摘 要: 針對(duì)環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)現(xiàn)場對(duì)有害氣體濃度精確監(jiān)測的需要,利用紅外吸收光譜檢測原理,以DSP芯片TMS320F2812為控制處理核心,設(shè)計(jì)了能同時(shí)檢測CO、CO2、CH4濃度的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)。簡要說明了紅外吸收光譜檢測原理及系統(tǒng)架構(gòu),詳細(xì)介紹了脈沖調(diào)制紅外光源、熱釋電紅外探測器、信號(hào)調(diào)理電路、智能控制處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該監(jiān)測系統(tǒng)測量精度高、穩(wěn)定性能好、具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 紅外吸收;氣體濃度;DSP;監(jiān)測
隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,各種有害氣體的排放對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然環(huán)境和日常生活的影響越來越嚴(yán)重,已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。局部環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場有害氣體濃度過高,將嚴(yán)重危害人們的身體健康。因此,對(duì)某些特定區(qū)域內(nèi)有害氣體濃度的監(jiān)測具有十分重要的意義。與傳統(tǒng)的氣體濃度測量方法相比,紅外吸收光譜法具有測量精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)多組分氣體濃度的同時(shí)測量等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前,國內(nèi)在紅外吸收光譜氣體濃度檢測技術(shù)方面還處于起步發(fā)展階段,大多數(shù)測量儀器仍選用鎳鉻絲作為紅外光源,采用機(jī)械方式調(diào)制紅外光,存在穩(wěn)定性差、使用壽命短、對(duì)震動(dòng)敏感等缺陷[1-2]。
本文設(shè)計(jì)的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng),采用新型脈沖調(diào)制紅外熱輻射光源,高精度干涉濾光片一體化熱釋電紅外探測器,DSP智能控制處理系統(tǒng)等,可在線監(jiān)測大氣環(huán)境及工業(yè)現(xiàn)場中CO、CO2、CH4的濃度,具有自動(dòng)顯示、越限報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。
1 紅外吸收光譜檢測原理
紅外吸收光譜法是利用物質(zhì)對(duì)紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析的方法。根據(jù)紅外理論,許多化合物分子在紅外波段都有一定的吸收峰,吸收峰的強(qiáng)弱及所在波長由分子本身的結(jié)構(gòu)決定,氣體分子的吸收峰主要分布在1 μm~25 μm波長的紅外區(qū)[3]。如CO、CO2、CH4分別在4.66 μm、4.26 μm、3.46 μm有一個(gè)吸收峰。當(dāng)紅外光通過氣體時(shí),氣體分子吸收光能量,在相應(yīng)的波長處就會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)的衰減,而衰減程度與氣體濃度的高低有關(guān),其關(guān)系服從Lamber-Beer定律,如式(1)所示。
I=I0e-KCL(1)
式中:I0為入射光強(qiáng)度;I為出射光強(qiáng)度;K為氣體吸收系數(shù);C為氣體濃度;L為紅外光透過氣體的長度。
氣體吸收系數(shù)K取決于氣體特性,不同氣體的吸收系數(shù)互不相同,對(duì)同一種氣體,K是吸收峰波長的函數(shù),當(dāng)待測氣體種類一定時(shí),K為一定值。當(dāng)L一定時(shí),只需測量出射光強(qiáng)度I,即可確定待測氣體濃度。由于光強(qiáng)易受外界環(huán)境的影響且不方便測量,因此,需要利用熱釋電紅外探測器將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的間接測量。
系統(tǒng)采用單光源4波長的檢測方法,紅外光源發(fā)出的紅外光通過測量氣室內(nèi)的光學(xué)反射系統(tǒng)入射到熱釋電紅外探測器上,探測器設(shè)置4個(gè)獨(dú)立的檢測單元,其中:3個(gè)測量單元,1個(gè)參考單元。每個(gè)單元上安裝窄帶干涉濾光片,測量單元濾光片的透射中心波長分別與待測氣體的吸收峰波長相對(duì)應(yīng),而參考單元濾光片的透射中心波長則遠(yuǎn)離待測氣體的吸收峰波長。紅外吸收光譜檢測結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
該系數(shù)與光源特性、濾光片的透射效率、探測器的響應(yīng)及環(huán)境溫度有關(guān)。對(duì)同一探測系統(tǒng),在相同的使用條件下,每個(gè)測量單元與參考單元的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的比值為常數(shù)。只需測得各單元的輸出電壓,由式(6)~(8)即可確定待測氣體的濃度值。這樣的測量方法,可以消除由于光源衰減及溫度變化對(duì)測量精度的影響。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以DSP為控制處理核心,由光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、紅外吸收檢測模塊、放大濾波及檢波整流電路、通信接口、鍵盤、LCD顯示和電源模塊等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2.1 DSP芯片的選擇
DSP是整個(gè)系統(tǒng)的控制處理核心部分,直接影響硬件和軟件的設(shè)計(jì),選用TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812,具有以下特點(diǎn):最高工作頻率150 MHz,32位處理器,可實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的算法任務(wù)。擁有豐富的片內(nèi)資源,片上Flash、ROM、RAM、定時(shí)器、增強(qiáng)局域網(wǎng)絡(luò)eCAN,12位16通道片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器,簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。支持TI的ex-pressDSPTM實(shí)時(shí)開發(fā)技術(shù),TMS320DSP算法標(biāo)準(zhǔn),CCS集成開發(fā)環(huán)境,為軟件開發(fā)提供了便利條件。
2.2 紅外吸收檢測模塊
紅外吸收檢測模塊包括:紅外光源、氣室、熱釋電紅外探測器。紅外光源及熱釋電紅外探測器安裝在內(nèi)壁光潔的鍍膜氣室內(nèi),氣室開有帶防塵罩的氣孔,以便使氣體自由擴(kuò)散。氣室內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng),使光源發(fā)射的紅外光經(jīng)反射后入射到熱釋電紅外探測器上,以增加光程,提高檢測分辨率。
紅外光源采用新型脈沖調(diào)制紅外熱輻射光源MIRL17-900,以無定形碳材料作為多層熱電阻薄膜,通過電流后發(fā)熱產(chǎn)生紅外輻射,其光譜輸出范圍是1.0 μm~20 μm,完全覆蓋待測氣體的吸收峰波長。具有使用壽命長、發(fā)射效率高、熱容量小等優(yōu)點(diǎn)[4]。用MIRL17-900取代由傳統(tǒng)紅外光源、切光片和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的光源系統(tǒng),使得光源系統(tǒng)中沒有可動(dòng)部件,增強(qiáng)了穩(wěn)定性和可靠性。
熱釋電紅外探測器是系統(tǒng)的核心器件,采用高精度干涉濾光片一體化熱釋電紅外探測器TPS4339,該探測器是專門針對(duì)多組分氣體檢測而設(shè)計(jì)的新型熱釋電紅外傳感器,包括3個(gè)測量單元、1個(gè)參考單元和用于溫度補(bǔ)償?shù)臏y溫單元。3個(gè)測量單元的濾光片透射中心波長分別為:4.66 μm、4.26 μm、3.46 μm與待測氣體CO、CO2、CH4的吸收峰相對(duì)應(yīng),參考單元的濾光片透射中心波長為3.93 μm,遠(yuǎn)離被測氣體的吸收峰,參考單元的光譜不能為被測氣體所吸收,只反映光源的光強(qiáng)信息,TPS4339通過各單元濾光片將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。濾光片與探測器的一體化結(jié)構(gòu),使其具有體積小、穩(wěn)定性好及調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。
2.3光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路
熱釋電紅外探測器只響應(yīng)變化的光強(qiáng),而對(duì)于穩(wěn)定的光強(qiáng),其輸出信號(hào)為恒定值。因此,在使用熱釋電紅外探測器對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行探測時(shí),需對(duì)紅外光源進(jìn)行一定頻率的調(diào)制[5]。根據(jù)MIRL17-900及TPS4339使用手冊(cè)中,光源光強(qiáng)及紅外探測器響應(yīng)隨調(diào)制頻率的增加而下降的關(guān)系,設(shè)置光源調(diào)制頻率為2 Hz。2 Hz方波調(diào)制信號(hào)由TMS320F2812定時(shí)中斷產(chǎn)生,通過反相驅(qū)動(dòng)器74F04和光電耦合器MCT273控制功率場效應(yīng)管IRF9410通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的調(diào)制,光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。
2.6 外部接口模塊
外部接口模塊包括:通信接口、LCD顯示、鍵盤、越限報(bào)警等。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN控制器eCAN,可通過CAN總線實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。外擴(kuò)一塊128 k×16的靜態(tài)存儲(chǔ)器IS61LV12816,用于擴(kuò)展程序存儲(chǔ)空間,由于工作電壓為3.3 V,可直接與TMS320F2812的I/O口相連。LCD顯示選用二線串行接口的段式液晶模塊SMS0401。鍵盤設(shè)置4個(gè)按鍵,分別為模式選擇鍵、上下調(diào)節(jié)鍵及確定鍵,模式選擇鍵用以切換參數(shù)設(shè)置模式或測量模式,通過上下調(diào)節(jié)鍵即可設(shè)置各測量單元的濃度越限值。越限報(bào)警電路由TMS320F2812的通用I/O輸出口控制,產(chǎn)生聲光報(bào)警。
2.7電源模塊
系統(tǒng)采用220 V市電供電,通過開關(guān)電源將其變換為±12 V和+5 V。TMS320F2812所需的數(shù)字3.3 V和1.8 V電源,由+5 V電壓經(jīng)低壓差雙路輸出線性電源TPS767D301將其變換為3.3 V和1.8 V。模擬電源和數(shù)字電源分開設(shè)計(jì)。
2.8軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括初始化程序、主程序、參數(shù)設(shè)置子程序、測量子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)通信子程序。編程開發(fā)工具使用CCS3.0,采用C語言、匯編語言混合編寫,系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。
系統(tǒng)上電后,執(zhí)行初始化程序,完成時(shí)鐘、DSP模式、通信接口芯片及LCD顯示等初始化操作。主程序循環(huán)執(zhí)行按鍵掃描操作,有按鍵時(shí)執(zhí)行參數(shù)設(shè)置子程序,完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置,否則執(zhí)行測量子程序。通過DSP定時(shí)器產(chǎn)生光源調(diào)制信號(hào),控制光源斷續(xù)發(fā)光,接收經(jīng)放大濾波、檢波整流后的檢測信號(hào),對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣存儲(chǔ),根據(jù)設(shè)定算法計(jì)算出當(dāng)前的測量濃度。當(dāng)濃度超過越限值時(shí),產(chǎn)生聲光報(bào)警,調(diào)用顯示子程序顯示各氣體的濃度值,調(diào)用通信子程序?qū)y量結(jié)果上傳至監(jiān)測服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
3 實(shí)驗(yàn)測試
系統(tǒng)調(diào)試完成后,選擇CO、CO2、CH4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。由于氮?dú)獠晃占t外光,實(shí)驗(yàn)中采用北京金訊電子有限公司的RCS2000-A型計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng),將純凈的CO、CO2、CH4稀釋在氮?dú)庵校苽洳煌M份不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置CO、CO2、CH4的量程范圍分別為:0~200×106、0~5%、0~10%。通入干燥的純度為99.999%的氮?dú)膺M(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn),分別通入滿量程氣體進(jìn)行量程校準(zhǔn)。然后在量程范圍內(nèi),對(duì)由自動(dòng)配氣系統(tǒng)配制的不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體在常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行測試,滿量程平均相對(duì)誤差小于3%。
基于紅外吸收的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)。采用新型熱釋電紅外探測器,實(shí)現(xiàn)多種有害氣體濃度的同時(shí)檢測,光源調(diào)制及信號(hào)調(diào)理電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),有效降低了外部干擾,減小了系統(tǒng)誤差。DSP強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力,提高了系統(tǒng)的測量精度和速度,CAN總線通信方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。氣室的精確設(shè)計(jì),溫度的補(bǔ)償與算法有待進(jìn)一步完善。
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