Dağılmayan kızılötesi karbondioksit konsantrasyonu ölçüm cihazı üzerine araştırma
Wang Xueshui, Zhang Ranran, Chi Jinbo
(Elektronik Haberleşme ve Fizik Okulu, Shandong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Qingdao, Shandong 266590)
Dağıtıcı olmayan kızılötesi (NDIR) CO2 konsantrasyonu ölçüm cihazı tanıtıldı. Kızılötesi radyasyon ve kızılötesi absorpsiyonun temel prensiplerinden başlayarak, sensör teknolojisi ile birleştirilmiş çift kanallı gaz absorpsiyon modeline dayalı olarak, çekirdek tamamlandığında CO2 konsantrasyonu algılama fonksiyonu ile teorik analiz; sürücü devresi ve sinyal, kızılötesi ışık kaynağı ve kızılötesi dedektör etrafında tasarlanmıştır. Devreyi işleyin ve sensörü korumalı optik yol sistemine kurun ve deneysel verilere dayalı olarak konsantrasyon hesaplama yöntemini iyileştirin.
CO2 algılama; dağılmayan kızılötesi; kızılötesi sensör
Atmosferdeki önemli bir bileşen olan karbondioksit, insanların günlük üretiminde ve yaşamında son derece önemli bir rol oynar. Elektrokimya, kromatografi ve optik absorpsiyon gibi CO2 konsantrasyonu algılama teknolojileri, yurtiçinde ve yurtdışında olgun uygulamalara sahiptir, ancak yukarıdaki yöntemlerin sivil elektroniğe uygulanmasının, uygulama ortamı, hassasiyet gereksinimleri ve maliyet nedeniyle popüler hale getirilmesi zordur. Dağılmayan kızılötesi yöntem, dağılmayan kızılötesi soğurma analizi (NDIR) olarak da adlandırılır, yani ışık kaynağı tarafından yayılan ışık doğrudan numuneden geçer ve daha sonra filtreden detektöre ulaşır. NDIR tabanlı gaz konsantrasyonu algılama ekipmanı, iyi stabilite, küçük boyut, hızlı yanıt süresi ve iyi taşınabilirlik avantajlarına sahiptir.
Şu anda, dağılmayan kızılötesi prensibine dayanan evsel CO2 konsantrasyonu ölçüm cihazının ölçüm aralığı, hacim fraksiyonunun% 3 ila% 30'udur (30.000 ppm ila 300.000 ppm) Ölçüm devresi ve konsantrasyon hesaplama yöntemi, ilgili konsantrasyon ölçüm aralığı için uygundur. Uydurma yöntemi en küçük kareler yöntemidir. 0 ~ 5000 ppm konsantrasyon aralığının ölçüm teknolojisi hakkında özel bir araştırma yoktur ve 5000 ppm, insanların CO2'ye uzun vadeli tolerans sınırı olarak kabul edilir. Bu yazıda, iç mekanlarda düşük konsantrasyonlu CO2 gazı ölçüm yöntemini incelemek için dağılmayan kızılötesi teknoloji kullanılmıştır.
Kızılötesi CO2 gaz konsantrasyonu algılama teknolojisi, Lambert Beer'in yasasına dayanır ve CO2 konsantrasyonu, çift kanallı gaz emme modeline göre hesaplanır. 4,26 m'lik kızılötesi ışık, CO2 gazının absorpsiyon zirvesidir, ancak 4 m'lik kızılötesi ışık, Şekil 1'de gösterildiği gibi CO2 gazı tarafından neredeyse hiç emilmez.
4.26 m kızılötesi ışığın ve 4 m kızılötesi ışığın ilk ışık yoğunluklarının sırasıyla Im0 ve Ir0 olduğunu ve CO2 emiliminden sonra kalan ışık yoğunluklarının Lambert Beer'in yasasına göre sırasıyla Im ve Ir olduğunu varsayarsak:
CO2, 4 m kızılötesi ışığı azaltmaz ve ön ve arka ışık yoğunluğu yaklaşık olarak eşittir.
Formülde k, kızılötesi ışık için CO2 gazının soğurma katsayısıdır ve l, kızılötesi ışık kaynağından alıcıya kadar olan uzunluktur. Denklemleri (1) ve (2) 'yi bölerek ve ardından logaritmayı [1] alarak elde edebiliriz:
O halde konsantrasyonu alın:
Denklem (4), konsantrasyon hesaplaması için temel formüldür.Işık yoğunluğunu I, voltaj sinyaline U dönüştüren devre sisteminde, ilişki sağlanır:
P1 ve P2, ızgaranın ışık geçirgenlik katsayısı ve sensörün hassasiyeti ile ilgilidir ve sistemle ilgili sabitlerdir.
Dolayısıyla, konsantrasyon hesaplama formülü şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde U1, sensör tarafından çıkarılan ölçülecek gazın ışık yoğunluğuna karşılık gelen voltajdır ve U2, sensör [2] tarafından referans gaz çıkışının ışık yoğunluğuna karşılık gelen voltajdır. Formül (7) 'de sadece U1 ve U2 ölçülecektir ve geri kalanı sabittir. Ayrıca, logaritmik fonksiyonun Taylor serisi açılımına göre, üçüncü kuvvette tutulur:
Ara değişken x, referans gaz voltajı ile ölçülen gaz voltajı karşılaştırıldıktan sonra logaritmanın yaklaşık değerini ifade etmek için eklenir.U1 ve U2 ne kadar yakınsa, yaklaşık değer gerçek değere o kadar yakın olur, böylece CO2 konsantrasyonunun yaklaşık hesaplama formülü elde edilir:
2 Sistem tasarımı ve temel donanım uygulaması
Kızılötesi CO2 gaz konsantrasyonu ölçüm cihazının işlevsel blok diyagramı, kızılötesi ışık kaynağı, gaz odası, kızılötesi dedektör, amplifikatör devresi, A / D örnekleme devresi, LCD ekran devresi ve veri iletişim arayüzü dahil olmak üzere Şekil 2'de gösterilmektedir. Kızılötesi ışık kaynağı IRL715 kullanır, dalga boyu aralığı görünür ışıktan 5 m'ye kadardır ve geniş dalga boyu aralığı, yüksek güvenilirlik, kararlı çıktı ve kısa zaman sabiti avantajlarına sahiptir. Gaz odası dış ortama bağlanır ve kızılötesi radyasyon, bir kısmı gaz odasındaki gaz molekülleri tarafından emilen gaz odasına dikey olarak enjekte edilir ve kalan kısmı gaz odasından geçerek kızılötesi detektöre ulaşır.
Kızılötesi dedektör, piroelektrik etkiye dayalı bir termal dedektör olan TPS2534'ü kullanır. Dedektör çift kanallıdır.İki kanal 4.26 m filtre ve 4 m filtre ile donatılmıştır.Ölçülecek gaz voltajı kanalı ve referans gaz voltajı kanalıdır.Kızılötesi detektör ışık şiddetinin voltaja dönüşümünü tamamlar. Detektör, bir sinyal amplifikatör devresine bağlanır ve amplifiye edilmiş voltaj sinyali, A / D modülü tarafından dijital bir sinyale dönüştürülür ve daha sonra tek çipli mikro bilgisayar tarafından işlenir. Tek çipli mikro bilgisayar, yerleşik bir algoritma aracılığıyla gaz odasındaki CO2 konsantrasyonunu elde eder ve değer LCD ekranda görüntülenir.
2.1 Optik yol kurulum yapısı
Kızılötesi CO2 konsantrasyon dedektörünün çıkış sinyalinin etkinliği ve güvenilirliği, bilimsel ve makul bir optik yol kurulum yapısına dayanmalıdır [3]. Şekil 3'te gösterildiği gibi, gaz odasının dışı ışık yolu koruyucu kapaktır.Her iki ucunda da kızılötesi ışık kaynağı IRL715 ve kızılötesi dedektör TPS2534 için yer vardır, ancak ikisi bu koruyucu kapağa sabitlenemez.Alt tabaka olarak devre kartı kullanılmalıdır. Pimler devre kartına lehimlenmiştir. Soldaki kızılötesi ışık kaynağının kurulum alanı, aslında ışığın yakınsama rolünü oynayan parabolik bir aynadır. Koruyucu kapağın iç kısmı, kızılötesi ışınları zorlukla emen yansıtıcı malzeme ile kaplanmıştır. Koruyucu kapağın üst ucunda bulunan hava geçirgen gazlı bez ve havalandırma delikleri, hava haznesinin dış ortama bağlanmasını sağlar.Hava haznesindeki CO2 konsantrasyonu ortamdaki konsantrasyona eşittir.Aynı zamanda sensörü ve ışık kaynağını koruyan hava haznesine toz ve diğer yabancı maddelerin girmesini engeller. Uzun vadeli güvenilirlik garantilidir.
2.2 Kızılötesi ışık kaynağı sürücü devresi
Kızılötesi ışık kaynağı IRL715'in çalışma voltajı, kontrol edilebilir voltaj regülatör çipi ADP3330 ile elde edilen +3,3 V'dir. 3.3 Kızılötesi sürücü devresi Şekil 4'te gösterilmektedir ve çipin açılıp kapanması pin 6 ile kontrol edilmektedir. Tek çipli mikrobilgisayar programı, algılamayı kolaylaştırmak için ışık kaynağı çıktısının uzun süre stabil olmasını sağlamak için kızılötesi ışık kaynağını 1 Hz frekansında ve% 50 görev döngüsünde ışık yayacak şekilde kontrol eder.
2.3 Yükseltme devresi
Kızılötesi dedektörler ve termokupllar, piroelektrik etki prensibini kullanır, ancak piroelektrik sensörlerin piroelektrik katsayısı, termokupllardan çok daha yüksektir. Kızılötesi detektörün çıkış sinyali çok zayıf Ölçüm kanalındaki ve referans kanalındaki analog voltaj çıkışı genellikle 3 mV'den azdır, DC voltajı üzerine yerleştirilmiştir ve A / D örneklemeden önce yükseltilmelidir [4]. Bu devrede kullanılan operasyonel amplifikatör, dört kanallı yüksek hassasiyetli bir operasyonel amplifikatör olan SGMICRO'dan SGM8554'tür.
Ölçülecek voltaj ve referans voltaj yükseltme devresi Şekil 5'te gösterilmiştir. İki gaz yükseltme devresi tamamen simetriktir. Açıkça, amplifikatör devresi iki kutuplu bir amplifikatördür ve sinyal bağlantısı, ön ve arka kademeler arasında 1 F polar tantal kapasitörler tarafından gerçekleştirilir [5] Kalan kapasitörler, sinyaldeki gürültü girişimini ortadan kaldırmak için filtre kapasitörleridir.Ön ve arka amplifikatör devrelerinin yapısı ve bileşen parametreleri Kapat.
Ölçülecek voltajın yükseltilmiş dalga biçimleri ve referans voltaj Şekil 6'da gösterilmektedir. Optik yol, sensör yapısı ve devrenin simetrisi, ölçülecek gaz voltajının dalga biçimini ve referans gaz voltajı dalga biçimini benzer hale getirir. Ölçülecek gazın gerilim dalga biçimi CO2 gaz konsantrasyonu ile değişecektir.Referans gaz gerilim dalga biçimi CO2 konsantrasyonu ile değişmez.Gerilim oranı, teorik analizle tutarlı olan denklem (8) 'in yaklaşık genişleme koşulunu sağlayan 1'e yakındır.
3 deneysel veri
Deney ekipmanı monte edildikten ve hata ayıklandıktan sonra, farklı konsantrasyonlarda standart konsantrasyonda 5 grup CO2 gazı içine yerleştirildi ve sıcaklık 25 ° C sabit sıcaklıkta tutuldu.Tablo 1'de gösterildiği gibi 5 grup deneysel veri elde edildi. Tablodaki ara veriler (ln (U2 / U1)) formül (9) 'da x'tir.
Eğilimden denklem (9) 'a uyan Şekil 7'de gösterildiği gibi bir dağılım grafiği elde etmek için koordinat sistemindeki deneysel verileri işaretleyin. Parametrelere uymak için en küçük kareler yöntemi kullanılır ve şekilde gösterilen denklem elde edilebilir.
Şekil 7'de gösterilen denklem, yüksek konsantrasyon aralığındaki gerçek değerden büyük ölçüde sapmaktadır, bu da daha büyük ölçüm hatalarına yol açacaktır. Hatayı azaltmak için, ölçüm verilerine göre yukarıda belirtilen ölçüm noktaları çizgi segmentinin uç noktaları olarak kullanılarak, konsantrasyon değeri ile ara veriler arasındaki ilişki Şekil 8'de gösterildiği gibi segmentlere ayrılmıştır. Çizgi segmentlerinin tüm aralıkta eşit olarak dağıtıldığı varsayıldığında, çizgi segmentleri ne kadar fazlaysa, hata o kadar küçük olur.
Tablo 2'de gösterildiği gibi konsantrasyonu hesaplamak, 25 ° C'lik sabit bir sıcaklığı korumak, deney ortamındaki konsantrasyon değerini değiştirmek ve karşılık gelen sayaç görüntüleme konsantrasyonunu elde etmek için Şekil 7'de gösterilen karşılık gelen ilişkiyi kullanın. Deneysel veriler, bu yöntemin düşük konsantrasyonlu CO2 gazının tespitinde küçük bir hataya sahip olduğunu göstermektedir.
4. Sonuç
Bu yazıda tasarlanan dağılmayan kızılötesi karbondioksit ölçüm cihazı, düşük konsantrasyon aralığında CO2 konsantrasyonunun tespiti için uygundur ve özellikle iç mekan CO2 konsantrasyonunun ölçülmesinde kullanılır.Tasarım, uygulanabilirlik, taşınabilirlik ve ekonomi üzerine odaklanır. Dağıtıcı olmayan kızılötesi algılama ilkesi, CO2'yi gerçekleştirmek için kullanılır. Teorik analiz ve konsantrasyon tespitinin fiziksel üretimi. Çift kanallı gaz modeli ile birlikte CO2 konsantrasyonunun hesaplama formülü ve düşük konsantrasyon aralığındaki yaklaşık formül türetilir. Sinyal örnekleme işlemini tamamlamak için 12 bitlik bir A / D örnekleme devresi seçilmiştir Deneysel verilere göre, konsantrasyon hesaplama yöntemi bölümlere ayrılmış işleme yöntemi ile geliştirilerek hata azaltılmıştır. Bununla birlikte, dış ortamın sıcaklık değişimi, kızılötesi sensörün çıkış voltajının da değişmesine neden olacaktır Hata, referans gaz tarafından tamamen dengelenemez.Algoritmadaki hata üzerinde sıcaklığın etkisini düzeltmek için büyük miktarda deneysel veriye ihtiyaç vardır.
Referanslar
[1] Zhang Junhui, Dong Yonggui Elektriksel olarak modüle edilmiş NDIR sensörü ve sinyal işleme yönteminin iyileştirilmesi J. Journal of Tsinghua University, 2008, 48 (2): 189-191.
[2] Li Jing. Kızılötesi karbondioksit ölçüm cihazının geliştirilmesi D. Xian: Xian Teknoloji Üniversitesi, 2011.
[3] Chang Taihua, Su Jie, Tian Liang, ve diğerleri. Algılama Teknolojisi ve Uygulaması "M] Pekin: Çin Elektrik Gücü Presi, 2003.
[4] Wang Xueshui, Chi Jinbo, Ma Jianling Yerçekimi İvme Sensörüne Dayalı 3D Gauss Metrenin Tasarımı J. Enstrüman Teknolojisi ve Sensörleri, 2015 (8): 23-25.
[5] Sun Huili Kapasitans ve analog devrelerdeki uygulaması hakkında konuşuyor J. Electronic World, 2013 (2): 34.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
