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NDIR原理同时测量CO2,CO气体的浓度

关键词:NDIR,CO2传感器,CO传感器,红外气体传感器点击:
随着环境污染治理力度加大,对环境的关注也在增加。温室气体,特别是1970至2004的温室气体增加了70%。因此,世界各国都在努力减少温室气体中二氧化碳的排放量,而二氧化碳是全球变暖的主体。从制度上讲,CO2排放量受到调节。另外,由于在失火过程中产生的有毒气体数量较少,给人体带来危害,因此需要减少CO的排放和监测。
 
NDIR(.Dispersive Infra.,非色散红外)法广泛用于CO2和CO的测定,NDIR法是通过特定气体分子的光能吸收来测量气体的浓度。对于该方法,与小尺寸·低成本电化学类型或半导体方法相比,可以精确地进行浓度测量,并且特定气体的选择性极好。在5~10年的使用寿命中,最大限度地减少了维护和补充。然而,在NDIR方法中,入射到气体分子中的光的有效聚焦、通过反射使光损耗最小化、检测器部分中微弱信号的放大、模数转换、噪声最小化是重要的考虑因素。为此提出了NDIR方法和传感器,同时测量CO2和CO的新型光腔,以及噪声最小化方案、精细信号放大电路、CO2浓度不变时电压值的测量等。

光学气室
 
当使用NDIR方法测量气体浓度时,需要发射和检测光的腔室。这个腔室被称为光学室。光学室由反射率高的材料制成,以减少光的损失。这个反射率为4.2~4.7μm波段的主要材料,波段为范围用于测量CO2和CO,与Au> Ag> Al的顺序大。这些材料的反射率大于95%(5)。考虑到相对高的反射率和成本,本文设计了一种铝制的光学腔。另外,利用内置式直线电机,设计了光腔,改变光路同时测量CO2和CO。换言之,由于CO气体对分子结构上的光反应较弱,因此在光学腔中需要较长的光路来测量探测器传感器的光强。光腔是计算短光路测量值与长光路测量值之比,使包括湿度在内的温度。因此,为了减少由于光路变化而在一个光室中损失的光量,设计了以下反射入射光的装置,并设计了新型的光室。
反射板来回移动。此时,发射器传感器的光直接辐射到检测器传感器,或者通过反射路径通过长光路辐射到检测器传感器。同时,光学室用2种其他路径测量气体密度。

电路部分与电源噪声的最小化
NDIR原理同时测量CO2,CO气体的浓度
 
利用所设计的光腔,在探测器传感器中感测发射器传感器的辐射光,并用两级放大电路将细微变化放大1000倍,然后感测探测器传感器的电压变化。
此外,通过使用24bit×Sig ∆ ∑ADC(ADS1253),测量了微细电压的变化。所选择的ADC芯片是A/D转换器,它适合于用于高分辨率测量的气体浓度测量,作为具有最大20KHz数据速率的有效位为19位的芯片。
 
当使用上述A/D转换器执行128次平均处理时,有效位增加约3.36位。因此,在电路中使用22位的有效位。这表明,在输入通道的5V输入情况下,ADC具有1.2㎶的分辨率。
考虑到详细的气体浓度测量所需的考虑,电源的稳定是必不可少的。因此,作为电源噪声最小化方案,通过在A/D转换器电路中将数字电压与模拟电源分离来最小化功率噪声的影响。而在PCB(印刷电路板)的设计中,每个电源部件都与库珀浇注隔离。因此,每个电源部件之间的影响被最小化。

在测量CO2浓度之前,利用本设计的光学室,改变光路并测量CO2浓度,研究了每浓度电压的分辨率(1ppm)。在注入N2后注入一定浓度(94.3ppm)的CO2时,通过发射极传感器的开/关测量峰值到峰值的变化,即零气体,对探测器传感器的传感器没有影响。因此,假设低浓度的CO2具有线性的电压输出,检测器电路的分辨率为848_/1ppm的CO2。


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