温度对非分光红外气体分析仪信噪比影响研究

刘红梅

(1.武汉大学软件工程学院，湖北武汉 430072；2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)



温度对非分光红外气体分析仪信噪比影响研究

刘红梅1，2

(1.武汉大学软件工程学院，湖北武汉 430072；2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)

非分光红外气体分析仪设计中存在很多干扰源，如电源老化与电压漂移、光源驱动的不稳定性、气室的光洁程度、信号调整电路的不合理设计以及零点漂移等。其中红外池中，温度的稳定性对气体的吸收影响大，气体吸收对于温度具有窗口特性等。该文对非分光红外气体分析仪在室温和恒温控温环境中做了对比试验，控温系统的恒温点设置在(48±0.1) ℃，通过试验比较表明高精度恒温系统下，非分光红外气体分析仪的信噪比得到了明显改善。

非分光红外；气体分析仪；高精度温控系统；信噪比

0 引言

当前非分光红外气体分析仪设计中存在很多干扰源，如电源老化与电压漂移、光源驱动的不稳定性、气室的光洁程度、信号调整电路的不合理设计以及零点漂移等[1-2]。其中红外池中，温度的稳定性对气体的吸收影响大，气体吸收对于温度具有窗口特性等。基于此，本文对非分光红外气体分析仪在室温和恒温控温环境中做了对比试验，控温系统的恒温点设置在(48±0.1)℃，通过试验比较表明高精度恒温系统下，非分光红外气体分析仪的信噪比得到了明显改善[3]。

1 非分光红外气体分析机理

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。非分光红外气体分析机理遵循朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律。定律的数学表达式如式(1)所示。

I1=I0exp(-L∑μici)

(1)

式中：I0为平行入射光的强度；I1为出射光的强度；L为气体介质的厚度;c为气体的浓度；μ为气体的吸收系数；c和μ下标i表示不同的气体。

图1 NDIR气体红外吸收谱

非分光红外气体吸收谱如图1所示。根据气体吸收谱，对应于不同的组分气体，在测量过程中，需要选择特定的滤光片或者探测器。靶向特征吸收峰，仅对待测量进行吸收，使传感器的信号变化只反映被测气体的浓度变化。

2 温度对非分光红外气体分析仪信噪比的影响分析

NDIR气体分析仪的红外池如图2所示。

图2 红外池

在非分光红外气体分析仪中，整个红外池置于一个密封的长方形腔体中，其中还包括信号处理电路板、电路转接板、光源驱动板和电源电路板。红外池装置由红外光源、不锈钢镀金气室、滤光片或聚光塔、红外探测器等组成。温度对红外池的影响可以归纳为以下几个方面[4]：

(1)温度对红外光源稳定性的影响。当温度变化时，处于腔体中的电源板会受到温度变化而使得电源芯片的输出电压产生波动，从而影响光源的驱动功率，影响入射的光照强度I0。此外红外光源的特性参数中显示，当工作在47～48 ℃时，输出功率最为稳定，因此当处于室温环境时，输出波动也会给系统带来一定的误差。

(2)温度对不锈钢镀金气室的信噪比存在影响。镀金气室是红外池的核心，必须采用高质量的内壁抛光管，并且采用镀金工艺，提高光洁度，减小漫反射造成的误差，在试验过程中，不锈钢气室有比较大的热容量，当温度变化时，会对腔体的温度有影响，从而影响整个腔体的体积以及由于温度变化带来的吸收率的下降。同时，当环腔体内温度提高到一个高于室温的恒定值时，热容量可以稳定，存在的误差也是一个相对恒定的误差，在后续的信号处理电路中也会很容易进行处理[5-7〗。

(3)温度对红外探测器稳定性存在影响。红外探测器在恒定温度下的工作稳定性更好。

(4)温度对腔体中的其他电路板存在影响。信号处理电路板、电路转接板、光源驱动板和电源电路板在不同程度上会受到温度变化的影响，当在室温下，实验室中，由于温度的不稳定性，会给整个系统的测量带来误差，当处于高精度的恒温环境下时，虽然会增大电路本身的热噪声，但是由于温度的稳定性，噪声同样具有恒定性的特点，通过信号处理电路易处理。

3 非分光红外气体分析仪在室温和控温环境下的信噪比试验

根据温度对非分光红外气体分析仪信噪比的影响分析，分别在室温下和恒温控制下进行了仪器的信噪比试验。

3.1 非分光红外气体分析仪在室温下的试验

试验温度为室温；实验室为无强对流空气的标准实验室；试验气体压强为1.2 MPa；待测气体流速根据测量要求设定，使得输出信号的幅值达到一定的测量点；试验仪器为仪器Y01。在遵循试验原理和整体试验步骤完全符合试验要求的前提下，在探测器一端测得的输出信号波形如图3所示。

图3 常温下探测器下的信号波形

结果分析：在试验前进行充分的预热后，进行近1 h的测试，得到信号的输出幅值在623 mV左右，输出信号的波动范围约为130 μV。

3.2 非分光红外气体分析仪在恒温环境下的试验

由于温度对非分光红外气体分析仪的信噪比具有多方面的影响，本文设计了一款基于增量式PID算法的高精度恒温系统，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，恒温腔体的恒温点设置在48 ℃[8]。控温精度在±0.1 ℃范围内 ，基本恒温，高于现有恒温系统的恒温精度近10倍。

集成温度传感器采用AD590电流型温度传感器，A/D转换采用ADS1110，其采集电路如图4所示。

图4 温度采集与A/D转换模块

加热控制模块电路设计如图5所示。

图5 加热控制模块电路原理图

3.2.1 增量式PID算法设计实现

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。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6所示。图中T0为过冲温度，T1为恒温温度，T2为调整温度，t2-t1为过冲时间。

图6 增量式PID阶梯控制方法

通过上位机软件监控，对经过增量式PID算法控制的腔体通过点温计进行监测，达到预定控制温度范围，温度控制效果图如图7所示。

图7 控温效果图

3.2.2 恒温环境下的试验

试验温度为48 ℃±0.1 ℃；实验室为无强对流空气的标准实验室；试验气体压强为1.2 MPa；待测气体流速为根据测量要求设定，使得输出信号的幅值达到一定的测量点；试验仪器为仪器Y01。将整个测试系统置于恒温控制系统里后，在探测器端测得的信号如图8所示。

图8 恒温处理后的信号波形

结果分析：在试验前进行充分的预热后，进行近1 h的测试，得到信号的输出幅值在628 mV左右，输出信号的波动范围约为60 μV。

4 结论

本文通过分析温度因素对非分光红外气体分析仪的信噪比的影响，分别在室温和恒温环境下进行了信噪比的测试试验。试验表明，温度对信噪比的影响较大，通过恒温处理后，对信噪比的改善明显。

[1] 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.传感技术学报,2009，22(7):1051-1054.

[2] 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.清华大学学报:自然科学版,2008，48(2)：189-192.

[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.传感技术学报,2006，19(4):973-975.

[4] 谷炳海,张友鹏,徐顼.强噪声背景下的信号提取.科技资讯,2007(2):22-23.

[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:[学位论文].长沙：中南大学，2011.

[6] 张金利,景占荣,梁亮,等.微弱信号的调理电路设计和噪声分析.电子测量技术，2007(11)：40-42.

[7] 谯黎,张万里.热释电BST薄膜红外探测器噪声分析及前置放大电路设计.电讯技术,2007(2)：154-157.

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

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

刘红梅(1980—)，讲师，硕士，主要研究方向为计算机应用，软件工程。