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热电堆检测器工作原理 非分散红外气体传感器电

发布时间:2019-05-10 13:39

  非分散红外(NDIR)光谱仪常被用来检测气体和测量碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳)的浓度。一个红外光束穿过采样腔,样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线。通过测量相应频率的红外线吸收量,便可确定该气体组分的浓度。之所以说这种技术是非分散的,是因为穿过采样腔的波长未经预先滤波;相反地,光滤波器位于检波器之前,以便滤除选定气体分子能够吸收的波长之外的所有光线所示电路是一个基于NDIR原理的热电堆气体传感器完整电路。该电路针对二氧化碳检测优化,但采用不同滤光器的热电堆之后亦可精确测量多种气体的浓度。

  热电堆传感器由通常串联(或偶尔并联)的大量热电偶组成。串联热电偶的输出电压取决于热电偶结与基准结之间的温度差。该原理称为塞贝克效应,以其发现者Thomas Johann Seebeck命名。

  本电路使用运算放大器AD8629放大热电堆传感器输出信号。热电堆输出电压相对较小(从几百微伏到几毫伏),需要高增益和极低的失调与漂移,以避免直流误差。热电堆的高内阻特性(典型值为84 k)需要低输入偏置电流的放大器以最大程度地减少误差,而AD8629的偏置电流仅为30 pA(典型值)。该器件随时间和温度变化的漂移极低,在校准温度测量后不会引入额外误差。与ADC采样速率同步的脉冲光源最大程度地减少低频漂移和闪烁噪声引起的误差。

  该电路的斩波频率范围为0.1 Hz至5 Hz,可通过软件选择。低压差稳压器 ADP7105 l生成稳定的5 V输出电压以驱动红外光源,并由ADuCM360控制开关。ADP7105具有软启动功能,可消除冷启动光源时产生的浪涌电流。

  ADuCM360集成双通道、24位、-型ADC,在3.5 Hz至3.906 kHz的可编程速率范围内可同步采样双热电堆单元。NDIR系统的数据采样速率范围限制在3.5 Hz至483 Hz之间,以便具有最佳的噪声性能。

  如果在绝对零度以上的任意温度下连接两种不同的金属,则两种金属之间会产生电位差(热电EMF或接触电位),此电位差是结温的函数(参见图2中的热电EMF电路)。

  如果两根导线在两处相连,则形成两个结点(参见图2中连接负载的热电偶)。如果两个结点的温度不同,则电路中产生净EMF,并有电流流过,电流由EMF和电路总电阻决定(参见图2)。如果其中一根导线断开,则断点处电压等于电路的净热电EMF;并且如果该电压可以测得,便可利用其计算两个结点之间的温度差(参见图2中的热电偶电压测量)。记住,热电偶测量两个结点之间的温度差,而非一个结点处的绝对温度。只有当另一个结点(通常称为基准结点或冷结)已知的情况下,测量结点处的温度才可测得。

  但是,要测量热电偶产生的电压却很困难。假设电压表连接第一个热电偶测量电路(参见图2中显示冷结的实际热电偶电压测量)。连接电压表的导线在连接处形成了更多的热电偶。如果这些额外的结点温度相同(无论温度是多少),则中间金属法则表明它们对系统的总EMF没有净贡献。如果它们的温度不同,则产生误差。由于每一对不同的接触金属都会产生热电EMF包括铜片/焊点、可伐/铜片(可伐是一种用于IC引线框架的合金)和铝/可伐(IC内的焊接)在实际电路中,问题更为复杂,有必要极其谨慎地确保热电偶周边电路的所有结点对(除测量结点和基准结点本身)的温度相同。

  热电堆由大量热电偶串联而成,如图3所示。与单个热电偶相比,热电堆产生的热电电压要高得多。

  在NDIR应用中,经过滤波的脉冲红外光施加于串联有源结点;因此,结点加热,产生较小的热电电压。基准结点的温度由热敏电阻测量。

  很多气体的正负电荷中心瞬态或稳态不重合。在红外频谱,气体可吸收特定频率,这种特性可以用来进行气体分析。当红外辐射射入气体中,并且当分子的自谐振频率与红外波长相匹配时,气体分子会根据原子的能级跃迁而与入射红外线产生谐振。

  对于大部分红外气体检测应用而言,目标气体的成分是已知的,因此不需要气相色谱分析。然而,如果不同气体的吸收线重叠,那么系统就必须处理这些气体之间的相互干扰。

  红外光源的输出波长范围和水的吸收频谱同样决定了检测波长的选择。在3000 nm以下,以及4500 nm和8000 nm之间,水具有较强的吸收性。如果目标气体中有湿气(湿度高),则在这些范围内,检测气体会受到较强的干扰影响。图5显示了二氧化碳吸收频谱与水的吸收频谱重叠。(所有吸收数据均来自HITRAN数据库)。

  如果将红外光施加在双热电堆传感器上,并安装一对滤光器,使其中一个滤光器中心波长在4260 nm,而另一个中心波长在3910 nm,则通过测量两个热电堆的电压之比即可测得二氧化碳浓度。中心波长与二氧化碳吸收波长重叠的滤光器用作测量通道,中心波长在二氧化碳吸收波长以外的滤光器用作基准通道。使用基准通道后,可消除灰尘或辐射强度衰减引起的测量误差。二氧化碳和水蒸汽对3910nm的红外线几乎都没有吸收,注意这一点很重要;这使得该区域成为基准通道的理想地点。

  NDIR检测中使用的热电堆具有相对较高的内阻,而50 Hz/60 Hz电源线噪声会耦合进入信号路径。热电堆的内阻可能为100 k左右,导致热噪声成为系统内的主要噪声。例如,图1系统中选用的热电堆传感器电压噪声密度为37 nV/Hz。为了使系统拥有最好的性能,应该使传感器输出尽可能大的信号,并且在电路中使用较低的增益。

  使来自热电堆传感器的信号最大化的最佳方法是使用具有高反射特性的腔室,这样做可以确保尽可能多的辐射进入检测器而不被腔室吸收。使用反射腔室来减少腔室吸收辐射量还可降低系统功耗,因为这样可以使用小功率的辐射源。

  对于测量通道传感器输出,存在相应的输出电压变化V0 V:

  如果k和l保持不变,FA可相对于x进行绘图,如图6所示(其中,kl =115、50、25、10和4.5)。FA值随c增加,但最终在高气体浓度下饱和。

  这一关系表明,对于任意固定的设置,低浓度时气体对相对吸收率的影响要高于高浓度;但是,可以调节k和l,以便针对所需的气体浓度范围提供最佳吸收。这意味着较长的光学路径更适合于低气体浓度,而较短的光学路径更适合于高气体浓度。

  下文描述了两点校准步骤,这在使用理想比尔-朗伯公式确定kl常数的情况下是必需的。如果b = kl,则

  校准的第一步要求对传感器组件施加低浓度的二氧化碳气体(或纯氮气,即0%浓度的二氧化碳气体)。

  校准的第二步要求将已知浓度(xCAL)的二氧化碳气体施加到组件上。通常,xCAL浓度水平选择浓度范围内的最大值(比如针对工业空气质量范围,选择0.5%体积浓度)。

  系数T/TLOW补偿温度变化对气体浓度的影响(在此使用了理想气体定律)。

  因为并非所有达到热电堆的红外辐射都经历过理想的气体吸收(哪怕气体浓度较高),因而引入SPAN系数。由于滤光器带宽和吸收频谱的精细结构,SPAN小于1。

  光学路径长度的变化和光的散射要求增加指数项c,以便使方程精确吻合实际吸收数据。

  特定系统的b和c实际值通常使用曲线拟合程序从FA与浓度x的关系曲线上的一个数据点求得。

  对于b和c常数已确定的给定系统,ZERO和SPAN的数值可以使用两点校准法计算得到。

  校准的第二步要求将已知浓度(xCAL)的二氧化碳气体施加到组件上。通常,xCAL浓度水平选择浓度范围内的最大值(比如针对工业空气质量范围,选择0.5%体积浓度)。记录以下内容:

  辐射吸收与腔室中的目标分子数量有关,而非目标气体的绝对百分比。因此,吸收采用标准大气压力下的理想气体定律表述。

  理想气体定律下除了浓度会随温度而变之外,SPAN和FA也会随温度而产生轻微变化,在进行精度极高的浓度测量时可能需要校正。

  NDIR最大斩波频率为5 Hz,因此半周期脉冲宽度最小值为100 ms。22位建立时间约为0.1倍最小斩波脉冲宽度。

  其中一个热电堆以伪差分输入方式连接ADuCM360 ADC1/ADC3输入引脚,另一个个连接ADC2/ADC3输入引脚。ADC3输入引脚连接200 mV共模电压,由低噪声放大器ADA4528-1驱动。ADA4528-1的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为99 nV p-p。若要使ADC输入引脚保持在0.1 V以上,则需使用200 mV共模电压。

  AD8629级的增益为214.6,ADuCM360内部PGA增益通过软件自动设定,范围为1至128,确保输入信号匹配ADC输入的满量程范围(即1.2 V)。来自热电堆的峰峰值信号范围为几百微伏至几毫伏。例如,假设满量程热电堆信号为1 mV p-p,则PGA增益4可产生860 mV p-p的ADC输入信号。

  不同灵敏度的热电堆可能会要求AD8629级具有不同增益。如需将Arduino扩展板与其它ADC内部没有集成PGA的Arduino平台连接,则可能需要更高的增益。

  改变AD8629增益的最简单方法是改变R6和R10;这样不会影响由R5/R8和C9/C10决定的主极点频率。

  软件可以选择热电堆输出数据处理算法。用户可以在峰峰值算法和均值算法之间作出选择。

  更多有关信号采集、光源脉冲定时以及温度补偿处理算法的详细信息,请参阅和中的CN-0338源代码。。

  ADuCM360中的灵活输入多路复用器和双通道ADC支持热电堆信号和温度传感器信号的同时采样,以补偿漂移。

  温度较低(关灯)时,灯丝具有较低的电阻,这使其在开灯瞬间产生电流浪涌。带有软启动功能的稳压器对于解决这个问题很有用。

  低压差稳压器具有可编程使能引脚,将它连接到DuCM360的通用输入/输出引脚,可以对光源进行开关控制。10 nF软启动电容C6具有12.2 ms的软启动时间,这约等于100 ms最小斩波阶跃时间的0.125倍。

  灯的导通电流(~150 mA)较大,因此须仔细进行电路设计与布局,防止灯的开关脉冲耦合至微小的热电堆输出信号。

  仔细确保灯的返回路径不会流经敏感的热电堆传感器接地返回路径。灯的电流回路不可以与处理器的电流回路重叠,否则可能会产生电压失调误差。强烈建议针对灯的驱动以及系统的信号调理部分采用单独的稳压器。

  默认斩波频率设为0.25 Hz,默认采样速率设为10 Hz。但是,可以在软件中设置斩波频率,设置范围为0.1 Hz至5 Hz;还可以设置ADC采样速率,设置范围为3.5 Hz至483 Hz。软件保证采样速率至少是斩波频率的30倍。

  对于0.25 Hz的默认斩波频率而言,热电堆数据在2秒半周期内的后1.5秒内以10 Hz采样率获得,保证信号完全建立。忽略前500 ms的数据(消隐时间)。消隐时间也可以在软件中设置,上升沿和下降沿可分别设置。注意,NTC热敏电阻数据在消隐期间获得。

  建议将整个组件放置在密封腔室中,并可向其中注入已知浓度的二氧化碳气体,直到腔室中一切原有气体均被排出。稳定数分钟后,便可开始进行测量。

  2. 注入低浓度(xLOW)或零浓度气体(氮气),并让腔室内的气体稳定。

  4. 系统测量ACTLOW,它表示低浓度气体中测量通道传感器的峰峰值输出。

  5. 系统测量REFLOW,它表示低浓度气体中基准通道传感器的峰峰值输出。

  如需利用理想比尔-朗伯方程测量未知浓度的二氧化碳气体,则请按下述步骤操作:

  1. 输入下列命令:mbllcalibrate(修正后的比尔-朗伯校准)。

  3. 注入低浓度(xLOW)二氧化碳气体(氮气),并让腔室内的气体稳定。

  5. 系统测量ACTLOW,它表示低浓度气体中测量通道传感器的峰峰值输出。

  6. 系统测量REFLOW,它表示低浓度气体中基准通道传感器的峰峰值输出。

  如需利用修正后的比尔-朗伯方程测量未知浓度的二氧化碳气体,则请按下述步骤操作:

  EVAL-ADICUP360平台板通过USB端口连接PC。该板显示为一个虚拟COM设备。任意类型的串口终端均可与EVAL-ADICUP360板交互,用于开发和调试。关于软件操作的详细信息,请参阅电路笔记CN-0338。

  图11. 典型EVAL-CN0338-ARDZ板的相对吸收率与二氧化碳浓度的关系

  EVAL-CN0338-ARDZ板的完整设计支持包包括布局文件、物料清单、原理图和源代码,请参阅。

  图13. EVAL-CN0338-ARDZ板和EVAL-ADICUP360板照片 总结

  实现NDIR测量所需的模拟电子器件包括精密低噪声放大器和高分辨率模数转换器。本文所述的电路是高集成度解决方案,其利用精密模拟微控制器ADuCM360来执行精密PGA功能、精密- ADC转换以及数字控制和处理。

  Arduino扩展兼容能力支持快速开发NDIR设计原型,以及根据具体应用要求定制软件。



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