濾紙式煙度計新型檢測頭溫度補償方法

作者 劉松良  廣州數控設備有限公司(廣東 廣州 510165)

劉松良(1978-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式。

摘要：濾紙式煙度計廣泛應用于柴油車(chē)的年檢、路檢;它采用光電法確定清潔濾紙染黑的程度，從而測量柴油車(chē)的煙度排放值。通過(guò)大量的試驗數據分析光電二極管、發(fā)光二極管、熱敏電阻三者之間的線(xiàn)性相關(guān)函數，研發(fā)出用于濾紙式煙度計的新型線(xiàn)性光電檢測頭;與傳統硒光電池和白熾燈泡作為光電檢測頭相比，新型光電檢測頭更經(jīng)濟、更方便、更穩定。

0 引言

　　濾紙式煙度計核心元器件硒光電池價(jià)格昂貴，其次，硒光電池易受光、熱、潮濕和各種有害氣體的損害，使用越久，越容易衰老，靈敏度下降，以至于在紫色光中產(chǎn)生電流太小，無(wú)法工作，在無(wú)色的溶液中也無(wú)法將光密度調至零點(diǎn)，此時(shí)必須更新硒光電池。所以國內需有一種新技術(shù)替代傳統的硒光電池。

　　光電二極管在發(fā)光二極管LED的光線(xiàn)照射下，所產(chǎn)生的電流如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電壓信號，而且這個(gè)電壓信號隨著(zhù)光的變化而相應變化，這就可以把光信號轉換成電壓信號，從而把光電二極管和LED做成整套光電檢測裝置。

　　光電二極管和LED的靈敏度與溫度有負相關(guān)性，熱敏電阻與溫度也有負相關(guān)性。當溫度上升且LED的供電電壓不變時(shí)，熱敏電阻阻值變小，LED輸出光強增強。

　　基于以上因素，濾紙式煙度計新型檢測頭采用的方案為：光電二極管檢測LED的光信號并轉換成電信號，同時(shí)由熱敏電阻補償整個(gè)電信號受溫度影響產(chǎn)生的電壓漂移。

1 新型檢測頭原理和結構

　　如圖1所示為新型檢測頭結構圖，LED為綠色發(fā)光二極管，代替白熾燈;用光電二極管代替硒光電池;溫度補償用熱敏電阻;結構上，光電二極管置于正中心，周邊放3個(gè)LED，他們之間的距離為2 mm;光電二極管、LED和熱敏電阻全部放置在濾紙式煙度計探頭內。

　　如圖2所示為新型檢測頭電路原理圖。LED的功率在50 mW以?xún)?，功率與照度成正比，并且關(guān)系為3.95 Lx/mW;第一級電流/電壓變換器非常關(guān)鍵，采用運算放大器TL072，這樣電壓的輸出幅度盡可能大，而失調電流的漂移和偏置電流都很小。

2 溫度對新型檢測頭的影響

　　2.1 溫度與檢測頭輸出電壓關(guān)系

　　濾紙式煙度計在使用的過(guò)程中，由于抽取的煙氣溫度很高，所以煙度計檢測頭的溫度會(huì )逐漸上升;而檢測頭輸出電壓受溫度影響很大，如圖3所示。

　　如圖3，將檢測器的溫度補償范圍定為10～60 ℃，線(xiàn)性擬合方程 Y=c0+c1*X，式中：Y為輸出電壓，X為溫度變化值;根據測量數據可以得出：隨著(zhù)溫度變化，c0的變化不大，主要是靈敏度c1的變化。得出檢測器的靈敏度c1與溫度的系數如下：

(1)

　　2.2 溫度補償的方法

　　2.2.1 熱敏電阻補償

　　隨著(zhù)煙度計檢測頭的溫度上升，還需要保持煙度卡值與檢測頭輸出電壓線(xiàn)性相關(guān)性，需要增加合適的熱敏電阻。

　　最簡(jiǎn)單的補償方法是將圖1中的R3用一個(gè)具有與檢測頭相同溫度系數的NTC熱敏電阻替代，則可以解決濾紙式煙度計溫度漂移的問(wèn)題。NTC熱敏電阻溫度系數算法如下：

(2)

　　β=3940的NTC熱敏電阻溫度系數(25℃時(shí))按上式算，約為-3.8%。所以只采用一個(gè)NTC熱敏電阻無(wú)法得到較好的溫度補償效果。

　　當沒(méi)有合適的熱敏電阻時(shí)，可采用熱敏電阻的組合方法：(1)兩個(gè)相同溫度系數的熱敏電阻并聯(lián)或串聯(lián);(2)熱敏電阻與一般電阻的串聯(lián);(3)熱敏電阻與一般電阻的并聯(lián)。本文采用后兩種方法組合，如圖4所示。

　　2.2.2 濾紙式煙度計溫度補償方法

　　采用NTC熱敏電阻代替圖2中的R3后，因為L(cháng)ED光源功率的溫度系數與NTC熱敏電阻溫度系數相反，所以熱敏電阻正好起到溫度補償作用。從檢測頭的溫度試驗獲得其靈敏度的溫度系數α為-0.43%/℃，要補償溫度對檢測器靈敏度的影響，可以用-0.43%/℃，200 Ω的熱敏電阻代替圖1中的R3。

　　因為沒(méi)有合適的NTC熱敏電阻，根據熱敏電阻組合方法，設計上用NTC電阻與熱敏電阻并聯(lián)的方法解決;同時(shí)為了達到LED功率與照度成正比，并且關(guān)系為3.95 Lx/mW，再串聯(lián)一個(gè)一般的NTC電阻，如圖4所示。

　　2.2.3 軟件補償的方法

　　由于檢測頭在高煙度值(8.5~10 Rb)和低煙度值(0~0.5 Rb)測量時(shí)存在不同的溫度漂移系數(為-0.43%/℃±10%)，此時(shí)，可以采用熱敏電阻測量檢測頭檢測室內的溫度，然后通過(guò)軟件的算法進(jìn)行溫度補償。溫度補償的軟件算法為：

(3)

　　即：是一個(gè)有量綱的數;調校儀器時(shí)，必須記錄當時(shí)的環(huán)境溫度T0，T0用攝氏溫度表示。

　　2.3 溫度補償的結果

　　FQ儀器用的MF11-1 kΩ±10%(β=3900)熱敏電阻并聯(lián)220 Ω電阻，再與51 Ω的電阻串聯(lián)，根據熱敏電阻溫度系數的算法得出溫度補償系數ξ為-0.44%/℃，可以抵消光電二極管和LED受溫度影響的溫度系數α(-0.43%/℃)，補償后的檢測頭靈敏度基本不受溫度變化的影響。同時(shí)采用軟件補償方法補償低煙度值和高煙度值的非線(xiàn)性誤差。

　　試驗表明，采用上述光敏電阻硬件補償和軟件補償后，檢測頭輸出電壓不受溫度變化，并保持很好的線(xiàn)性相關(guān)性，達到設計要求。

3 整機試驗

　　如圖5，煙度卡0值是指一層濾紙加聚四氟乙烯;光電二極管有兩種：型號為MBC-3127CF(2K)的輸出與煙度卡值的關(guān)系為基本線(xiàn)性關(guān)系，型號PG-3127CF(3B)差些，最終選用型號為MBC-3127CF(2K)的光電二極管。

　　通過(guò)試驗驗證：在恒溫條件下，光電二極管輸出電壓與發(fā)光二極管照度之間成線(xiàn)性關(guān)系;新型檢測頭的電壓輸出(V)與煙度卡值(Rb)為線(xiàn)性關(guān)系。

4 結論

　　整機聯(lián)調實(shí)驗表明，煙度計測量誤差保證在±2%F.S.，滿(mǎn)足了濾紙式煙度計的性能要求。由于新型光電檢測頭的使用壽命更長(cháng)，性能更穩定，在推向市場(chǎng)十多年中，產(chǎn)生了良好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第49頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。