Design of the for Dual Range UV Ionized Gas Concentration Detection Circuit

孫玉虹1,2　高利聰1,2　梁　庭1,2　丑修建1,2

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1,山西 太原　030051；

中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,山西 太原　030051)

雙量程紫外光離子化氣體濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

Design of the for Dual Range UV Ionized Gas Concentration Detection Circuit

孫玉虹1,2高利聰1,2梁庭1,2丑修建1,2

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1,山西 太原030051；

中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,山西 太原030051)

摘要：大量程氣體傳感器檢出限過高，不能適應(yīng)低濃度有毒有害氣體環(huán)境的檢測(cè)。為此以C8051f040單片機(jī)為核心器件，采用內(nèi)部 A/D、多路模擬開關(guān)CD4053B，設(shè)計(jì)了一種雙量程紫外光離子化氣體測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)檢測(cè)待測(cè)氣體濃度并用數(shù)碼管顯示。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)中測(cè)試了乙烯濃度，在0～200×10-6范圍內(nèi)，小量程的測(cè)試誤差≤0.02×10-6，明顯優(yōu)于大量程的測(cè)試誤差≤0.3×10-6。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了大量程傳感器在檢測(cè)低濃度氣體時(shí)遇到的精度低的難題。

關(guān)鍵詞：光離子化量程變換I-V轉(zhuǎn)換校準(zhǔn)系數(shù)A/D轉(zhuǎn)換濃度計(jì)算

Abstract：The detection limit of large range gas sensor is too high to adopt the detection for low concentration toxic and hazardous gases environment. Thus, with C8051f040 single chip machine as the core and its internal ADC and multi-channel analog switch CD4053B are used to design the dual range UV photo ionization gas measurement system, for detecting the concentration of measured gas in real time and displaying the data on numerical tubes. In computerized automatic gas distribution system, it is used to test the concentration of ethylene in the range of 0~200×10-6, the test error in small range is ≤0.02×10-6, obviously better than the error ≤0.3×10-6in large range. The result of tests indicates that this system solves the low accuracy problem encountered in detecting low concentration of gas by large range sensor.

Keywords：Photo ionizationRange transformationI-V conversionCalibration coefficientsA/D conversionConcentration calculation

0引言

近年來，人們?cè)絹碓街匾暪I(yè)衛(wèi)生領(lǐng)域及生活辦公領(lǐng)域的空氣質(zhì)量，目前常用的幾種檢測(cè)氣體的傳感器有熱導(dǎo)式傳感器(thermal conductivity detector，TCD)、氫火焰?zhèn)鞲衅?flame ionization detector，F(xiàn)ID)、電子俘獲傳感器(electron capture detector，ECD)、光離子化傳感器(photo ionization detector，PID)等。以高靈敏度檢測(cè)著稱的紫外光離子化氣體傳感器可以檢測(cè)濃度0.3 μl/m3甚至更低濃度的有毒有害氣體，因此紫外光離子化氣體傳感器越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。但同小量程傳感器相比，高量程傳感器在檢測(cè)氣體濃度時(shí)分辨率會(huì)增大，達(dá)不到氣體監(jiān)測(cè)要求。本文設(shè)計(jì)了雙量程數(shù)據(jù)采集機(jī)制，量程分別為0～200×10-6和0～2 000×10-6(1×10-6=1ml/m3)。通過單片機(jī)控制量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要由五部分組成: 紫外光離子化檢測(cè)器、量程變換單元、C8051F040單片機(jī)、顯示模塊及報(bào)警電路。量程變換單元把光離子化檢測(cè)器產(chǎn)生的微電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào), C8051F040 作為核心控制器件,通過AIN0模擬輸入口對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集,然后利用內(nèi)部自帶的ADC 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,最后通過數(shù)據(jù)處理控制 LED 顯示待測(cè)氣體濃度值。

C8051F040單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SOC，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件[3-5]。其內(nèi)部ADC為12位轉(zhuǎn)換精度，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100 kbit/s,而且在轉(zhuǎn)換前，有一個(gè)可編程增益放大器PGA對(duì)采集的模擬量進(jìn)行放大和縮小，以滿足實(shí)際需要。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1　量程變換設(shè)計(jì)

量程變換單元主要由I-V轉(zhuǎn)化電路和多路模擬開關(guān)CD4053B構(gòu)成。量程變換單元如圖1所示。

圖1　量程變換單元

光離子化檢測(cè)器輸出信號(hào)是微弱的電流信號(hào)，為了信號(hào)的方便處理，必須經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本文采用輸入阻抗高、偏置電流小的斬波穩(wěn)流放大器ICL7650 作為I-V轉(zhuǎn)換器，采用“T”型反饋網(wǎng)絡(luò)[6-7]。由于探測(cè)器輸出的是變化緩慢的信號(hào)，所以在轉(zhuǎn)換器后面接一個(gè)截止頻率為2 Hz的有源低通濾波器。

CD4053B是三二選一模擬開關(guān)，相當(dāng)于三組單刀雙擲開關(guān)。三個(gè)數(shù)字控制輸入A、B、C 可獨(dú)立地選擇每組模擬開關(guān)刀位的導(dǎo)通方向。CD4053B用來控制前端放大器反饋電阻，有效地控制放大器的放大倍數(shù)，從而控制傳感器的檢測(cè)量程。本文設(shè)計(jì)的是雙量程，所以只需把一個(gè)控制輸入與單片機(jī)的I/O口相連，單片機(jī)一直同時(shí)查詢CD4053B的狀態(tài)和傳感器的輸出值，從而有效地控制CD4053B的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.2　顯示及報(bào)警電路

濃度顯示電路由數(shù)碼管及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。聲光報(bào)警電路由蜂鳴器、高亮度發(fā)光管及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

2.3　噪聲消除

我們把屏蔽前和屏蔽后的測(cè)試數(shù)據(jù)用Matlab經(jīng)過傅里葉變換后得到幅頻特性曲線,如圖2、圖3所示。

紫外光離子化氣體傳感器是通過紫外燈輻射的能量來電離氣體分子的。紫外燈的激發(fā)方式有電感耦合和電容耦合方式。本文采用電容耦合方式，其中RF電源的頻率為87 kHz,幅值為1 000 V。

圖2　屏蔽前的幅頻特性曲線

由于I-V轉(zhuǎn)換電路極易受到外界的干擾，尤其容易受到紫外燈RF驅(qū)動(dòng)電壓的影響，因此我們給量程變換電路加上金屬屏蔽外殼來屏蔽外界的干擾。

從圖2可以看出，信號(hào)在87 kHz處的幅值最大，而87 kHz正好是紫外燈驅(qū)動(dòng)電壓的頻率；從圖3可以看出，信號(hào)在2.1 Hz處的幅值最大，高頻噪聲得到很好的抑制。

圖3　屏蔽后的幅頻特性曲線

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括初始化配置、A/D采樣、濃度計(jì)算等。程序采用C 語(yǔ)言編寫，具有編程效率高、可讀性強(qiáng)、便于修改等優(yōu)點(diǎn)[8]。

主程序流程圖如圖4 所示。

圖4　主程序流程圖

單片機(jī)默認(rèn)CD4053B處于小量程狀態(tài)(0~200×10-6)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到傳感器輸出值達(dá)到滿量程時(shí)，系統(tǒng)將控制CD4053B將低一級(jí)的反饋電阻接通，并一直查詢CD4053B開關(guān)狀態(tài)。通過傳感器輸出值以及CD4053B的狀態(tài)計(jì)算出當(dāng)下檢測(cè)氣體的濃度值，從而實(shí)時(shí)有效地檢測(cè)出待測(cè)檢測(cè)氣體的濃度。

3.1　校準(zhǔn)系數(shù)

校準(zhǔn)系數(shù)(correction factor,CF)是探測(cè)器對(duì)待測(cè)物靈敏度與探測(cè)器對(duì)校準(zhǔn)氣體異丁烯靈敏度之比，其可以用式(1)計(jì)算得到[9]，校準(zhǔn)系數(shù)的大小常用來調(diào)整PID直接測(cè)量某種氣體的靈敏度。

(1)

3.2　濃度計(jì)算子程序

12位采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過下式計(jì)算，就可以得到實(shí)際電壓值：

(2)

式中：Uref為ADC內(nèi)部參考電壓，其值為2.43V；M為12位采樣數(shù)據(jù)。

圖5為該系統(tǒng)在濃度范圍為0~200×10-6和0~2 000×10-6時(shí)異丁烯的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖5　系統(tǒng)采樣值與異丁烯濃度的關(guān)系

圖5中，橫軸為異丁烯濃度，縱軸為光離子化探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)過A/D采樣后，經(jīng)式(2)計(jì)算得到的電壓值。通過最小二乘法[10]線性擬合后的函數(shù)關(guān)系式，如式(3)、式(4)所示：

ya=0.158 3+9.548×10-3xa

(3)

yb=0.124 0+8.232×10-4xb

(4)

由于在0~2 000×10-6量程擬合曲線中，存在明顯的拐點(diǎn)，受光離子化技術(shù)本身的限制，在大量程時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)的線性度相對(duì)低量程明顯下降，為了保證系統(tǒng)輸出的準(zhǔn)確性，此量程數(shù)據(jù)采用分段直線擬合法，將測(cè)試數(shù)據(jù)分成兩段，分別用最小二乘法擬合，函數(shù)關(guān)系如式(5)所示。

(5)

由式(3)、式(5)可知，只要知道采樣電壓值，就可以計(jì)算待測(cè)物的相對(duì)異丁烯濃度。

根據(jù)式(1)，待測(cè)物的實(shí)際濃度即為其相對(duì)異丁烯濃度與CF的乘積，待測(cè)物濃度計(jì)算流程如圖6所示。

圖6　濃度計(jì)算流程圖

4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)量數(shù)據(jù)如表 1 所示。

表1　測(cè)量數(shù)據(jù)

應(yīng)用該檢測(cè)系統(tǒng)并結(jié)合計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，測(cè)

量乙烯的濃度；并用PhoCheck Tiger便攜式VOC氣體檢測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。輸入濃度值為PhoCheck Tiger便攜式VOC氣體檢測(cè)儀測(cè)量的值，實(shí)際測(cè)量值為檢測(cè)系統(tǒng)分別在兩種量程下測(cè)試顯示的濃度值。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，小量程的絕對(duì)誤差≤0.02×10-6，大量程的絕對(duì)誤差≤0.3×10-6，所以在0~200×10-6濃度范圍內(nèi)，小量程的測(cè)試精度比較高，測(cè)試結(jié)果更加可靠。

5結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用C8051f040單片機(jī)為核心器件控制模擬開關(guān)芯片CD4053B，實(shí)現(xiàn)了雙量程光離子化氣體濃度的檢測(cè)及顯示功能，解決了大量程傳感器檢測(cè)低濃度氣體存在高檢出限問題。經(jīng)過重復(fù)測(cè)量，該系統(tǒng)測(cè)量精度比較高，性能可靠，可用于實(shí)際測(cè)量。

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中圖分類號(hào)：TM932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503025

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51075375)。

修改稿收到日期：2014-09-23。

第一作者孫玉虹(1988-)，女，現(xiàn)為中北大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事MEMS器件測(cè)控技術(shù)的研究。