NDIR氣體測控系統中關(guān)鍵問(wèn)題的分析與設計

高鐵對安全性能要求越來(lái)越高，針對威脅高鐵運行的安全風(fēng)險，充分利用各種檢測、監測與監控技術(shù)，加強列車(chē)運行過(guò)程中內部、外部環(huán)境等的安全檢測、監測與監控，掌握設備運行狀態(tài)，采取針對性的防控和處置措施，是確保高鐵運行安全的重要技術(shù)支撐。文章介紹一種電調制非分光紅外傳感器構成的新型氣體測試儀中關(guān)鍵問(wèn)題的分析與設計，提高高鐵運行運行過(guò)程中SO2、CO、CO2等有關(guān)煙霧氣體的檢測性能。

NDIR(電調制非分光紅外)氣體傳感器采用電調制的紅外光源，同時(shí)采用高精度干涉濾光片以及鍍金氣室，避免了強震動(dòng)的機械裝置，在氣體精密測控儀器上得到了迅速的發(fā)展。

電調制的紅外光源容易受到調制頻率的影響，其調制頻率與調制深度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。為了實(shí)現100%調制深度且穩定的狀態(tài)，設置調制頻率為10Hz。紅外光源由恒功率電源供電，確保光源的發(fā)光功率基本不變，但是紅外光源、傳感器氣室以及探測器都會(huì )不同程度受到溫度變化的影響，同時(shí)，信號處理電路中元件也存在一定的溫漂，因此測試系統環(huán)境恒溫至關(guān)重要。此外紅外光通過(guò)窗口材料入射到測量氣室，被測氣體通過(guò)測量氣室，吸收特定波長(cháng)的紅外光，透過(guò)測量氣室的紅外光由探測器接收，得到一個(gè)與氣體濃度相對應的微弱直流信號，此直流信號極易受外界的干擾，穩定可靠、選頻特性?xún)?yōu)良、抗干擾能力強的微弱信號處理電路同樣關(guān)鍵。

1 測試系統中高精度恒溫的實(shí)現

1)溫度采集與A/D轉換模塊的電路原理圖如圖2。由電流型溫度傳感器AD590進(jìn)行溫度采集，通過(guò)電阻R1將電流轉換為電壓，再由AD轉換芯片ADS1110完成溫度的A/D轉換。

2)加熱控制電路如圖3所示。本電路是典型的以弱控強的電路?？刂菩盘朇TRL是由單片機控制輸出的PID信號，其中的三極管Q1在此信號的作用下，低電平時(shí)導通、高電平時(shí)截止，從而控制繼電器S1的通斷，繼而CON2端所接的加熱片，實(shí)現加熱的PID控制。

3)增量式PID算法設計實(shí)現

在本設計中溫度采集每100毫秒采集一次，在快速升溫階段采用模糊算法進(jìn)行控溫，而在恒溫時(shí)采用增量式PID算法。為防止加熱過(guò)程中出現過(guò)沖現象，溫度接近恒溫點(diǎn)時(shí)，采用階梯式恒溫控制方法，如圖4所示，從而實(shí)現精密控溫。

2 微弱信號處理電路

探測器輸出的信號非常微弱，極易受到外界的干擾，因此設計選頻特性?xún)?yōu)良、強抗干擾能力的微弱信號處理電路，對于整個(gè)測試系統的性能體現具有決定性的意義。

1)積分與濾波電路以及精密整流電路，如圖5所示。

2)線(xiàn)性平均值電路與兩級二階壓控電壓源濾波電路，如圖6所示。

兩級電路的特征頻率一致，因此具有良好的選頻特性。

其總的品質(zhì)因素為0.707，因此電路具有最佳的平坦特性，抗干擾能力強。

3 實(shí)驗與效果

通過(guò)以上關(guān)鍵問(wèn)題的設計與研究，對整個(gè)系統進(jìn)行了調試和檢測，系統溫度穩定性好，溫漂小，其控溫效果如圖7所示。

微弱信號處理電路選頻特性良好，抗干擾能力強，漂移非常小，信號穩定度高，能實(shí)現精密放大，氣體測量精度高。測量效果如圖8所示。

4 結束語(yǔ)

文中分析了NDIR氣體測控系統中的關(guān)鍵問(wèn)題，并針對關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究，提出了高精度恒溫的實(shí)現電路設計，與新的微弱信號處理電路設計，該設計溫度穩定性好，溫漂小，電路選頻特性良好，抗干擾能力強，漂移非常小，信號穩定度高，能實(shí)現精密放大，氣體測量精度高。已取得良好的現場(chǎng)應用效果，也同樣可應用于其他的應用環(huán)境。