恒温NDIR二氧化碳气体传感器研究

裴 昱,张加宏,2,李 敏,顾 芳

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044)

1 引 言

CO2是大气的重要组成部分之一,在精细化工农业生产、大气环境监测、生物医学诊断等领域有着非常广泛的应用[1]。近年来,社会经济的持续发展导致了全球气候不断的变化,对CO2浓度进行实时高效的检测也愈加重要[2]。当前,针对CO2气体浓度进行检测的手段主要有电化学法、电子捕获法、紫外线电离法以及非色散红外吸收法等,其中,非色散红外吸收法凭借其灵敏度高、检测范围广、抗干扰性强等优点,在CO2气体检测领域受到广泛的应用。

此外,在实际测量的过程中,CO2气体传感器系统的性能易受到环境温度的影响,当环境温度发生变化时,CO2气体本身的光谱特性会产生变化,从而对红外光的吸收效率会有所下降,并且滤光片的中心波长会发生偏移,所检测到的CO2气体浓度也会随之产生误差[3]。为解决环境温度所造成的检测误差,绝大多数通常采用软件补偿的方法进行温度误差修正,从而降低CO2气体检测过程中的温度漂移[4]。本文着重对基于CO2气体传感器的电路进行改进,在检测系统中增添了恒温控制模块,提出了一种基于非色散红外吸收法的恒温CO2气体传感器,有效避免了因为环境温度变化所造成的检测误差。

2 基本原理与方法

2.1 朗伯-比尔定律

大量非对称双原子和多原子气体分子的振动、转动谱线位于红外波段,其对光的吸收呈现出明显的频率选择性[5]。非色散红外CO2气体传感器正是基于不同气体分子对红外光具有特定的吸收光谱这一特点来实现的。根据HITRAN数据库可知,CO2气体对4.26 μm波段的红外光强烈吸收,对4 μm波段的红外光几乎不吸收。

当一束入射光强为I0的平行红外光线通过待测CO2气体介质时,CO2气体分子对红外光造成衰减,使得出射光强为I,且光强衰减遵循朗伯-比尔定律(Lamber-Beer law),其表达式为:

I=I0e-k(λ)CL

(1)

通过分析上式,当红外光光程L、CO2气体吸收系数k(λ)为定值时,通过测量红外光的入射光强I0和出射光强I之间的关系,可间接计算出待测CO2气体的浓度C:

(1)

其中,CO2气体浓度单位为ppm。

2.2 PID算法

PID控制算法是结合偏差的比例、积分和微分进行控制的算法,它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制算法[6]。为解决传统PID算法存在超调、积分饱和的问题,本系统提出采用增量式PID算法对采样气室的温度进行调节控制,用u(t)表示系统的输出,e(t)表示温度控制的差值,则基于PID算法的温度智能控制系统的公式为:

(3)

其中,kp表示比例放大系数;ki表示积分参数;kd表示微分参数;调节kp可以加快系统的响应速度;调节ki可以消除静态误差和加快响应速度;调节kd可以控制系统的超调量[7]。在实际温度控制过程中,只需将所设定的目标温度和当前温度作为入口参数送入增量式PID算法,由算法计算出当前单片机输出的PWM增量,从而达到温度控制的目的,本系统所提出的增量式PID恒温控制流程如图1所示。

图1 PID恒温控制流程图

2.3 光学腔体设计与恒温仿真

气体传感器的性能与采用的光路结构密切相关,它直接影响传感器的测量精度[8]。为此,本系统在PID恒温控制的基础上采用了一种单气室双波长的采样气室,其结构如图2所示。通过三维实体建模软件Pro/E建立3D模型[9],采样气室的内部为新型反射式扁锥形结构,探测面直径为10 mm,锥角设定为5°,长度约为80 mm,外围包裹了PI电热片用于对采样气室进行恒温控制,为了减小红外光散射对检测结果造成干扰,对采样气室内壁进行了抛光和镀金处理。为方便待测混合气体进出,在采样气室外围分别开有入气口和出气口。采样气室的左侧装有直径为3 mm的白炽灯HSL5-115-S红外光源,其辐射波长覆盖范围从可见光到5 μm,包含了CO2气体特征吸收峰。采样气室的右侧封装有德国PerkinElmer公司生产的TPS2534双通道热电堆探测器,有两路光强感应窗口,分别封装有相应的窄带滤光片。当红外光源发射的红外光线通过采样气室内待测混合气体后,分别通过中心波长为4 μm的参考滤光片和中心波长4.26 μm的测量滤光片,并由双通道热电堆探测器进行接收和分析。由于参考光路和测量光路处于同一检测环境中,采用采用单气室双波长的差分检测模型可有效提高CO2气体传感器的精确性和稳定性。

图2 CO2气体传感器采样气室结构图

为直观了解电热膜对采样气室内部恒温控制的效果,对恒温加热条件下的扁锥形腔体内的温度场进行了仿真与分析。在Pro/E内对3D模型建立一个边长为40 cm的正方体空气域,进而通过前处理软件ICEM采用适应性较强的非结构化四面体网格划分[10],生成采样气室与空气域的四面体网格如图3(a)所示。最后,通过ANSYS FLUENT软件对网格划分好的模型进行参数设置及迭代计算,在仿真过程中,将采样气室的金属层设置为热源,湍流模型选择标准K-ε模型[11],采样气室金属层材料选定为不锈钢,设置金属层导热系数和密度分别为16.2 W/m·℃和7.93×103kg/m3。由于采样气室的金属层体积大小约为7 cm3,而实际加热过程中的热功率为3 W,因此在FLUENT中设置热源的生热率为428571 W/m3,计算流体入口采用速度入口边界条件,出口采用压力出口边界条件。设定迭代次数为300并进行计算,得到采样气室内的温度场分布如图3(b)所示,在固体热源传热的作用下,采样气室内的升温可达312 K,且气室内部空气温度近乎保持均匀恒定,从理论上有效验证了本文恒温CO2气体传感器的可行性。

图3 光学腔体与恒温仿真

3 硬件检测系统

本系统所提出的CO2气体传感器主要由光学系统和外围电路组成,其系统结构如图4所示。其中,光学系统包括红外光源、采样气室以及探测器,外围电路包括STM32单片机、光源驱动电路、电源电路、温度采集电路、加热模块、滤波放大电路、A/D转换电路、无线蓝牙模块以及上位机。该系统既可实现对采样气室内温度的控制,又可对待测CO2气体浓度信号进行采集处理[12]。

图4 CO2气体传感器系统结构图

系统选择PI电热片对采样气室进行恒温控制,采用以TB6612FNG芯片为核心的加热驱动电路,首先设定温度控制的目标值,STM32单片机输出占空比可变的PWM信号给TB6612FNG芯片驱动PI电热片加热,SHT11温湿度传感器实时采集采样器室的温度信息,将当前温度值与设定温度值之间的偏差作为反馈电路输入值,并由相应的控制算法计算得到系统的控制量,再继续驱动PI电热片对采样气室进行加热操作,从而逐渐地将温度控制在目标值附近的一定范围内,并保持稳定[13]。其中,SHT11温湿度传感器所采集到的采样气室内部的温度通过无线蓝牙模块传输到手机端进行实时显示。

由于TPS2534双通道热电堆探测器对红外光强变化较为敏感,在检测过程中需对红外光源进行低频率脉冲调制。因此,本文通过LM358驱动电路实时调制红外光信号,降低外界环境光照的影响,并达到延长红外光源使用寿命的目的[14]。红外光在扁锥形采样气室内通过不断反射后到达TPS2534双通道热电堆探测器后,得到参考通道和测量通道两路电信号经过滤波放大和A/D转换之后,被送到单片机内部,最终通过上位机传送到电脑上。

根据以上介绍,本系统的硬件检测系统包括3块PCB电路板,分别为主控电路板、光源驱动电路板和信号处理电路板,通过固定架,将焊接的电路板与扁锥采样气室腔体相连,通过杜邦线实现主控板与其他两块功能板之间的通信,组装成实验测试装置,系统实物图如图5所示。

图5 CO2气体传感器检测系统实物图

4 实验分析

4.1 恒温测试

为了检测PID算法控制的恒温系统的实际作用,首先需对不同环境温度下的恒温效果进行实验验证。在浓度检测过程中,选用C180温度试验箱对环境温度进行控制,将CO2气体传感器检测系统置于温度试验箱内,通过减压阀将标气瓶内的待测气体输送到采样气室内部,系统测试平台如图6所示。

在恒温控制过程中,采样气室的温度由SHT11温湿度传感器进行采集,并通过无线蓝牙模块实时传输到手机端,单片机通过调节PWM占空比实现对采样气室的恒温控制[15],无线蓝牙传输界面如图7所示。

PID算法的设定温度需稍微大于正常环境温度,又因为一般环境温度低于40 ℃,所以本系统目标温度设定40 ℃。在恒温控制过程中,设定kp=2、ki=0.01,kd=0.2,为了尽快稳定加热片的功率和保护各种设备,所以,本文分别设置C180温度试验箱温度为-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,首先,设定温度试验箱的温度为-10 ℃,等待20 min箱内温度稳定后,开启单片机让PID算法驱动PI电热片,每隔5秒钟在手机端读取SHT11传回的温度值,记录完毕后温度箱每隔10 ℃重复上述操作记录温度值直到40 ℃。测得不同环境温度下的采样气室温度变化曲线如图8所示。

图6 系统测试平台

图7 无线蓝牙传输界面图

图8 PID恒温控制的采样气室温度变化曲线图

图9给出了540～600 s的系统稳定后的变化趋势,可以看出在无论外部温度怎么变化,当电热片在PID算法控制工作稳定时,采样气室内温度误差小于0.2 ℃,与预期结果吻合,表明PID算法加热装置有效地对温度误差进行了硬件补偿,从而让传感器工作在稳定温度状态环境下,消除了环境温度对实际检测的干扰。

图9 PID算法恒温控制稳定后的效果图

4.2 标定实验

将传感器测试系统置于C180温湿度试验箱中,设定试验箱内温度为40 ℃。分别配置浓度为10 ppm、297 ppm、495 ppm、694 ppm、896 ppm、1100 ppm、1516 ppm、2000 ppm的CO2标准气体,分8组进行检测实验,将8组CO2标准气体通入气体传感器测试系统内,等待输出电压值相对稳定后记录下结果,求出气体传感器参考通道电压信号与测量通道电压信号的比值f,然后求出电压比值平均值。标定结果如表1所示。

表1 标定实验数据

由表1可知,由于CO2浓度的增大,探测通道红外波段的光被大量吸收,这样就导致测量通道电压下降,而参考通道几乎保持不变,这样就使比值随着浓度的增加而增大,与实验结果一致。为了衡量本文所提出的CO2气体传感器的特性是否满足朗伯-比尔定律,本文对标定实验中电压比值平均值与CO2标准气体浓度进行指数函数拟合,指数函数拟合如图10所示,拟合系数为0.998,拟合公式为:

f=-0.04116e-C/1227.1197+0.92544

(4)

以上拟合公式基本满足朗伯-比尔定律,存在差异为上式多出了近似为1的常数项,该常数项与传感器自身的设计有关,比如所选红外光源为发散式光源,不是平行光入射。理论上讲,该公式的反函数即为CO2气体传感器的标定公式,然而在实际检测过程中,CO2气体的吸收系数易受到环境变化的影响,从而导致该标定误差增大。因此,将电压比值平均值作为自变量,CO2标准气体浓度作为因变量,采用多项式函数进行拟合,多项式函数拟合如图11所示,拟合系数为0.99749,所得CO2气体浓度的标定公式为:

C=1.32332×106f2-2.32644×106f+

1.02248×106

(5)

图10 指数函数拟合曲线图

图11 多项式函数拟合曲线图

4.3 恒温效果验证

为了验证CO2气体传感器的恒温效果,在C180温度试验箱设定不同的环境温度的条件下,对恒温控制的CO2气体传感器进行检测误差对比。首先设定C180温度试验箱的温度为-10 ℃,待箱内温度稳定后开启恒温CO2气体传感器系统,PI电热片对采样气室进行恒温控制处理,SHT11温湿度传感器对采样气室的温度进行实时监测并传输到手机端,待采样气室温度稳定到40 ℃时,依次通入标定实验中的八种浓度的CO2标准气体进行浓度测量,分别对每种浓度的气体记录8组输出电压,并求出电压比值平均值,带入上述标定公式中计算出对应的浓度值。设定箱内温度分别为0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃,重复上述测量步骤,并记录所有实验结果。绘制出不同环境温度下恒温CO2气体传感器的检测结果,如图12所示。

图12 不同温度环境下的检测结果图

由图12可知,在气体浓度一定的情况下,当环境温度发生变化时,经过PID算法控制的恒温CO2气体传感器的检测结果基本保持不变,所测的浓度值与CO2标准气体浓度之间的差值如图13所示,可以看出,两者的绝对误差最大为±60 ppm。由此可见,当外界环境温度发生变化时,本系统所提出的CO2气体传感器可有效保持恒温效果,而恒温控制后检测误差较小且保持稳定,因此,PID恒温控制算法基本解决了CO2气体传感器温度漂移问题。

图13 不同温度环境下的检测误差图

5 结 论

考虑到环境温度的变化会造成CO2气体传感器测量精度下降,致使其适用范围受限,因此本文利用非色散红外检测技术,设计并实现了一种带恒温控制的CO2气体传感器。系统采用SHT11温湿度传感器对采样气室的温度进行实时监控,并通过无线蓝牙模块将温度数据传输到手机端,同时基于PID算法在不同环境温度下对采样气室进行恒温控制。在此基础上,通过标定实验拟合出CO2气体浓度与输出电压比值关系曲线,并对其恒温效果进行了测试和验证。结果表明,在采样气室恒定40 ℃时,传感器系统能够准确检测出0～2000 ppm量程范围内的CO2气体浓度,绝对误差最大为±60 ppm,满足预期效果。