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红外甲烷气体浓度检测仪设计

关键词:NDIR,甲烷,气体浓度检测仪点击:
1  引言
我国是煤矿开采和消费大国,煤炭资源有着短期内不可替代的地位,近年来煤矿中瓦斯爆炸事故频繁发生,给我国带来了巨大的人员伤亡和经济损失。因此煤矿中瓦斯浓度的实时检测和报警就成为了保障煤矿安全的首要任务。
在矿下气体检测仪设计中,红外处理技术作为近年来兴起的气体处理技术相比于目前使用普遍的热催化技术具有其独特的优势,有着广泛的应用前景,
 
 
2  气体浓度检测发展概述
气体检测包括气体浓度测量,成分分析等主要指标,其检测方法也是多种多样,按照测量原理主要可以分为两大类:光谱法和非光谱法。非光谱法主要有半导体气敏法、催化燃烧法、光干涉法等。光谱法主要包括红外吸收光谱法、可调谐激光光谱法、激光光声光谱法等。
(1)半导体气敏法:利用氧化物半导体气敏材料与被测气体之间发生吸附或者氧化还原反应,引起材料的电导率变化,进而通过电路检测浓度。其具有很高的灵敏度和选择性,结构简单但为了提高气敏元件的吸附和反应速度,工作温度必须维持在一个较高的水平。导致此种方法稳定性比较差,精度也不是很高]。
(2)催化燃烧法:是一种基于催化元件放热和电桥原理的测量方法。应用这种原理的甲烷传感器也是目前煤矿使用中最常见的一种[2]。主要用来检测可燃性气体,在工作中容易受环境温度,湿度,气压等影响。催化元件具有寿命短和不稳定等缺点,不能检测高浓度甲烷、硫化氢和砷化物等有毒气体。否则会产生所谓的传感器“中毒”现象。
(3)光干涉法:利用光在空气与被测气体的折射率不同从而产生的干涉条纹移动进行气体浓度测量的。设计关键是要保证两个气体的气室成分尽可能相同。
(4)可调谐激光吸收光谱法:又称为TDLAS技术。利用激光器的窄线宽特性和波长调谐特性,扫描被测气体的特征吸收谱线,从而实现痕量气体的定性和定量测量[4]。利用其高光谱分辨率特性,可以排除其他气体谱线对待测气体谱线的交叉干扰。同时,通用性很强,只要获得气体的吸收谱线信息就可以对其进行测量,也可以进行多种成分气体的同时测量。该方法的主要缺点是波长调谐范围较小,限制了单个激光器可探测气体的种类。
(5)光声光谱法:激光器发出的能量被气体分子吸收后转为热能,从而使局部气体的温度产生变化,并引起气压的变化。当激光受到周期性调制时,气压也随着发生周期性变化,产生声波,通过微音器就可以检测到声波信号,从而分析气体的组分和浓度。
(6)红外光谱吸收法:利用气体对红外辐射表现出的特征光谱来检测气体的浓度,采用光信号作为检测信号,红外光透过被测气体后由于气体的吸收在特征谱线处会发生能量的衰减,衰减量与气体浓度有关。利用朗伯-比尔定律便可确定气体的浓度。该方法的优点为测量范围宽、安全防爆,不会发生中毒现象[5]。
 
3  检测仪总体设计方案及分析

 

图1 系统总体设计框图
本文以红外吸收检测技术中的NDIR技术和朗伯-比尔定律作为理论检测依据,结合甲烷气体的吸收光谱选择合适的检测波段并完成了光源和探测器的选型设计了红外光收发系统,依据输出信号的特点为降低成本自主设计了包括两级放大、精密整流及积分滤波电路的信号处理电路。并以单片机为处理核心设计了外围的功能电路实现检测仪的数码管浓度显示、声光报警、红外遥控等功能。检测仪系统的总体设计框图如图1所示。
系统的工作过程为:上电后,利用单片机定时器产生方波信号对光源进行调制,光源发出的红外光经甲烷吸收后,通过探测器上的两个滤光片得到两路信号,分别为参考信号和测量信号。两路信号经过两个独立的完全相同的处理电路——前置放大电路、精密整流电路、积分滤波电路,最后利用单片机A/D采集两路电压信号进行数据分析处理,同时完成甲烷气体浓度的实时显示和报警。报警上限值通过遥控器人为设定。当浓度设定值时,系统便产生声光报警提示异常。
 
 
4红外收发系统设计
(1)检测波段选取及器件选型:不同分子结构的气体分子处在不同的能级,因而能够吸收不同频率的辐射而发生跃迁。通过测量被吸收的辐射的波长和强度,就可以确定被测气体的组分,浓度,结构等重要信息。根据HITRAN提供的气体吸收谱线数据库,甲烷气体分子具有四个比较强的吸收频带,对应波长分别位于近红外区的1.33um,1.65um和中红外区的3.31um和7.66um。其中,在中红外区3.31um处吸收峰最强高处近红外区两个数量级。因此本检测仪选择波长3.31um作为检测波段。
在红外光源的选择中,本设计选择了中红外光源白炽灯IRL715。该光源由美国珀金埃尔默仪器公司生产,专用于红外气体传感器,发出的光可覆盖到4.4μm波段,包含了甲烷检测波段。额定工作电压为5V,工作电流为115mA。光源直径3.17mm,体积小,采用玻璃封装。具有可靠性好、输出稳定、使用寿命长等特点。
本设计中用到的探测器应满足甲烷中红外检测波段的要求,一般的光子探测器具有波长的选择性,光谱响应范围小,不适合双波长的测量。热释电探测器具有灵敏度高,响应范围宽,响应速度快等特点。目前的红外探测器主要有以下几种:热释电红外探测器,锗红外探测器,InGaAs铟镓砷探测器,InAs砷化铟探测器,PbS硫化铅探测器。其中,锗红外探测器是较早使用的红外探测器,由于近年来红外探测器的制造工艺和技术水平不断提高,锗红外探测器逐渐退出了主流传感器的行列。不可避免的显现出探测精度差,响应时间长等劣势。InGaAs和InAs探测器价格昂贵达千元以上,不适合用在小型气体检测仪中。PbS硫化铅探测器在室温下无法提供本设计所需要的3.31μm波长。
综合分析各类探测器,本设计最终选择了热释电红外探测器PYS3228。该探测器为德国PerkinElmer公司生产具有双通道输出。操作电压为2-12V,两通道分别配有两个窄带滤光片。其中参考滤光片中心波长为4.00±0.08μm,半功率频带宽度0.09±0.02μm。信号滤光片中心波长为3.295±0.015μm,半功率频带宽度0.16±0.02μm。
(2)光源调制频率选择:热释电红外传感器,只有在红外辐射不断变化,它的内部温度随之不断升降的过程中,传感器才有信号输出,而在稳定状态下,输出信号则为恒定值,即热释电红外传感器只对红外辐射相对变化有反应,而对红外辐射的绝对值没有反应。因此在应用热释电传感器时,应设法使红外辐射不断变化,这样才能使传感器输出的信号有效,为了满足这一要求,须将红外光源按一定频率进行调制。
光源的调制频率的选择主要考虑两个方面,一个是需要参考光源的技术手册,分析光源的输出曲线。另一个需要结合探测器的响应曲线。由两者综合确定光源的最佳调制频率。光源的调制深度与调制频率的关系如图2所示。

图2  光源调制深度与调制频率的关系
从信号检测角度,调制深度越大越好,但要考虑输出信号的稳定性以及一级运算放大器输出饱和的问题。为了获得恰当的调制深度调制频率应该选取适当。
再从探测器角度进行考虑,调制频率的选取还应该参考探测器的响应度,也即是探测器的频响曲线。PYS3228型热释电红外探测器的频响曲线如图3所示。由频响曲线可以看出PYS3228型热释电红外探测器在光源的调制频率处在0.1赫兹至0.7赫兹之间时具有最大的响应度。响应度过低可以在后续的电路中进行处理,但低频时输出信号稳定度较差,结合以上两个方面最后决定调制频率选择0.7赫兹。

图3 探测器频响曲线图
(3)光源恒流驱动设计:在本检测仪中,光源的稳定性直接影响检测仪的准确性。红外光源的稳定性主要取决于两个方面,一个是光源本身的稳定性包括温度漂移和强度衰减。二是调制电路的稳定性。其中,采用双光路探测器通过求两路信号的比值便可消除光源本身稳定性的影响。调制电路的设计关键是让光源工作在恒流状态。本设计中红外光源的工作电流为115mA采用稳压芯片AMS1117设计恒流源电路。
 
 
5信号采集处理系统设计
(1)硬件设计:本文设计了由两级放大电路、精密整流电路以及积分滤波电路组成的信号处理电路。探测器直接输出的信号比较微弱,难以直接进行AD采集,而且输出信号成分交直流混杂,噪声干扰比较严重。根据热释电探测器的输出特性,如果采用了调制的光源信号,输出信号经过交流放大会产生近似的正负半周的正弦信号。由于有双向电压的存在,一方面不能直接进行单片机AD采样,另一方面也无法直接进行积分运算,因此设计了精密整流电路。探测器输出的信号放大和整流后,变成只有负半周期的交流信号。再经过一次反向积分电路,可以获得具有正有效值且波动较小的缓变交流电压。再经过一个低通滤波电路,进入AD采集系统。转化为待处理的数字信号。
(2)软件设计:本设计选择了宏晶公司生产的
STC12C5A60S2单片机作为核心处理器。具有8路10位ADC转换,转换速率可达25万次/秒。在信号采集处理程序设计中,选择了ADC中断方式进行数据采集,此外,经过硬件处理的信号仍有较大的波动和噪声,因此本系统设计了软件滤波程序,采用均值滤波法和中值滤波法相结合的复合滤波法。目的是去掉交流信号换向所产生的周期突变噪声信号。通过中值滤波选取中间值,可以很好地实现这一目的。最后将数据再进行一次均值滤波,就可以得到一个周期的平均电压,信号通道的该电压均值与气体浓度具有一定的负相关性。
单片机外围功能系统设计

(1)声光报警系统:声光报警电路图如图4所示:
 
图4  声光报警电路
根据煤矿井下环境的要求和我国安全生产行业标准有关矿用甲烷传感器的设计要求规定:报警声级强度在距其1米远处的声响信号的声压级应不小于80dB(A);光信号应能在黑暗环境中20米远处清晰可见。本设计中,光报警电路由限流电阻、NPN三极管和LED组成。由于矿井下特殊环境对能见度的要求,采用两个LED发光。在声报警电路中,为满足蜂鸣器发声足够大。本设计采用了单通道高速光耦合器利用外部24V供电驱动大功率蜂鸣器发声,满足井下发声要求,同时实现了数模信号的隔离,大大提高了检测仪抗干扰的能力。
(2)数码管浓度显示系统:检测仪采用3个共阴极数码管显示甲烷气体浓度,在电路设计中采用ZLG7290芯片驱动数码管。ZLG7290是由广州周立功单片机公司设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。ZLG7290芯片采用I2C通信协议。I2C总线是电平有效型总线,SCL为低时,SDA可以传输有效数据。当SCL为高时,SDA需要保持不变。I2C总线将SCL为高时,SDA从高到低的负跳变视为传输开始。将SCL为高电平时,SDA从低到高的正跳变视为传输结束。
(3)红外遥控收发系统:本设计中采用红外遥控器来实现报警限的设定和修改。该红外遥控器采用基于PPM低电平脉冲间隔调制方式的通信协议。主要根据低电平脉冲宽度确定逻辑电平。遥控编码芯片采用UPD6121,红外接收部分采用红外一体化接收头,接收频率为38KHz。通过遥控器解码操作可以自由设定遥控器按键功能,在报警值设定界面,按下任意按键进入设定模式。遥控器上的A键功能为当前位数值加一,B键功能为当前位数值减一,C键功能为选择当前位,D键功能为输出信号设置,E键功能为不保存修改值并退出设定模式,此按键功能主要是为了避免误操作。红色按键功能为保存修改值并退出设定模式。当按下此按键时,设定的报警值会被存储在单片机的EEPROM中,重新上电开机时不需要再次设定报警值。
 
 
6  结束语
本文对于目前常用的气体检测技术做了简要的概述说明的各种方法的优缺点。重点介绍了基于红外吸收原理的甲烷检测仪整体设计。并详细介绍了检测仪各个部分的设计方案。该检测仪具有低成本、便携式的特点目前已经设计设计成功并通过检测。会有广泛的应用前景。



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