非色散性智能红外瓦斯传感器的研究
2008-07-24
作者：毛晓波, 陈铁军, 罗 勇
摘 要: 提出一种基于非色散性红外检测技术的非毒化红外瓦斯传感器。它利用瓦斯气体对某一特定波长红外光吸收性能与瓦斯浓度之间存在的确定关系，通过测定特定波长红外光被吸收的程度反映瓦斯浓度值的原理进行工作。详细介绍了红外吸收气体检测" title="气体检测">气体检测原理、脉动光源与热电探测器信号的关系，给出了瓦斯浓度的实用测量算法及传感器系统的软硬件设计方案。具有标定周期长、测量精度" title="测量精度">测量精度高、不受其他气体影响和不会产生催化中毒等特点。
关键词: 红外； 气体传感器； 瓦斯浓度； 热电探测器； 光学辐射
近几年，各地煤矿瓦斯爆炸事故频发，给国家和人民群众生命安全造成极大损失，我国煤炭安全生产形势十分严峻。不能对瓦斯适时、高灵敏度地检测和监控，是导致井下" title="井下">井下瓦斯浓度超标引发爆炸事故的重要原因。因此，准确、实时地监控瓦斯浓度，是防止和减少瓦斯爆炸的重要条件。目前，我国大多数国有煤矿的瓦斯预警装置都是一种叫做“黑白件”的电催化式探测装置[1]，运行寿命短，维护成本高，每隔几天就必须对其准确度进行重新标定，按规定半年就要予以更换，而且催化式传感器易产生催化剂中毒现象。此外，还存在易受恶劣环境影响、功耗大、精确度不高等诸多问题。因此，研制新型的瓦斯检测仪具有重要的应用价值。
本文介绍的红外瓦斯传感器利用甲烷气体对传感器中红外光谱的吸收性能来测定瓦斯浓度，不易受现场恶劣环境的影响。采用了双通道采样技术，可以自我抑制零点漂移。具有标定周期长、抗干扰能力强、高精度、高可靠性和使用寿命长等特点。下面详细介绍红外气体检测原理和红外瓦斯传感器系统的软硬件设计方案。
1 红外吸收气体检测原理
本设计采用的IR1xxx系列微型红外气体传感器是采用非色散性红外（NDIR）技术来检测气体的。这种非毒化的传感器技术依赖于目标气体特有的明确的吸收光谱。使用一个合适的红外光源，根据不同的气体在不同的浓度下对红外光谱的吸收率不同来检测目标气体的存在和浓度。检测的气体类型包括二氧化碳（IR11BD）、碳氢化合物（IR12BD、IR13BD）和乙炔（IR14BD）等[4]。
微型红外传感头由一个光源、一个采样气室和一对热电探测器组成。向四周扩散的气体通过传感器顶端的颗粒过滤膜进入传感器的光学房间，即采样气室。依靠表面的光线能量的变化，由内部的两个热电探测器输出信号。一个热电探测器称为活跃通道探测器，另一个称为参考通道探测器。它们产生的信号依赖于气体吸收红外光谱后入射辐射的变化，当光源由暗到亮并保持恒定时，探测器产生的信号如图1所示。
由图1可见，在光线强度出现突变时（灯由灭到亮），探测器信号产生明显的变化，125ms（典型值）达到峰值；此后若辐射光强维持恒定，则探测器输出逐渐下降至初始值（直流分量）并维持不变。同样，如果辐射光突然消失（灯由亮到灭），探测器输出将产生与图1相似但方向相反的曲线。这样，如果给灯施加脉冲电压，提供一个连续的脉动光源，探测器将会产生连续的交变信号。由于光源关断和开通后，探测器信号达到峰值的时间约125ms，所以，最合适的脉冲驱动电压是频率为4Hz、占空比为50%的方波，此时，探测器的输出近似为4Hz的正弦波。如图2所示。
为使灯丝不完全冷却，脉冲驱动电源应能提供给灯丝一定大小的涌入电流。设置关断电压在0V以上，维持一个小电流流过灯丝，能够减少涌入电流。如果驱动电源不能提供涌入电流，则电压波形的上升沿将变缓，相应的探测器输出信号将会产生畸变。另外，当灯丝加高电平点亮时灯丝需要一个临界启动电压和一定的延迟时间，脉冲的低电平大于0V，可降低启动电压、减少延迟时间，使灯丝能在开关状态间快速地切换。但要注意，脉冲驱动电压的高电平不能大于5V，电压过高，会烧坏灯丝。
满足上述要求的灯丝电源驱动电路如图3所示。
三端稳压块LM317输出6V左右的直流电压VD，其大小可通过R2进行调整。由单片机产生4Hz的方波脉冲控制三极管T。当脉冲为高电平时，三极管T导通，有较大的电流流过R1和灯丝，灯丝电阻上获得较大的压降，灯被点亮；当脉冲为低电平时，三极管T截止，由于灯丝回路中增加了R2，电流减小，灯丝电阻上获得较小的压降，灯被熄灭。实际电路中还应在输入输出端增加滤波电容、考虑电源的功耗等因素。灯丝上施加5V电压时所需的典型电流值为60mA。此外，为防止灯丝驱动回路中电流脉冲信号通过地线产生干扰，灯丝驱动电路应与探测器信号电路隔离。
这样，提供给两个热电探测器一个4Hz的脉动光源，以便对比有光和无光的情况，从而修正外部光线的干涉，并去掉两个热电探测器上的直流偏移。光源采用细短钨白炽灯丝，具有较长的寿命和较低的热惰性，能够对灯丝电源的变化做出快速反应。
2 热电探测器信号与气体浓度的关系分析
红外传感头通过一个气体扩散栅栏获得样气，因此不受气流的影响。采用防火设计，不锈钢的结构使其能短期地暴露在大部分的弱酸、碱溶剂中。活跃通道热电探测器包括一个待检气体吸收光谱的滤光器，而参考通道探测器包括一个待检气体不吸收光谱的滤光器。这种方法使得活跃探测器能够监测目标气体的主要吸收波段，而参考探测器提供了温度和光强改变等环境因素的影响。
如前所述，为使传感头工作，光源必须是脉动的以便活跃探测器和参考探测器检测到的入射辐射的变化。活跃探测器输出信号受光强、温度和对通过活跃探测器滤光器的目标气体辐射吸收的影响。光强和温度也同样影响参考探测器，但目标气体的辐射吸收不影响参考探测器。从探测器出来的信号和光源的脉动是同步的，因此随着驱动光源方波的变化，探测器输出波形的最大值和最小值构成了有用的检测信号，其差值与光源入射辐射的强度有关。活跃探测器给出了由目标气体浓度所影响的入射辐射量，相应地，参考探测器给出了不受目标气体浓度影响的入射辐射量，两个探测器输出信号与目标气体浓度的关系如式(1)[5]：
其中， I是与活跃探测器成比例的信号；
I0是与参考探测器成比例的信号；
ε是依赖于目标气体的常数；
l是光源到探测器的光学距离；
C是目标气体浓度；
n为常数，其值依赖于目标气体及光学距离的大小。
当n=1时，式(1)即为比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律。
活跃探测器信号与参考探测器信号的比值被用来确定气体的浓度。该比值直接与I/I0有关，且采用信号的比值还能部分地补偿光源强度变化、滤光器退化及温度变化等因素对探测器信号的影响。
目标气体的吸收系数" title="吸收系数">吸收系数表示为：
其中，Z（Zero）是参考气体(如氮气)中的I/I0值，称为零点校准值；Act和Ref分别是活跃探测器和参考探测器信号。例如，传感头在氮气中稳定后测得Act和Ref的峰-峰值分别为1.6V和1.2V，则Z=1.6/1.2=1.33。将该值存储在E2PROM中作为零点值，仅当再次校准时才需要改变。
吸收系数与气体浓度之间的关系如下：
其中s(span)是满浓度目标气体(如5% Vol氮气或2%Vol CO2)中的I/I0值，称为满刻度校准值，存储在E2PROM中，仅当再次校准时才需要改变。当然，进行校准时还应考虑温度的影响，采取适当的补偿措施[5]。
a和n为常数，与传感头类型（IR11BD、IR12BD、IR13BD和IR14BD）、目标气体种类（二氧化碳、碳氢化合物和乙炔）和满刻度浓度值有关。
由式(3)、(4)可以推出被测气体浓度表达式：
对于IR12BD型传感头，甲烷（CH4, 5%Vol）气体，a=0.2896，n=0.941。
理论上可以按式(5)计算出被测甲烷气体的浓度，但在实际应用中存在两个问题：一是如何准确方便地获取Act/Ref的值；二是瓦斯传感器对实时性要求很高，用单片机汇编程序完成式(5)的计算很不现实。因此，本系统采用的方法是，先获得Act/Ref的值，计算出吸收系数，再利用e2V技术公司[4]提供的气体浓度与吸收系数的关系曲线求得气体浓度。
公式(2)的实用形式如下：
其中,Fa为吸收系数；S1和S2分别是活跃探测器和参考探测器输出信号的峰-峰值；R的定义如下：
这里
分别是S1和S2在气体浓度为0时的数值。
Act/Ref的值采用信号的峰-峰值之比是因为在最大值和最小值处，信号的变化率最小，所得结果不会出现大的误差，最为可靠。
IR12BD型红外传感头对甲烷气体的吸收系数与气体浓度的关系曲线如图4所示[4]。
由公式(6)和(7)可知，为计算甲烷浓度，如何在脉动光源作用下准确采集到两个探测器输出的峰-峰值至关重要。采用单片机定时中断方式获取这两个峰值时要注意，必须在光源状态改变之前采集到，否则，探测器输出信号会在光源状态改变之后迅速变化，导致较大的误差。时序关系如图5所示。此外，还应注意前置放大电路中电容带来的相移对信号波形的影响等因素。
根据图4计算甲烷气体浓度值时，本系统采用查表和直线拟合相结合的复合算法求得甲烷气体浓度，节省了内存空间，保证了测量精度。
3 红外瓦斯传感器系统结构与工作原理
3.1 硬件系统设计
红外瓦斯传感器硬件系统结构如图6所示。在4Hz脉动光源作用下，活跃探测器和参考探测器产生与矿井下甲烷气体浓度成比例的输出信号，经前置放大滤波电路处理后，送A/D" title="A/D">A/D转换器转换成数字信号，单片机读取A/D转换结果，按照特定的算法得到气体浓度值，并在数码管上显示，同时将浓度值转换为200～1 000Hz频率的脉冲信号送系统分站，经通讯接口电路和电缆，将数据送地面工作站，实现瓦斯浓度的连续实时检测。如果检测气体浓度值超过传感器浓度报警设定值，则发出声光报警提示。
采用美国ATEML公司近年推出的ATmega16L作为主控芯片。ATmega16L是内含16KB Flash的低功耗、低价格的8位单片机，它内部集成了丰富的硬件资源，如上电复位电路、看门狗电路、E2PROM等，简化了外围电路的设计，采用先进的RISC精简指令集，运行速度是普通单片机的几十倍[6]。
为减小体积，IR1xxx系列传感头无前置放大器，实际使用时自行设计了放大与滤波电路，为A/D转换器提供了合适的输入信号。
为实现传感器对双通道信号的宽范围（0～100％CH4）、高分辨率（0.01%CH4）和高精度要求，A/D转换电路选用MAXIM公司生产的高速14位逐次比较型A/D转换芯片MAX126，其4路同步采样/保持器可以对A组或B组（由多路开关选择）的4个通道的信号同时采样。本系统只需要同时采集2路信号，所以使多路开关选择A组，活跃探测器信号和参考探测器信号经放大滤波处理后分别送入CH1A和CH2A两个通道同时采样，转换时间为6μs[7]。
根据煤矿井下电气设备的本安防爆性要求[8]，系统采用红外遥控方式进行参数设定与调整等操作[2-3]，零点、满度等参数值保存在ATmega16L片内的E2PROM中。使用ATmega16L内部的看门狗电路增强了装置的抗干扰能力。
与甲烷气体浓度值成比例的200～1 000Hz脉冲信号由单片机内部定时器产生。
此外，LED显示电路、声光报警电路、数据上传等功能与其他甲烷检测仪器原理相似[1]，此处不再赘述。
3.2 软件系统设计
红外传感器控制程序采用单片机汇编语言编写，分为上电自检、系统初始化、遥控接收、参数设置、A/D采样、数据处理、浓度计算、数据显示、声光报警、脉冲发生及与上位机通讯等多个模块。系统软件流程如图7所示。
考虑到井下的复杂情况,传感器系统设计充分考虑了本安特性和实用性[6]。红外传感器包含有静电敏感部分，使用时须采取抗静电防备措施。传感器以数字芯片为核心，提高了检测精度，减小了仪表体积。
本文提出的基于非色散性红外检测技术的瓦斯检测装置，经科技查新表明具有以下创新点：
(1)非色散性红外瓦斯传感器设计方案
装置采用非色散性红外气体检测原理，基于同步采样技术，由高性能红外传感器IR12BD、ATmega16L单片机和高速多通道14位A/D转换器MAX126为核心器件构成。采用红外遥控面板提供安全的用户接口。装置具有自校准、故障自检测及自动报警和断电的功能。
(2)准确获取甲烷气体浓度的方法与算法
对红外传感头输出的双通道信号S1和S2同时采样，确保活动通道和参考通道数据的一致性。对多次采集的S1和S2峰-峰值，采用平均滤波、多级滑动窗口滤波等软件算法，去除噪声干扰，根据甲烷气体吸收系数与浓度值之间的关系曲线，采用查表和直线拟合相结合的复合算法求得甲烷气体浓度，保证了测量精度。
经实际测量及在多家煤矿使用表明，该传感器测量范围为0～10％CH4，分辨率0.01%CH4，能够显示正负值。具有较高的测量精度：在0～1％误差率为±0.1；在1％～2％误差率为±0.2；在2％～4％误差率为±0.3，在4%～10％误差率为±0.4，平均稳定工作时间>30天，响应时间小于30s。工作时正常功率为1.6W，报警功率为1.9W。对甲烷气体选择性好、无催化剂中毒现象，对环境适应性强，基本上不受其他电磁设备的影响。具有井下瓦斯浓度的实时测量、显示和超限声光报警等功能，并可以连续自动地将所测得的井下瓦斯浓度转换成频率信号输送给监测系统，其性能指标已达到国家安全标准[8]，是目前煤矿井下所用传感器的理想换代产品。
参考文献
[1] 程勇,张玉峰.一种新型高可靠性甲烷传感器设计. 工业仪表与自动化装置, 2006,(4):69-71.
[2] 徐杰,戴俊,冯文彬. 红外CO2变送器研究. 煤矿安全,2006，37（2）：1-4.
[3] 阎纲, 梁昔明. 基于MSP430单片机的红外遥控器设计.微计算机信息(嵌入式与S0C),2006,22(10-2):223- 225.
[4] IR1xxx Series Miniature Infrared Gas Sensors for Hazardous Areas, e2v technologies (uk) limited,2005.
[5] Infrared Gas Sensors Application Notes. Marconi Applied Technologies Limited, 2001
[6] 8-bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash ATmega16L, Atmel Corporation,2002.
[7] 2x4-Channel, Simultaneous-Sampling 14-Bit DAS MAX125/MAX126, Maxim Integrated Products, 1998.
[8] 国家煤炭安全监察局. 2005煤炭安全规程. 北京:煤炭工业出版社,2005.