非分光紅外瓦斯傳感器壓力補償分析

王 聰，魏衡華，趙 宇

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動化系，安徽 合肥230027）

煤炭是我國的主要能源之一，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大的意義，目前煤礦生產(chǎn)中，很多企業(yè)都存在安全監(jiān)測不完善、管理落后等問題，導(dǎo)致安全生產(chǎn)形勢不容樂觀。監(jiān)測礦井現(xiàn)場各種氣體濃度、風(fēng)速和設(shè)備的狀態(tài)可以有效地保障生命財產(chǎn)安全，降低事故的發(fā)生率。煤礦事故中由瓦斯造成的傷亡比例超過50%，可見瓦斯監(jiān)控的重要性。瓦斯主要來自礦井中的煤氣，主要成分是甲烷，爆炸通常發(fā)生在瓦斯占空氣濃度5%～16%。因此監(jiān)測到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時應(yīng)該立刻停止工作，撤出人員，查明原因，采取措施。

現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測手段主要有電化學(xué)式、光干涉式、載體催化式和非分光紅外型幾種。

光干涉型傳感器存在著體積大、調(diào)校頻率高、空氣成分復(fù)雜時測量不準(zhǔn)確、容易發(fā)生誤報等問題，干涉信號向電信號的轉(zhuǎn)變困難也限制了它的發(fā)展。

載體催化型又稱“黑白元件型”，比光干涉型整體性能有所提升，但是存在著“高濃度沖擊損壞”、“催化劑中毒”等現(xiàn)象，限制了它的量程和使用的環(huán)境，需要經(jīng)常維護(hù)和更新設(shè)備，無形中提高了成本。

最新的基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器具有靈敏度高、調(diào)校周期長、壽命長等特點，而且不存在中毒現(xiàn)象，可以測量100%的濃度。目前國外用于精密氣體測量的傳感器使用的都是非分光紅外原理，國內(nèi)雖然也在研究但是還沒有到達(dá)實用化的階段,在應(yīng)用方面存在很多問題?？傮w來說紅外原理的傳感器性能要優(yōu)于使用其他幾種原理的傳感器[1]。

溫度補償方法很多，而壓力補償?shù)姆椒▍s寥寥無幾，本文重點介紹一種非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理及其壓力補償方法。

1 非分光紅外檢測原理

非分光紅外原理主要根據(jù)不同的氣體對不同波長的紅外光吸收率不同，一般來說多原子分子和非對稱的雙原子分子都對某一波長的紅外光具有強(qiáng)吸收，如表1所示[2]。

表1 礦井氣體紅外吸收帶（部分）

1.1 非分光氣體傳感器原理

單光源雙通道非分光氣體傳感器原理如圖1所示。熱電傳感器的輸出信號取決于自身材料溫差電動熱和入射的紅外輻射量，若紅外輻射保持不變，則紅外熱電輸出將不變，這將不利于測量。因此紅外燈采用幅值為3.3 V、占空比為50%的4 Hz方波驅(qū)動。為減少或消除光線的背景干涉作用,并使活動探頭和參考探頭檢測到入射輻射的變化,光源必須是脈動的，相應(yīng)地從探頭輸出的信號與光源的脈動是同步的。因此,隨著驅(qū)動光源方波的變化,探頭輸出波形的最大值和最小值構(gòu)成了有用的檢測信號。它們的差值與入射輻射的強(qiáng)度有關(guān)[3]。

圖1 單光源雙通道氣體傳感器原理圖

發(fā)出寬波長、強(qiáng)度呈周期性變化的紅外光，中間經(jīng)過氣室，右邊是兩個由濾光片和光學(xué)傳感器組成的探測通道，工作通道濾光片允許通過的波長為 3.39 μm，主要是進(jìn)行甲烷濃度的測量，參考通道允許通過的波長為2.90 μm，起到一個自補償?shù)淖饔?。由?1可知，3.39 μm處甲烷有很強(qiáng)的吸收，2.90 μm處很弱，2.90 μm同時避開了空氣中的水蒸氣和二氧化碳的干擾。

1.2 朗伯—比爾定律

紅外線是電磁波的一種，具有散射、反射、干涉、吸收等性質(zhì)，在介質(zhì)中傳播時會受到散射和吸收作用而使其衰減，衰減遵循朗伯—比爾定律。朗伯—比爾吸收定律的公式為：

式中，I是通入目標(biāo)氣體的透射光強(qiáng)度，IO為通入空氣的入射光強(qiáng)度，K為取決于吸收截面的參數(shù)，L是從光源到探測器的長度，C是目標(biāo)氣體濃度。

由式(1)可以得到：

其中，VO是空氣中工作通道輸出電壓，V是通入目標(biāo)氣體時的工作通道輸出電壓。

這里的FA是單通道測量電壓得到的一個中間值，可由它計算出濃度，但是在目標(biāo)氣體濃度超過10%時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,測量高濃度的氣體時變化十分微弱。

1.3 修正的朗伯—比爾定律

以上是理想化的情況，實際應(yīng)用中存在以下問題，光路長度L不是固定的值，傳感器的性能會受到溫度和壓力的影響。

考慮到以上因素，下面引入兩個參數(shù)a和n，把式(1)修正為：

式中a和n是隨機(jī)參數(shù)，取決于傳感器的構(gòu)造和被測目標(biāo)氣體，后文將會介紹使用統(tǒng)計和擬合方法計算它們的最優(yōu)解。

引入?yún)⒖纪ǖ?，修改?2)得到：

式中Z=I/IO=V(ref)/V(ref)O，是參考通道通入空氣時和標(biāo)氣時電壓比值，NA考慮到參考通道的正常吸收率，可以簡化為：

式中ACT是工作通道輸出電壓峰峰值，REF是參考通道輸出電壓峰峰值，ZERO是在空氣中兩個通道輸出電壓的比值。式(5)使用電壓比消除了所有的絕對電壓值，這消除了放大增益的差異和光學(xué)條件發(fā)生變化帶來的影響，同時克服了單通道測量高濃度飽和的問題。

結(jié)合濃度標(biāo)定，可以得到計算濃度的最終公式：

ZERO和SPAN的計算方法將會在下文提到。

2 校準(zhǔn)及濃度計算

2.1 零點校準(zhǔn)

將傳感器放置在不存在被測氣體的環(huán)境中，例如氮氣（空氣中也可以），ZERO校準(zhǔn)的公式為：

式中ACT和REF分別是傳感器在空氣中工作通道和參考通道的峰峰值，保存著零點時的兩通道電壓比值。

2.2 濃度校準(zhǔn)

將傳感器放置在標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)氣體中，一般為滿量程標(biāo)氣，SPAN校準(zhǔn)的公式為：

式中ACT、REF是工作通道和參考通道的峰峰值，ZERO是之前在氮氣(空氣也可以)中計算出來的零點，a、n是固定的線性化參數(shù)，C是此時標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度?？梢钥闯鏊鞘?6)的一個變形，用來標(biāo)定整個量程。ZERO和SPAN應(yīng)該存儲在非易失存儲器中，例如EEPROM或者Flash，每次上電都應(yīng)讀取這些參數(shù)進(jìn)行濃度計算。

2.3 濃度計算

經(jīng)過上面的分析，由式(6)可以得到目標(biāo)氣體的計算公式：

可見，瓦斯?jié)舛扰c熱電傳感器輸出電壓比呈非線性關(guān)系。

以上數(shù)據(jù)都要經(jīng)過濾波處理，采用單次測量誤差會非常大，一般采用滑動均值濾波和限幅濾波相結(jié)合的方法[4]。

3 壓力補償

甲烷傳感器分為3類，A、B類的工作環(huán)境壓強(qiáng)為80 kPa～116 kPa， 而 C 類的是 50 kPa～130 kPa，C 類通常在管道中使用，被測氣體濃度和壓力的變化較大，為了進(jìn)行精確測量需要進(jìn)行相應(yīng)的溫度和壓力補償。目前溫度補償已經(jīng)有比較完善的方法，例如利用查表線性差值等方法可以很好地進(jìn)行溫度補償[5]，而壓力補償方面并沒有通用的方法。下面介紹一種瓦斯傳感器壓力補償方法，假設(shè)實驗在溫度不變的環(huán)境下進(jìn)行。

在實驗室25℃的環(huán)境下，以空氣作為零點標(biāo)定的背景氣，用高精度的直流穩(wěn)壓電源給探頭供電，并提供驅(qū)動信號，輸出信號經(jīng)過濾波放大用電壓表進(jìn)行測量，標(biāo)定的數(shù)據(jù)也事先經(jīng)過多組測量取均值得到。表2、表3分別是在不同濃度、不同壓力下5個甲烷傳感器進(jìn)行10組測量得到NA和SPAN的均值，NA是與濃度非線性關(guān)系的參數(shù)，SPAN則是校正值。

表2 不同濃度壓力下的NA

表3 不同濃度壓力下的SPAN

由表2、表3可以看出，兩個參數(shù)都隨著壓力的變化發(fā)生了漂移，當(dāng)濃度一定時NA隨著壓力近似線性增長，最終反映到測量結(jié)果上會使計算出的濃度偏大，SPAN值是標(biāo)定的固定值，它不隨著濃度的變化而變化，與壓力也呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。

圖2是未進(jìn)行壓力補償時的計算濃度。不同的線代表通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，可見低濃度測量時壓力影響較小，當(dāng)進(jìn)行高濃度測量時濃度漂移十分嚴(yán)重，會超過100%，需要進(jìn)行相應(yīng)的壓力補償。

圖2 未進(jìn)行壓力補償時的計算濃度

3.1 參數(shù)a和n的確定

之前在濃度校準(zhǔn)中使用到參數(shù)a和n，這里介紹它們的計算方法，式(9)經(jīng)過變換得到：

由表2中100 kPa中的一組透光率NA和濃度C，通過擬合的方法可以得出一組最優(yōu)解。擬合可以通過統(tǒng)計軟件R或者 Matlab中的curve fitting tool函數(shù)來實現(xiàn)，如圖 3所示。相應(yīng)參數(shù)為a=0.015 8，n=0.516 5，SPAN=0.499 9，其中R^2=0.999 3。

圖3 擬合方法下的最優(yōu)解

3.2 壓力變化下的最優(yōu)解

通過表3中100 kPa壓力濃度下的SPAN值，擬合得到a和n，再分別固定a和n的值可以得到不同壓力下的a、n、SPAN的最優(yōu)解，如表 4所示。

表4 a和n在不同壓力下的最優(yōu)解

利用固定參數(shù)a的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性化可以得到：

此時a=0.015 8，擬合度R^2=0.996 3。

3.3 壓力補償

由式(11)進(jìn)行壓力補償，最后可以得到進(jìn)行壓力補償和未進(jìn)行壓力補償?shù)臄?shù)據(jù)。圖4與圖2相似，是0～100不同標(biāo)準(zhǔn)濃度在60 kPa～140 kPa的壓力下測得的數(shù)據(jù)，相比于圖2，曲線趨于平緩，基本上達(dá)到了壓力補償?shù)哪康摹?/p>

圖4 進(jìn)行壓力補償?shù)挠嬎銤舛?/p>

本文主要介紹了基于非分光紅外原理的瓦斯傳感器的工作原理，同時闡述了溫度及壓力補償對于大范圍高濃度測量的必要性，并且在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用統(tǒng)計的方法總結(jié)出一種通用的壓力補償方法，基本克服了高濃度測量時漂移嚴(yán)重的問題，可以滿足在壓力變化較大的環(huán)境中使用的要求。目前紅外原理的氣體傳感器并沒有統(tǒng)一的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)要求使用不同的方法來進(jìn)行溫度和壓力補償。本文的補償方法針對單光源雙通道的傳感器進(jìn)行分析，若要在其他結(jié)構(gòu)的傳感器上使用需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

[1]卓邦遠(yuǎn)，呂賢帝，劉海波.紅外甲烷傳感器與催化甲烷傳感器性能比較研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010(17)：10-12.

[2]李秀華.紅外氣體分析儀研究[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2007.

[3]羅勇，毛曉波，黃俊杰.紅外檢測瓦斯傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(8)：4-6.

[4]王汝琳.紅外檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]潘中橋，馬世偉，孫波，等.紅外甲烷氣體傳感器算法研究[J].電子測量技術(shù)，2008，31(12)：113-115.