的恒溫控制[15],無線藍牙傳輸界面如圖7所示。

PID算法的設定溫度需稍微大于正常環境溫度,又因為一般環境溫度低于40 ℃,所以本系統目標溫度設定40 ℃。在恒溫控制過程中,設定kp=2、ki=0.01,kd=0.2,為了盡快穩定加熱片的功率和保護各種設備,所以,本文分別設置C180溫度試驗箱溫度為-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,首先,設定溫度試驗箱的溫度為-10 ℃,等待20 min箱內溫度穩定后,開啟單片機讓PID算法驅動PI電熱片,每隔5秒鐘在手機端讀取SHT11傳回的溫度值,記錄完畢后溫度箱每隔10 ℃重復上述操作記錄溫度值直到40 ℃。測得不同環境溫度下的采樣氣室溫度變化曲線如圖8所示。

圖6 系統測試平臺

圖7 無線藍牙傳輸界面圖

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的系統穩定后的變化趨勢,可以看出在無論外部溫度怎么變化,當電熱片在PID算法控制工作穩定時,采樣氣室內溫度誤差小于0.2 ℃,與預期結果吻合,表明PID算法加熱裝置有效地對溫度誤差進行了硬件補償,從而讓傳感器工作在穩定溫度狀態環境下,消除了環境溫度對實際檢測的干擾。

圖9 PID算法恒溫控制穩定后的效果圖

4.2 標定實驗

將傳感器測試系統置于C180溫濕度試驗箱中,設定試驗箱內溫度為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標準氣體,分8組進行檢測實驗,將8組CO2標準氣體通入氣體傳感器測試系統內,等待輸出電壓值相對穩定后記錄下結果,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。標定結果如表1所示。

表1 標定實驗數據

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,與實驗結果一致。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,本文對標定實驗中電壓比值平均值與CO2標準氣體濃度進行指數函數擬合,指數函數擬合如圖10所示,擬合系數為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的常數項,該常數項與傳感器自身的設計有關,比如所選紅外光源為發散式光源,不是平行光入射。理論上講,該公式的反函數即為CO2氣體傳感器的標定公式,然而在實際檢測過程中,CO2氣體的吸收系數易受到環境變化的影響,從而導致該標定誤差增大。因此,將電壓比值平均值作為自變量,CO2標準氣體濃度作為因變量,采用多項式函數進行擬合,多項式函數擬合如圖11所示,擬合系數為0.99749,所得CO2氣體濃度的標定公式為:

C=1.32332×106f2-2.32644×106f+

1.02248×106

(5)

圖10 指數函數擬合曲線圖

圖11 多項式函數擬合曲線圖

4.3 恒溫效果驗證

為了驗證CO2氣體傳感器的恒溫效果,在C180溫度試驗箱設定不同的環境溫度的條件下,對恒溫控制的CO2氣體傳感器進行檢測誤差對比。首先設定C180溫度試驗箱的溫度為-10 ℃,待箱內溫度穩定后開啟恒溫CO2氣體傳感器系統,PI電熱片對采樣氣室進行恒溫控制處理,SHT11溫濕度傳感器對采樣氣室的溫度進行實時監測并傳輸到手機端,待采樣氣室溫度穩定到40 ℃時,依次通入標定實驗中的八種濃度的CO2標準氣體進行濃度測量,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,帶入上述標定公式中計算出對應的濃度值。設定箱內溫度分別為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,重復上述測量步驟,并記錄所有實驗結果。繪制出不同環境溫度下恒溫CO2氣體傳感器的檢測結果,如圖12所示。

圖12 不同溫度環境下的檢測結果圖

由圖12可知,在氣體濃度一定的情況下,當環境溫度發生變化時,經過PID算法控制的恒溫CO2氣體傳感器的檢測結果基本保持不變,所測的濃度值與CO2標準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,當外界環境溫度發生變化時,本系統所提出的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 不同溫度環境下的檢測誤差圖

5 結 論

考慮到環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,設計并實現了一種帶恒溫控制的CO2氣體傳感器。系統采用SHT11溫濕度傳感器對采樣氣室的溫度進行實時監控,并通過無線藍牙模塊將溫度數據傳輸到手機端,同時基于PID算法在不同環境溫度下對采樣氣室進行恒溫控制。在此基礎上,通過標定實驗擬合出CO2氣體濃度與輸出電壓比值關系曲線,并對其恒溫效果進行了測試和驗證。結果表明,在采樣氣室恒定40 ℃時,傳感器系統能夠準確檢測出0～2000 ppm量程范圍內的CO2氣體濃度,絕對誤差最大為±60 ppm,滿足預期效果。