肖遼亮
(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001)
高鐵對安全性能要求越來越高,針對威脅高鐵運行的安全風(fēng)險,充分利用各種檢測、監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù),加強列車運行過程中內(nèi)部、外部環(huán)境等的安全檢測、監(jiān)測與監(jiān)控,掌握設(shè)備運行狀態(tài),采取針對性的防控和處置措施,是確保高鐵運行安全的重要技術(shù)支撐。文章介紹一種電調(diào)制非分光紅外傳感器構(gòu)成的新型氣體測試儀中關(guān)鍵問題的分析與設(shè)計,提高高鐵運行運行過程中SO2、CO、CO2等有關(guān)煙霧氣體的檢測性能。
NDIR(電調(diào)制非分光紅外)氣體傳感器采用電調(diào)制的紅外光源,同時采用高精度干涉濾光片以及鍍金氣室,避免了強震動的機(jī)械裝置,在氣體精密測控儀器上得到了迅速的發(fā)展。
電調(diào)制的紅外光源容易受到調(diào)制頻率的影響,其調(diào)制頻率與調(diào)制深度的關(guān)系曲線如圖1所示。為了實現(xiàn)100%調(diào)制深度且穩(wěn)定的狀態(tài),設(shè)置調(diào)制頻率為10 Hz。紅外光源由恒功率電源供電,確保光源的發(fā)光功率基本不變,但是紅外光源、傳感器氣室以及探測器都會不同程度受到溫度變化的影響,同時,信號處理電路中元件也存在一定的溫漂,因此測試系統(tǒng)環(huán)境恒溫至關(guān)重要。此外紅外光通過窗口材料入射到測量氣室,被測氣體通過測量氣室,吸收特定波長的紅外光,透過測量氣室的紅外光由探測器接收,得到一個與氣體濃度相對應(yīng)的微弱直流信號[1-2],此直流信號極易受外界的干擾,穩(wěn)定可靠、選頻特性優(yōu)良、抗干擾能力強的微弱信號處理電路同樣關(guān)鍵[3-7]。
圖1 光源的調(diào)制頻率與調(diào)制深度關(guān)系曲線圖Fig.1 The light source modulation frequency and modulation depth curve
1)溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖2。由電流型溫度傳感器AD590進(jìn)行溫度采集,通過電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓,再由AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1110完成溫度的A/D轉(zhuǎn)換。
圖2 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊Fig.2 Temperature acquisition and A/D conversion module
2)加熱控制電路如圖3所示。本電路是典型的以弱控強的電路??刂菩盘朇TRL是由單片機(jī)控制輸出的PID信號,其中的三極管Q1在此信號的作用下,低電平時導(dǎo)通、高電平時截止,從而控制繼電器S1的通斷,繼而CON2端所接的加熱片,實現(xiàn)加熱的PID控制。
圖3 加熱控制電路原理圖Fig.3 Heating control module circuit schematic diagram
3)增量式PID算法設(shè)計實現(xiàn)
在本設(shè)計中溫度采集每100毫秒采集一次,在快速升溫階段采用模糊算法進(jìn)行控溫,而在恒溫時采用增量式PID算法[8]。為防止加熱過程中出現(xiàn)過沖現(xiàn)象,溫度接近恒溫點時,采用階梯式恒溫控制方法,如圖4所示,從而實現(xiàn)精密控溫。
圖4 增量式PID階梯控制方法Fig.4 Incremental PID step control method
探測器輸出的信號非常微弱,極易受到外界的干擾,因此設(shè)計選頻特性優(yōu)良、強抗干擾能力的微弱信號處理電路,對于整個測試系統(tǒng)的性能體現(xiàn)具有決定性的意義。
1)積分與濾波電路以及精密整流電路,如圖5所示。
圖5 積分與濾波電路和精密整流電路圖Fig.5 Integral and filter circuit and a precision rectifier circuit diagram
此積分運算電路,當(dāng)初始值為0時,可得:
其中:t2截止時間,t1為起始時間。其增益為:
2)線性平均值電路與兩級二階壓控電壓源濾波電路,如圖6所示。
第一級壓控電壓源濾波電路電路特征頻率為:
第二級壓控電壓源電路性能特征頻率:
兩級電路的特征頻率一致,因此具有良好的選頻特性。
圖6 線性平均值與濾波電路Fig.6 Linear mean value and filter circuit
第一級電路的通帶放大倍數(shù)為:
其品質(zhì)因素為:
第二級電路的通帶放大倍數(shù):
品質(zhì)因素:
其總的品質(zhì)因素為0.707,因此電路具有最佳的平坦特性,抗干擾能力強。
通過以上關(guān)鍵問題的設(shè)計與研究,對整個系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和檢測,系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性好,溫漂小,其控溫效果如圖7所示。
圖7 控溫效果圖Fig.7 The temperature effect diagram
微弱信號處理電路選頻特性良好,抗干擾能力強,漂移非常小,信號穩(wěn)定度高,能實現(xiàn)精密放大,氣體測量精度高。測量效果如圖8所示。
圖8 信號測號波形圖Fig.8 Signal measuring signal waveform graph
文中分析了NDIR氣體測控系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題,并針對關(guān)鍵問題展開研究,提出了高精度恒溫的實現(xiàn)電路設(shè)計,與新的微弱信號處理電路設(shè)計,該設(shè)計溫度穩(wěn)定性好,溫漂小,電路選頻特性良好,抗干擾能力強,漂移非常小,信號穩(wěn)定度高,能實現(xiàn)精密放大,氣體測量精度高。已取得良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果,也同樣可應(yīng)用于其他的應(yīng)用環(huán)境。
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