CN202974860U

CN202974860U - 一种高精度红外气体检测模块

Info

Publication number: CN202974860U
Application number: CN 201220733686
Authority: CN
Inventors: 江资昉
Original assignee: HUNAN GUORUI INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: HUNAN GUORUI INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-12-27

Abstract

本实用新型公开了一种高精度红外气体检测模块，包括中空的气室、光源模块、探测模块和控制模块，所述的光源模块与探测模块分别安装于气室的两端内侧壁上，所述的光源模块和探测模块分别与控制模块通信连接。本实用新型的技术效果在于，采用了NDIR的测量方式，并配合高灵敏性的传感器、运放和高精度的模数转换芯片，实现了气体测量的高精度、高灵敏性；检测精度可以达到≤±0.1%FS，灵敏度≤±0.1%FS；本专利设计的测量方式，传感器不直接与被测气体接触，减小了传感器被腐蚀的可能性。由于采用红外测量方式，并配合高速的微处理器，使单次测量时间仅为5s，优于其它气体检测模块。

Description

一种高精度红外气体检测模块

技术领域

本实用新型涉及一种高精度红外气体检测模块。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对于自己的生存环境越来越关注，尤其是最近几年国家对环保越来越重视，在环境监测和环境治理方面的投入也在逐年加大。在未来几十年内，环保将是一个非常热门的行业。与人们生活息息相关的两个环境监测因素是水质监测和气体监测。

参见图1，目前常用的气体检测模块包括红外气体检测模块等，传统的红外气体检测模块的气室有两个，一个是测量室1，一个是参比室2。两室通过切光板3以一定周期同时或交替开闭光路。在测量室1中导入被测气体后，具有被测气体特有波长的光被吸收，从而使透过测量室1这一光路而进入红外线接收气室4的光通量减少。气体浓度越高，进入到红外线接收气室4的光通量就越少；而透过参比室2的光通量是一定的，进入到红外线接收气室4的光通量也一定。因此，被测气体浓度越高，透过测量室1和参比室2的光通量差值就越大。这个光通量差值是以一定周期振动的振幅投射到红外线接收气室的。红外线接收气室4用几微米厚的金属薄膜分隔为两半部，室内封有浓度较大的被测组分气体，在吸收波长范围内能将射入的红外线全部吸收，从而使脉动的光通量变为温度的周期变化，再可根据气态方程使温度的变化转换为压力的变化，然后用电容式传感器来检测，经过放大处理后指示出被测气体浓度。

这种红外气体检测模块的缺点在于，因为采用了双气室和机械切光结构，体积大，成本高；切光部件需要采用电动机，供电电压复杂、能耗高；由于采用机械切光部件，无法达到较高的精度和稳定性；而采用滤波气室，导致气体测量选择性较差；有机械结构也导致了防腐防爆性能差。

发明内容

为了解决现有红外气体检测模块体积大、成本高、精度不足、防腐防爆性能差等技术问题，本实用新型提供一种高精度、高灵敏性、可防腐防爆的高精度红外气体检测模块。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是，一种高精度红外气体检测模块，包括中空的气室、光源模块、探测模块和控制模块，所述的光源模块与探测模块分别安装于气室的两端内侧壁上，所述的光源模块和探测模块分别与控制模块通信连接。

所述的一种高精度红外气体检测模块，所述的控制模块包括前置放大电路、滤波电路、锁相放大电路、ADC采样电路和单片机，所述的前置放大电路、滤波电路、锁相放大电路、ADC采样电路依次串联后连接单片机，前置放大电路的输入端连接至探测模块的输出端，单片机还分别连接至光源模块和锁相放大电路。

所述的一种高精度红外气体检测模块，所述的控制模块还包括RS485通信接口，所述的RS485通信接口通信连接至单片机。

所述的一种高精度红外气体检测模块，还包括温湿度传感器，所述的温湿度传感器安装于气室的内侧壁上并通信连接至单片机。

所述的一种高精度红外气体检测模块，所述的探测模块包括干涉滤波镜和探测器，所述的干涉滤波镜安装于探测器上以过滤非特定波长的光线，所述的探测器通信连接至控制模块。

所述的一种高精度红外气体检测模块，所述的干涉滤波镜包括测量滤波镜和参考滤波镜，所述的探测器包括测量探测器和参考探测器，所述的测量滤波镜安装于测量探测器上，所述的参考滤波镜安装于参考探测器上，所述的测量探测器和参考探测器并列平行固定，测量探测器和参考探测器分别通信连接控制模块。

所述的一种高精度红外气体检测模块，所述的光源模块为红外光源模块，所述的探测器为热释电探测器。

本实用新型的技术效果在于，采用了NDIR的测量方式，并配合高灵敏性的传感器、运放和高精度的模数转换芯片，实现了气体测量的高精度、高灵敏性；检测精度可以达到≤±0.1%FS，灵敏度≤±0.1%FS；本专利设计的测量方式，传感器不直接与被测气体接触，减小了传感器被腐蚀的可能性。由于采用全封闭测量结构，并采用防腐镀金处理工艺，大大增强了检测模块的抗腐蚀能力。由于采用独特的全封闭式测量结构，被测气体不与外界气体接触，防爆性能好，防爆等级到达Exd IIC T6；本专利模块结构尺寸为112mm×60mm×40mm，使气体检测模块达到小型化要求；由于采用高效合理的电源管理方案，使用单一电源5-12VDC供电即可以保证本模块正常,而且功耗非常小，平均工作电流仅为70毫安，待机工作电流低于10毫安。由于采用红外测量方式，并配合高速的微处理器，使单次测量时间仅为5s，优于其它气体检测模块。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为现有红外气体检测模块的结构示意图；

图2为本实用新型的电路结构示意图；

图3为本实用新型气室结构示意图；

其中1为测量室、2为参比室、3为切光板、4为红外线接收气室、5为气室、6为光源模块、7为测量滤波镜、8为参考滤波镜、9为测量探测器、10为参考探测器、11为温湿度传感器。

具体实施方式

参见图2、图3，本实用新型包括中空的气室、光源模块、探测模块和控制模块，光源模块与探测模块分别安装于气室的两端内侧壁上，光源模块和探测模块分别与控制模块通信连接。控制模块包括前置放大电路、滤波电路、锁相放大电路、ADC采样电路和单片机，前置放大电路、滤波电路、锁相放大电路、ADC采样电路依次串联后连接单片机，前置放大电路的输入端连接至探测模块的输出端，单片机还分别连接至光源模块和锁相放大电路。控制模块还包括RS485通信接口，RS485通信接口通信连接至单片机。同时还包括温湿度传感器，温湿度传感器安装于气室的内侧壁上并通信连接至单片机。探测模块包括干涉滤波镜和探测器，干涉滤波镜安装于探测器上以过滤非特定波长的光线，探测器通信连接至控制模块。干涉滤波镜包括测量滤波镜和参考滤波镜，探测器包括测量探测器和参考探测器，测量滤波镜安装于测量探测器上，参考滤波镜安装于参考探测器上，测量探测器和参考探测器并列平行固定，测量探测器和参考探测器分别通信连接控制模块。光源模块为红外光源模块，探测器为热释电探测器。

本实用新型的检测原理是，非对称双原子和多原子分子气体（如CH₄、CO、SO₂、NO和CO₂等）在红外波段均有特征吸收峰，所以具有红外活性的分子可以通过其吸收谱来辨别。在2~14.5um的红外吸收光谱范围内，混合物的成分可以很容易区分，正是在这个波长范围内，物质对红外辐射的吸收是有选择性的。当红外辐射通过被测气体时，其分子吸收光能量，吸收关系遵循朗伯-比尔（Lamber-Beer）定律，如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应的谱线处就会发生光强的衰减，气体对红外辐射的吸收遵循朗伯-比尔吸收定律

I=I₀e^-KCL

式中：I--被介质吸收的辐射强度；

I₀--红外线通过介质前的辐射强度；

K--待分析组分对辐射波段的吸收系数；

C--待分析组分的气体浓度；

L--气室长度；

气室示意图中，气室左边是红外光源，采用ICX进口光源，该光源具有发光稳定、功耗低、自身发热小等特点，能为整个测量系统提供高效稳定的2-20um的红外光。光源调制器为红外光源提供10Hz、5V的脉冲电压。

气室的右边是光强探测器部分。探测器为集成的双路的热释电探测器，每路探测器上都有一个干涉滤波镜。干涉滤波镜是一种窄带滤光片，通带很窄，只能让特定波长的光通过滤波镜到达探测器。根据滤波镜材料和制作工艺的不同，干涉滤波镜可以制成不同波长的滤光片。根据测量的需要，双路热释电探测器上的干涉滤波镜是不同的，一路用于测量，一路用于参考，以防止由于探测器老化或者温湿度变化所产生的测量值飘移。

气室中充满被测气体（比如说CO₂气体），从红外光源发出的红外光照射到被测气体上，波长为4.26um的红外光被CO₂气体吸收，通过干涉滤波镜后，热释电传感器1接收的4.26um波长的红外光光强的变化，吸收后的光强值为I，热释电传感器将光信号转换为电信号，给检测电路做进一步处理。

探测器由光强变化产生的电信号非常的微弱，一般在uV级别，与检测的气体和浓度有关，不容易被AD采样，所以必须经过前置放大。本专利使用进口高精度、高增益、低噪声的运放作为前置放大器。经过前置放大器后，信号由uV级别放大到几十mV水平。接下来经过带通滤波器，滤去信号中大部分噪声信号。通过移相、锁相处理、可编程增益放大器处理后，变成可以由ADC采样的信号。

本专利使用进口高精度模拟数字转换芯片。这是一款24位的ADC,分辨率可以达到10ppb，噪声低至200nVRMS，专门用于高精度气体分析的ADC芯片。24位高精度模数转换芯片的使用在硬件上保证本专利高精度的测量。

单片机系统采用最新的ARM微处理器，该微处理器采用CortexM3内核，32位宽，其主频能够达到72MHz，最新的精简指令系统，带硬件乘法器，运算速度1.25DMIPS/MHz，而且带有丰富的外设资源，为本专利的快速测量提高硬件保障。该微处理器还带有多种低功耗模式，在待机状态只需要几个mA电流。

本专利配有温湿度补偿系统，采用高精度温湿度传感器，将温湿度信号采集的信号直接传给单片机系统进行补偿运算，提高了气体检测的准确性。

本专利采用高效、低功耗、低噪声的电源方案。电源噪声水平低于10mVp-p，待机状态功耗仅为0.15W。

Claims

1.一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，包括中空的气室、光源模块、探测模块和控制模块，所述的光源模块与探测模块分别安装于气室的两端内侧壁上，所述的光源模块和探测模块分别与控制模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，所述的控制模块包括前置放大电路、滤波电路、锁相放大电路、ADC采样电路和单片机，所述的前置放大电路、滤波电路、锁相放大电路、ADC采样电路依次串联后连接单片机，前置放大电路的输入端连接至探测模块的输出端，单片机还分别连接至光源模块和锁相放大电路。

3.根据权利要求2所述的一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，所述的控制模块还包括RS485通信接口，所述的RS485通信接口通信连接至单片机。

4.根据权利要求1所述的一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，还包括温湿度传感器，所述的温湿度传感器安装于气室的内侧壁上并通信连接至单片机。

5.根据权利要求1所述的一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，所述的探测模块包括干涉滤波镜和探测器，所述的干涉滤波镜安装于探测器上以过滤非特定波长的光线，所述的探测器通信连接至控制模块。

6.根据权利要求5所述的一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，所述的干涉滤波镜包括测量滤波镜和参考滤波镜，所述的探测器包括测量探测器和参考探测器，所述的测量滤波镜安装于测量探测器上，所述的参考滤波镜安装于参考探测器上，所述的测量探测器和参考探测器并列平行固定，测量探测器和参考探测器分别通信连接控制模块。

7.根据权利要求5所述的一种高精度红外气体检测模块，其特征在于，所述的光源模块为红外光源模块，所述的探测器为热释电探测器。