NDIR气体测控系统中关键问题的分析与设计

肖辽亮

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

高铁对安全性能要求越来越高，针对威胁高铁运行的安全风险，充分利用各种检测、监测与监控技术，加强列车运行过程中内部、外部环境等的安全检测、监测与监控，掌握设备运行状态，采取针对性的防控和处置措施，是确保高铁运行安全的重要技术支撑。文章介绍一种电调制非分光红外传感器构成的新型气体测试仪中关键问题的分析与设计，提高高铁运行运行过程中SO2、CO、CO2等有关烟雾气体的检测性能。

NDIR（电调制非分光红外）气体传感器采用电调制的红外光源，同时采用高精度干涉滤光片以及镀金气室，避免了强震动的机械装置，在气体精密测控仪器上得到了迅速的发展。

电调制的红外光源容易受到调制频率的影响，其调制频率与调制深度的关系曲线如图1所示。为了实现100%调制深度且稳定的状态，设置调制频率为10 Hz。红外光源由恒功率电源供电，确保光源的发光功率基本不变，但是红外光源、传感器气室以及探测器都会不同程度受到温度变化的影响，同时，信号处理电路中元件也存在一定的温漂，因此测试系统环境恒温至关重要。此外红外光通过窗口材料入射到测量气室，被测气体通过测量气室，吸收特定波长的红外光，透过测量气室的红外光由探测器接收，得到一个与气体浓度相对应的微弱直流信号[1-2]，此直流信号极易受外界的干扰，稳定可靠、选频特性优良、抗干扰能力强的微弱信号处理电路同样关键[3-7]。

图1 光源的调制频率与调制深度关系曲线图Fig.1 The light source modulation frequency and modulation depth curve

1 测试系统中高精度恒温的实现

1）温度采集与A/D转换模块的电路原理图如图2。由电流型温度传感器AD590进行温度采集，通过电阻R1将电流转换为电压，再由AD转换芯片ADS1110完成温度的A/D转换。

图2 温度采集与A/D转换模块Fig.2 Temperature acquisition and A/D conversion module

2）加热控制电路如图3所示。本电路是典型的以弱控强的电路。控制信号CTRL是由单片机控制输出的PID信号，其中的三极管Q1在此信号的作用下，低电平时导通、高电平时截止，从而控制继电器S1的通断，继而CON2端所接的加热片，实现加热的PID控制。

图3 加热控制电路原理图Fig.3 Heating control module circuit schematic diagram

3）增量式PID算法设计实现

在本设计中温度采集每100毫秒采集一次，在快速升温阶段采用模糊算法进行控温，而在恒温时采用增量式PID算法[8]。为防止加热过程中出现过冲现象，温度接近恒温点时，采用阶梯式恒温控制方法，如图4所示，从而实现精密控温。

图4 增量式PID阶梯控制方法Fig.4 Incremental PID step control method

2 微弱信号处理电路

探测器输出的信号非常微弱，极易受到外界的干扰，因此设计选频特性优良、强抗干扰能力的微弱信号处理电路，对于整个测试系统的性能体现具有决定性的意义。

1）积分与滤波电路以及精密整流电路，如图5所示。

图5 积分与滤波电路和精密整流电路图Fig.5 Integral and filter circuit and a precision rectifier circuit diagram

此积分运算电路，当初始值为0时，可得：

其中：t2截止时间，t1为起始时间。其增益为：

2）线性平均值电路与两级二阶压控电压源滤波电路，如图6所示。

第一级压控电压源滤波电路电路特征频率为：

第二级压控电压源电路性能特征频率：

两级电路的特征频率一致，因此具有良好的选频特性。

图6 线性平均值与滤波电路Fig.6 Linear mean value and filter circuit

第一级电路的通带放大倍数为：

其品质因素为：

第二级电路的通带放大倍数：

品质因素：

其总的品质因素为0.707，因此电路具有最佳的平坦特性，抗干扰能力强。

3 实验与效果

通过以上关键问题的设计与研究，对整个系统进行了调试和检测，系统温度稳定性好，温漂小，其控温效果如图7所示。

图7 控温效果图Fig.7 The temperature effect diagram

微弱信号处理电路选频特性良好，抗干扰能力强，漂移非常小，信号稳定度高，能实现精密放大，气体测量精度高。测量效果如图8所示。

图8 信号测号波形图Fig.8 Signal measuring signal waveform graph

4 结束语

文中分析了NDIR气体测控系统中的关键问题，并针对关键问题展开研究，提出了高精度恒温的实现电路设计，与新的微弱信号处理电路设计，该设计温度稳定性好，温漂小，电路选频特性良好，抗干扰能力强，漂移非常小，信号稳定度高，能实现精密放大，气体测量精度高。已取得良好的现场应用效果，也同样可应用于其他的应用环境。

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