CN114166774A - 基于ndir原理的红外气体测量系统 - Google Patents

基于ndir原理的红外气体测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于红外气体检测技术领域，具体涉及基于NDIR原理的红外气体测量系统。基于NDIR原理的红外气体测量系统包括中央处理器、光源驱动电路、光源电压检测电路、光电检测器电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路；所述光源电压检测电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路均与中央处理器电连接；所述光源驱动电路与光源电压检测电路电连接；所述光电检测器电路与信号采集电路电连接；所述光源驱动电路产生的光源辐射至光电检测器电路。本发明具有测量精度高，能够保证光源输出稳定以及具有温度补偿功能的特点。

Description

基于NDIR原理的红外气体测量系统
技术领域
本发明属于红外气体检测技术领域，具体涉及基于NDIR原理的红外气体测量系统。
背景技术
气体检测技术的发展可追溯到在矿井中使用金丝雀预报瓦斯浓度的情况。而今金丝雀早已被传感器取代，随着传感器技术的发展，以热电堆传感器为核心的NDIR红外气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析仪器在实际应用中兴盛起来。它克服了薄膜电容微音器作为传感器对震动的过于敏感和电化学传感器的反应耗尽的缺点。
例如，申请号为CN201620198397.4的中国专利文献描述的红外气体传感器，包括气体腔室、位于所述气体腔室一端的光源端、与所述光源端相对地位于所述气体腔室另一端的探测端、位于所述光源端的红外光源、位于所述探测端的滤光片和红外探测器、与所述红外光源与所述红外探测器均电性连接的电路系统；所述滤光片位于所述红外光源与所述红外探测器中间；所述红外气体传感器还包括设置于所述光源端的温度传感器，所述温度传感器与所述电路系统电性连接。虽然通过设置于所述光源端的温度传感器，能够实时、准确地监测所述红外光源的温度漂移，解决目前NDIR传感器无法实时监控红外光源温度漂移导致测量结果零点漂移的缺点，可有效提高NDIR传感器的探测精度和分辨率，但是其缺点在于红外光源缺少相应的检压反馈机制，难以保证光源的输出稳定，整体功耗较大，且整体结构并不适用于各类仪表集成使用及便携测量。
因此，设计一种采用低功耗嵌入式模块，测量精度高，能够保证光源输出稳定以及具有温度补偿功能的基于NDIR原理的红外气体测量系统，就显得十分必要。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中，现有的红外气体传感器，存在红外光源难以稳定输出，整体功耗大，且整体结构并不适用于各类仪表集成使用及便携测量的问题，提供了一种采用低功耗嵌入式模块，测量精度高，能够保证光源输出稳定以及具有温度补偿功能的基于NDIR原理的红外气体测量系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
基于NDIR原理的红外气体测量系统，包括中央处理器、光源驱动电路、光源电压检测电路、光电检测器电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路；所述光源电压检测电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路均与中央处理器电连接；所述光源驱动电路与光源电压检测电路电连接；所述光电检测器电路与信号采集电路电连接；所述光源驱动电路产生的光源辐射至光电检测器电路。
作为优选，所述光源驱动电路包括光源发生器、三极管Q2、三极管Q4、电阻R23、电阻R32、电阻R33、电阻R40、电容C66和运算放大器U14A；所述三极管Q2的基极与电阻R23电连接，用于连接输入PWM信号；所述三极管Q2的发射极与+8V电源电连接；所述三极管Q2的集电极与光源发生器的正极电连接；所述电阻R33与运算放大器U14A的同相输入端电连接；所述运算放大器U14A的输出端分别与电阻R32和电容C66电连接；所述电阻R32的另一端与三极管Q4的基极电连接；所述三极管Q4的发射极分别与电阻R40、电容C66和运算放大器U14A的反相输入端电连接；所述电阻R40接地；所述三极管Q4的集电极与光源发生器的负极电连接并接地；所述三极管Q2为PNP型三极管，所述三极管Q4为NPN型三极管。
作为优选，所述光源电压检测电路包括AD8221芯片、电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46和电阻R47；所述电阻R43的一端连接光源发生器的负极，所述电阻R43的另一端与AD8221芯片的第一引脚电连接；所述电阻R46的一端连接光源发生器的正极，所述电阻R46的另一端与AD8221芯片的第四引脚电连接；所述电阻R45的一端与AD8221芯片的第二引脚电连接，所述电阻R45的另一端与AD8221芯片的第三引脚电连接；所述AD8221芯片的第七引脚与电阻R44的电连接；所述电阻R47的一端与电阻R44电连接，所述电阻R47的另一端接地。
作为优选，所述光电检测器电路包括第一测量通道和第一参考通道；所述第一测量通道包括运算放大器U11A、电阻R18、电阻R19、电阻R25、电容C34；所述运算放大器U11A的同相输入端与电阻R25的一端电连接，用于输入光信号经过转换后的电信号；所述电阻R25的另一端接地；所述运算放大器U11A的输出端与电阻R19的一端电连接，所述电阻R19的另一端分别与运算放大器U11A的反相输入端和电阻R18的一端电连接，所述电阻R18的另一端与电容C34的一端电连接，所述电容C34的另一端接地。
作为优选，所述第一参考通道包括运算放大器U11B、电阻R36、电阻R39、电阻R41、电容C50；所述运算放大器U11B的同相输入端与电阻R41的一端电连接，用于输入光信号经过转换后的电信号；所述电阻R41的另一端接地；所述运算放大器U11B的输出端与电阻R39的一端电连接，所述电阻R39的另一端分别与运算放大器U11A的反相输入端和电阻R36的一端电连接，所述电阻R36的另一端与电容C50的一端电连接，所述电容C50的另一端接地。
作为优选，所述信号采集电路包括第二测量通道和第二参考通道；所述第二测量通道和第二参考通道均采用16位外置的积分型ADC芯片进行信号采集。
作为优选，所述通讯传输电路包括RS-485接口芯片、电阻R7、电阻R11和RS485总线；所述RS-485接口芯片的第六引脚分别与电阻R11的一端和RS485总线电连接，所述电阻R11的另一端接+5.0VA参考电压；所述RS-485接口芯片的第七引脚分别与电阻R7的一端和RS485总线电连接，所述电阻R7的另一端接地。
作为优选，所述通讯传输电路还包括4-20mA模拟量输出电路；所述4-20mA模拟量输出电路包括运算放大器U12A、三极管Q1、二极管D6、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17；所述运算放大器U12A的同相输入端分别与电阻R15和电阻R17的一端电连接，所述电阻R17的另一端分别与电阻R16的一端和二极管D6的正极电连接；所述电阻R16的另一端分别与三极管Q1的发射极和电阻R12的一端电连接，所述电阻R12的另一端分别与电阻R13的一端和运算放大器U12A的反相输入端电连接；所述电阻R13的另一端接地；所述运算放大器U12A的输出端与电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端与三极管Q1的基极电连接；所述三极管Q1的集电极接+5.0VA参考电压；所述三极管Q1为NPN型三极管。
作为优选，所述温度补偿电路包括电阻R31、电阻R5、电容C37和MOS管Q1；所述电阻R31的一端接+3.3VA参考电压，所述电阻R31的另一端电容C37的一端电连接，用于接收采集的温度电压信号；所述电容C37的另一端接地；所述MOS管Q1的栅极与电阻R5电连接；所述MOS管Q1的源极接地；所述MOS管Q1的漏极接24V电源；所述MOS管Q1为P沟道MOS管。
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明采用无光纤电路结构，光路设计结构精巧，安装简单，适用于各类仪表集成使用及便携测量；(2)本发明采用温度补偿，低温漂技术，且基于光学传感，动态范围大，测量精度高，同时具备检压反馈机制，能够保证光源输出稳定。
附图说明
图1为本发明基于NDIR原理的红外气体测量系统的一种原理框图；
图2为本发明中光源驱动电路的一种电路图；
图3为本发明中光源电压检测电路的一种电路图；
图4为本发明中光电检测器电路的一种电路图；
图5为本发明中信号采集电路的一种电路图；
图6为本发明中通讯传输电路的一种电路图；
图7为本发明中4-20mA模拟量输出电路的一种电路图；
图8为本发明中温度补偿电路的一种电路图；
图9为红外气体传感器的一种结构示意图。
图中：中央处理器1、光源驱动电路2、光源电压检测电路3、光电检测器电路4、信号采集电路5、通讯传输电路6、温度补偿电路7、待测气室8。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1所示的基于NDIR原理的红外气体测量系统，包括中央处理器1、光源驱动电路2、光源电压检测电路3、光电检测器电路4、信号采集电路5、通讯传输电路6和温度补偿电路7；所述光源电压检测电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路均与中央处理器电连接；所述光源驱动电路与光源电压检测电路电连接；所述光电检测器电路与信号采集电路电连接；所述光源驱动电路产生的光源辐射至光电检测器电路。
其中，光源驱动电路产生的光源，穿越待测气室8内的待测气体之后，被光电检测器电路所接收。光源驱动电路、待测气室和光电检测器电路构成检测机制部分，用于产生光源以及放大采集信号；光源电压检测电路和温度补偿电路构成外置补偿部分，用于光源输出功率补偿和待测气室的恒温控制；中央处理器、信号采集电路和通讯传输电路构成信号处理部分，用于数据采集处理和数据传输。中央处理器采用单片机。
进一步的，如图2所示，所述光源驱动电路包括光源发生器、三极管Q2、三极管Q4、电阻R23、电阻R32、电阻R33、电阻R40、电容C66和运算放大器U14A；所述三极管Q2的基极与电阻R23电连接，用于连接输入PWM信号；所述三极管Q2的发射极与+8V电源电连接；所述三极管Q2的集电极与光源发生器的正极电连接；所述电阻R33与运算放大器U14A的同相输入端电连接；所述运算放大器U14A的输出端分别与电阻R32和电容C66电连接；所述电阻R32的另一端与三极管Q4的基极电连接；所述三极管Q4的发射极分别与电阻R40、电容C66和运算放大器U14A的反相输入端电连接；所述电阻R40接地；所述三极管Q4的集电极与光源发生器的负极电连接并接地；所述三极管Q2为PNP型三极管，所述三极管Q4为NPN型三极管。
进一步的，如图3所示，所述光源电压检测电路包括AD8221芯片U18、电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46和电阻R47；所述电阻R43的一端连接光源发生器的负极，所述电阻R43的另一端与AD8221芯片的第一引脚电连接；所述电阻R46的一端连接光源发生器的正极，所述电阻R46的另一端与AD8221芯片的第四引脚电连接；所述电阻R45的一端与AD8221芯片的第二引脚电连接，所述电阻R45的另一端与AD8221芯片的第三引脚电连接；所述AD8221芯片的第七引脚与电阻R44的电连接；所述电阻R47的一端与电阻R44电连接，所述电阻R47的另一端接地。
针对光源的发生，首先由单片机DA引脚推出一个预设的电压信号，通过运算放大器反馈机制建立一个恒流控制环，保证以恒流方式进行光源驱动。由单片机输出的一定频率的PWM信号通过运算放大器放大所述PWM信号来控制三极管Q2的开关来调制光源以一定的占空比在光路中进行辐射。通过光源电压检测电路对光源引脚两端电压的检测，对比光源对应光功率输出时光源两端的电压值确保输入恒流驱动调制光源达到我们预设的光功率输出，并以此动态调节保证光源功率输出稳定。
进一步的，如图4所示，所述光电检测器电路包括第一测量通道和第一参考通道；所述第一测量通道包括运算放大器U11A、电阻R18、电阻R19、电阻R25、电容C34；所述运算放大器U11A的同相输入端与电阻R25的一端电连接，用于输入光信号经过转换后的电信号；所述电阻R25的另一端接地；所述运算放大器U11A的输出端与电阻R19的一端电连接，所述电阻R19的另一端分别与运算放大器U11A的反相输入端和电阻R18的一端电连接，所述电阻R18的另一端与电容C34的一端电连接，所述电容C34的另一端接地。
所述第一参考通道包括运算放大器U11B、电阻R36、电阻R39、电阻R41、电容C50；所述运算放大器U11B的同相输入端与电阻R41的一端电连接，用于输入光信号经过转换后的电信号；所述电阻R41的另一端接地；所述运算放大器U11B的输出端与电阻R39的一端电连接，所述电阻R39的另一端分别与运算放大器U11A的反相输入端和电阻R36的一端电连接，所述电阻R36的另一端与电容C50的一端电连接，所述电容C50的另一端接地。
光源穿过待测气体辐射到光电检测器电路，光电检测器电路感光后，光信号转为电信号。由于光信号是调控光源，传递的光信号为一个交变信号，通过光电检测器转化出的信号也是一个交变信号，信号进行放大，信号放大处理中只放大交流信号，叠加在直流信号上，以直流信号为中心值，测量交流信号峰峰值，以交流信号峰峰值检定光谱吸收峰值。光电检测器电路可以有效的区分出检测器本身的暗电流信号及光源本身的调制信号，避免了检测器本身的暗电流信号参与进微弱探测信号的信号放大过程，导致电路信号饱和现象产生。
进一步的，如图5所示，所述信号采集电路包括第二测量通道和第二参考通道；所述第二测量通道和第二参考通道均采用16位外置的积分型ADC芯片进行信号采集。采用积分型ADC可以获得更好的分别率，对比同类采集器有效分辨率更高。图5中，第二参考通道中采用了两种不同型号的ADC芯片U7和U3。
进一步的，如图6所示，所述通讯传输电路包括RS-485接口芯片U5、电阻R7、电阻R11和RS485总线；所述RS-485接口芯片的第六引脚分别与电阻R11的一端和RS485总线电连接，所述电阻R11的另一端接+5.0VA参考电压；所述RS-485接口芯片的第七引脚分别与电阻R7的一端和RS485总线电连接，所述电阻R7的另一端接地。
又如图7所示，所述通讯传输电路还包括4-20mA模拟量输出电路；所述4-20mA模拟量输出电路包括运算放大器U12A、三极管Q1、二极管D6、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17；所述运算放大器U12A的同相输入端分别与电阻R15和电阻R17的一端电连接，所述电阻R17的另一端分别与电阻R16的一端和二极管D6的正极电连接；所述电阻R16的另一端分别与三极管Q1的发射极和电阻R12的一端电连接，所述电阻R12的另一端分别与电阻R13的一端和运算放大器U12A的反相输入端电连接；所述电阻R13的另一端接地；所述运算放大器U12A的输出端与电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端与三极管Q1的基极电连接；所述三极管Q1的集电极接+5.0VA参考电压；所述三极管Q1为NPN型三极管。
所述通讯传输电路用于实现仪表实时传讯，在线实时监测，现场数据的采集、设备控制和驱动等，并能实现上传数据和接收数据等通信功能。RS485总线是一种半双工的通讯总线，同一总线上最多可同时挂载256个从机，通过差分方式进行信号传输，保证信号传输的稳定性，同时也延长了信号的传输距离。同时通讯传输电路还集成了4-20mA模拟量输出电路，可直接以电流信号传递电路测量值，保证信号传输的多样性，适合更多场景使用。
进一步的，如图8所示，所述温度补偿电路包括电阻R31、电阻R5、电容C37和MOS管Q1；所述电阻R31的一端接+3.3VA参考电压，所述电阻R31的另一端电容C37的一端电连接，用于接收采集的温度电压信号；所述电容C37的另一端接地；所述MOS管Q1的栅极与电阻R5电连接；所述MOS管Q1的源极接地；所述MOS管Q1的漏极接24V电源；所述MOS管Q1为P沟道MOS管。
温度补偿电路用于保证待测气室恒温运行，采用热敏电阻进行温度采集，热敏电阻具备高灵敏度、精度更优异、体积更小方便嵌入等优点。通过分压电路(图8左半部分)推算热敏电阻阻值，在根据热敏电阻的温度曲线推算相对应的温度进行温度测量。再通过软件对MOS管Q1(开关管)的控制来进行待测气室的温度控制，维持在一个相对稳定的温度，减小温漂对测量的影响以及避免温度较低时待测气室内壁产生凝露。
另外，如图9所示，为采用了本发明基于NDIR原理的红外气体测量系统的双窗口的红外气体传感器。所述红外气体传感器单电源供电，低麦克风效应，具有温度补偿功能，具备优异的温度稳定性。热电堆传感器采用先进的硅基显微机械加工技术将上百个热电偶连接在一起，能够感应红外辐射。作为一种自生的红外传感器，其前面装有红外带通滤波器(滤光片)，可使传感器只对特定的气体吸收频带起作用。传感器有敏感的红外吸收窗(窗口检测器)，吸收窗面积越大光功率越高.当红外光照射到吸收窗时，通过检测气体的独特吸收光谱测量被测气体在红外光谱范围内的红外吸收峰，从而做出精确的定量分析计算相对应的气体浓度值。双窗口的红外气体传感器具有具备一路测试检测窗口，单路参考检测窗口，能够避免气体交叉干扰，实现气体浓度的精确稳定检测。红外光源驱动电路具备检压反馈机制，以此为光源输入功率做出补偿，从而保证光源输出稳定，确保了测量的准确性。
本发明的工作原理为，由于红外光能够激发分子跃迁到高能级，因此来自红外光的热能能够储存到气体中。红外光束在穿越气体之后，强度会减弱，光强的损失是单位体积内的活性气体分子数量的函数，即气体浓度的函数。气体分子对红外光的吸收作用只发生在红外光的某个波长点为中心的小区间内，并且不同气体的吸收峰在不同的波长点上。利用不同波长的光源可测试相对应的吸收比较大的气体源。通过探测器对检测器的独特吸收光谱测量被测气体在红外光谱范围内的红外吸收峰，即可精确做出定量分析。
本发明采用无光纤电路结构，光路设计结构精巧，安装简单，适用于各类仪表集成使用及便携测量；本发明采用温度补偿，低温漂技术，且基于光学传感，动态范围大，测量精度高，同时具备检压反馈机制，能够保证光源输出稳定。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，包括中央处理器、光源驱动电路、光源电压检测电路、光电检测器电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路；所述光源电压检测电路、信号采集电路、通讯传输电路和温度补偿电路均与中央处理器电连接；所述光源驱动电路与光源电压检测电路电连接；所述光电检测器电路与信号采集电路电连接；所述光源驱动电路产生的光源辐射至光电检测器电路。
2.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述光源驱动电路包括光源发生器、三极管Q2、三极管Q4、电阻R23、电阻R32、电阻R33、电阻R40、电容C66和运算放大器U14A；所述三极管Q2的基极与电阻R23电连接，用于连接输入PWM信号；所述三极管Q2的发射极与+8V电源电连接；所述三极管Q2的集电极与光源发生器的正极电连接；所述电阻R33与运算放大器U14A的同相输入端电连接；所述运算放大器U14A的输出端分别与电阻R32和电容C66电连接；所述电阻R32的另一端与三极管Q4的基极电连接；所述三极管Q4的发射极分别与电阻R40、电容C66和运算放大器U14A的反相输入端电连接；所述电阻R40接地；所述三极管Q4的集电极与光源发生器的负极电连接并接地；所述三极管Q2为PNP型三极管，所述三极管Q4为NPN型三极管。
3.根据权利要求2所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述光源电压检测电路包括AD8221芯片、电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46和电阻R47；所述电阻R43的一端连接光源发生器的负极，所述电阻R43的另一端与AD8221芯片的第一引脚电连接；所述电阻R46的一端连接光源发生器的正极，所述电阻R46的另一端与AD8221芯片的第四引脚电连接；所述电阻R45的一端与AD8221芯片的第二引脚电连接，所述电阻R45的另一端与AD8221芯片的第三引脚电连接；所述AD8221芯片的第七引脚与电阻R44的电连接；所述电阻R47的一端与电阻R44电连接，所述电阻R47的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述光电检测器电路包括第一测量通道和第一参考通道；所述第一测量通道包括运算放大器U11A、电阻R18、电阻R19、电阻R25、电容C34；所述运算放大器U11A的同相输入端与电阻R25的一端电连接，用于输入光信号经过转换后的电信号；所述电阻R25的另一端接地；所述运算放大器U11A的输出端与电阻R19的一端电连接，所述电阻R19的另一端分别与运算放大器U11A的反相输入端和电阻R18的一端电连接，所述电阻R18的另一端与电容C34的一端电连接，所述电容C34的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述第一参考通道包括运算放大器U11B、电阻R36、电阻R39、电阻R41、电容C50；所述运算放大器U11B的同相输入端与电阻R41的一端电连接，用于输入光信号经过转换后的电信号；所述电阻R41的另一端接地；所述运算放大器U11B的输出端与电阻R39的一端电连接，所述电阻R39的另一端分别与运算放大器U11A的反相输入端和电阻R36的一端电连接，所述电阻R36的另一端与电容C50的一端电连接，所述电容C50的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述信号采集电路包括第二测量通道和第二参考通道；所述第二测量通道和第二参考通道均采用16位外置的积分型ADC芯片进行信号采集。
7.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述通讯传输电路包括RS-485接口芯片、电阻R7、电阻R11和RS485总线；所述RS-485接口芯片的第六引脚分别与电阻R11的一端和RS485总线电连接，所述电阻R11的另一端接+5.0VA参考电压；所述RS-485接口芯片的第七引脚分别与电阻R7的一端和RS485总线电连接，所述电阻R7的另一端接地。
8.根据权利要求7所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述通讯传输电路还包括4-20mA模拟量输出电路；所述4-20mA模拟量输出电路包括运算放大器U12A、三极管Q1、二极管D6、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17；所述运算放大器U12A的同相输入端分别与电阻R15和电阻R17的一端电连接，所述电阻R17的另一端分别与电阻R16的一端和二极管D6的正极电连接；所述电阻R16的另一端分别与三极管Q1的发射极和电阻R12的一端电连接，所述电阻R12的另一端分别与电阻R13的一端和运算放大器U12A的反相输入端电连接；所述电阻R13的另一端接地；所述运算放大器U12A的输出端与电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端与三极管Q1的基极电连接；所述三极管Q1的集电极接+5.0VA参考电压；所述三极管Q1为NPN型三极管。
9.根据权利要求1所述的基于NDIR原理的红外气体测量系统，其特征在于，所述温度补偿电路包括电阻R31、电阻R5、电容C37和MOS管Q1；所述电阻R31的一端接+3.3VA参考电压，所述电阻R31的另一端电容C37的一端电连接，用于接收采集的温度电压信号；所述电容C37的另一端接地；所述MOS管Q1的栅极与电阻R5电连接；所述MOS管Q1的源极接地；所述MOS管Q1的漏极接24V电源；所述MOS管Q1为P沟道MOS管。
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