高精密恒温系统在NDIR气体分析仪中的应用*

谢永超

(1.西南交通大学，四川 成都 610036；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

0 引 言

当前，基于非分光红外(NDIR)技术的气体分析仪设计过程中存在很多干扰源，这些干扰源对检测精度影响的轻重程度各有不同[1,2]，其中红外池中，温度的稳定性对气体的吸收影响大，此外,对于特定的吸收气体，恒温点同样重要[3]。本文设计了一种基于增量式PID算法的高精度温控系统，选择对气体吸收影响最小的恒温点，并控温范围为±0.1 ℃，相比现有同类温控系统，精度提高近10倍[4,5]。将该高精度的温控系统应用在NDIR气体分析仪中，对比了分别在常温下的测量结果和温控系统下的测量结果，信噪比得到明显改善。

1 NDIR气体分析机理

当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律：设平行入射光的强度为I0，出射光的强度为I1，气体介质的厚度为L,气体的浓度为C,气体的吸收系数为μ，则其关系表达式为

I1=I0exp(-L∑μiCi).

(1)

其中,μ为不同气体的吸收系数，Ci为不同气体的浓度。

当为多种混合气体时，为了分析特定的气体组分，需要在传感器或者红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体的浓度变化。

其NDIR气体红外吸收谱如图1所示，表明了各种气体的特征吸收峰。

图1 NDIR气体红外吸收谱

2 恒温系统对NDIR气体分析仪测试信噪比的影响分析

NDIR气体分析仪的红外池如图2所示。

图2 红外池

整个红外池由红外光源部分、镀金气室、滤光片、待测气体通道以及红外接收装置组成。红外光源的稳定性在两方面受温度影响:其一是光源的电源芯片，温度的变化会对电源芯片的输出电压带来波动，电压的波动对红外光源的输出功率必然造成影响;其二是红外光源本身参数中要求其最合适的使用温度环境，在特定恒温下的输出最为稳定，温度的波动也会造成输出结果上的误差；镀金气室是红外池的最核心的组成部分，内壁采用镀金，提高光洁度，减小光线漫反射造成的误差，在气体吸收过程中，同样受温度的影响，保持恒定的温度，即使在本温度下同样存在误差，但误差恒定，可以在后续信号处理中很容易处理[6,7]。红外接收装置采用的是与特定气体相对应的探测器，探测器在恒定温度下的工作稳定性更好,由此可见，设计高精度的控温系统势在必行。

3 高精度控温系统的设计

3.1 高精度控温系统的核心硬件设计

通过上面的分析，让红外池置于同一个长方形的试验腔体中，该腔体采用保温海绵密封，在该设计中，防止室温对红外池的影响，同时考虑红外光源和镀金气室的工作需要，设计采用智能PID算法控制腔体中的恒温点设置在48 ℃[8～10],使其控温后腔体中温度的变化保持在±0.1 ℃范围内 ，基本恒温。

集成温度传感器采用AD590电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(K)度数，其工作原理是：在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30 V的直流电源相连，并在输出端串接一个1 kΩ的恒值电阻器，那么，此电阻器上流过的电流将和被测温度呈正比，此时电阻器两端将会有1 mV/K的电压信号。

A/D转换芯片采用ADS1110，它是精密的连续自校准的片内带基准电压的16位A/D转换器，带差分输入。片内基准为2.048×(1+0.05 %)，温度采集模块与A/D转换模块的电路原理图如图3,该模块整体作用是：对控制的温度进行采集，并转换为数字量，传送给单片机处理,在温度采集的过程中，进行实时温度补偿。

图3 温度采集与A/D转换模块

加热控制模块电路设计如图4。

由单片机控制输出PID信号，通过三极管的开关作用，控制固态继电器的通断，从而达到控制加热片实现以PID控制的方式通断。

图4 加热控制模块电路原理图

3.2 增量式PID算法设计实现

增量式PID控制公式

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)),

(2)

式中 Δu(k)为控制量增量，“增量式PID”就是直接以这个增量进行控制。根据响应的情况进行参数的整定，增量式PID控制算法可以通过(2)式推导出。由式(2)可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为

(3)

将式(2)与式(3)相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为

Δuk=ukuk-1

=Aek-Bek-1+Cek-2.

(4)

其中

(5)

由式(5)可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A，B，C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由式(4)求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法式(1)相比，计算量小得多，因此，在实际中得到广泛的应用。

具体在本设计中温度采集频率为10 Hz(100 ms)，1s采样的温度值通过滑动平均值滤波。系统控温采用模糊算法和增量式PID算法相结合的方式，快速升温阶段采用模糊算法，恒温时采用增量式PID算法，控温周期20 s。为防止加温过冲，当温度接近恒温点时，采用阶梯式恒温控制方法，如图5。先将恒温点设置在小于恒温温度的值，当温度恒定后，再将恒温点调整为恒温温度。

图5 增量式PID阶梯控制方法

4 温控系统的测试

通过对硬件电路和软件部分的设计，其中还考虑整个腔体中温度的均匀性和整个红外池的热容量，因此，在腔体中的加热源两端加有保持气体流动的风扇，并必须保证温度传感器不能被风扇直吹，并在此基础上，通过上位机软件监控，得到了温度控制效果图。

5 恒温系统在NDIR气体分析仪中的应用

由上面设计出的高精度的控温系统，应用在NDIR气体分析仪中，根据红外池的结构设计，采用在室温下和在本设计中的高精度温控系统中，分别对探测器端测得的信号进行测试，对测试得到的信号进行信噪比分析，测试过程保持在同一个温度比较稳定的实验室测试，由同一个人，在同一台测试仪上进行了多次试验，在没有增加高精度温控系统的测试仪中，测得具有典型代表的探测器下的信号波形如图6，图7所示。

图6 常温下探测器下的信号波形

将整个测试系统置于恒温控制系统中后，在探测器端测得的信号如图6所示。

图7 恒温处理后的信号波形

6 结 论

经过恒温系统在NDIR气体测试仪中的应用测试，通过对输出信号的比较，在室温下输出信号的波动范围约为130 μV，而置于恒温系统中后，探测器端的输出信号的波动范围大约是60 μV左右，对信噪比的改善比较明显。

参考文献:

[1] 张军辉,董永贵,王东升.非调制型NDIR传感器及其信号处理方法的改进[J].清华大学学报:自然科学版, 2008,48(2):189-192.

[2] 周佩娟,刘江永.高精度微弱信号放大整流电路[J].岳阳师范学院学报:自然科学版.2003(1):32,45.

[3] 黄有为,童敏明,任子晖.采用热导传感器检测气体浓度的新方法研究[J].传感技术学报, 2006,19(4):973-975.

[4] 文科星.智能PID算法的研究及其在温度控制中的应用[D].上海:东华大学, 2009.

[5] 罗文军.基于参数自整定的模糊PID控制在水箱控制系统中的应用[D]. 长沙:中南大学.2011.

[6] Zdanhewicz Eeward M.气体检测原理及应用[J].传感器世界,1998(1):16-26.

[7] 王浩宇,曹 建,安晨光.基于MEMS技术的气体热导传感器的应用研究[J].传感技术学报,2009,22(7):1051-1054.

[8] 贺启峰.基于模糊PID的恒温水浴控制器的研究[D]. 长春:吉林大学,2011.

[9] 徐天龙,李长城.传感器和检测仪表的现状及发展趋势分析[J].民营科技,2011(12):216

[10] 王 威,杨 平.智能PID控制方法的研究现状与应用展望[J].自动化仪表,2008,29(10):1-4.