一种带恒温恒湿二氧化碳传感器装置及其检测方法
技术领域
本发明属于气体传感器
技术领域
，尤其涉及一种带恒温恒湿二氧化碳传感器装置及其检测方法。背景技术
二氧化碳是气体的重要组成部分，在日常生活及工业上都有着广泛而重要的作用，而二氧化碳浓度的控制也是应用二氧化碳的一个重要指标，所以对二氧化碳进行实时、高效且精确的检测也显得更加重要。目前，针对二氧化碳的检测方法主要包括电化学法、电子捕捉法、紫外线电离法和非色散红外吸收法等。
其中，由于非色散红外吸收法有着灵敏度高、检测范围广、抗干扰性强等优点在二氧化碳气体检测领域受到青睐。但是应用非色散红外吸收法在二氧化碳的实际测量中极易受到环境的影响，特别是环境的温度和湿度对检测结果影响较大。
第一，当环境温度发生改变时，二氧化碳气体本身的光谱特性会发生改变从而导致红外光的吸收效率下降且滤光片的中心波长发生偏移，二氧化碳浓度的检测结果就会产生较大的误差。
第二，湿度的改变会影响二氧化碳的红外吸收频率。未经处理的二氧化碳气体一般附着大量的水汽，当红外光在通过二氧化碳时会因为这些水分子而出现散射现象，红外光源二次辐射扩散就会出现损失，二氧化碳浓度检测结果同样会出现较大误差。
第三，湿度因素也会间接导致温度发生变化使二氧化碳本身的光谱特性发生变化。为解决环境温度和湿度所造成的检测误差，绝大多数通常采用软件补偿的方法进行温度误差修正以及尽量使用干燥气体，从而降低温度和湿度对二氧化碳气体浓度检测结果的影响。
发明内容
发明目的：为了解决环境温度和湿度对二氧化碳浓度检测结果的影响满足实际生产过程中对二氧化碳传感器高敏感高精确检测的要求。本发明提出了一种基于非色散红外吸收的恒温恒湿二氧化碳气体传感器系统。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种带恒温恒湿二氧化碳传感器装置，包括采样气室，红外光源，双通道热电堆探测器，温湿传感器，电机及驱动电路，单片机；还包括气泵，减压阀，装水的密封杯，气体干燥管，进料漏斗，出料漏斗；
所述气泵经过所述减压阀输出不同浓度的二氧化碳气体，气体经过所述装水的密封杯后进入所述气体干燥管；
所述采样气室内部为反射式扁锥型结构，气室成中心对称，外围包裹PI电热片和制冷片，同时气室外围设有进气口和出气口，进气口连接所述气体干燥管，干燥管内含分子筛，干燥管的上方设有进料漏斗、下方设有出料漏斗，漏斗口密封；
所述采样气室的截面直径大的一端装有红外光源，另一端封装双通道热电堆探测器，探测器有两路光强感应窗口分别装有参考滤光片和测量滤光片；
所述红外光源发射的红外光线通过采样气室内待测二氧化碳气体，分别通过参考滤光片和测量滤光片，并由双通道热电堆探测器接收；
所述探测器输出两路电信号，电信号经过滤波放大电路和A/D转换电路后传送到所述单片机，再经过上位机传达到终端；
所述温湿传感器与采样气室的出气口连接，用于实时采集采样气室中气体的实际温度/湿度，并将温度/湿度信息传输至所述单片机；
所述单片机用于设置目标温度/湿度，将接收到的实际湿度/温度分别与设定的目标湿度/温度比较，发送信号给驱动电路驱动电机正/反转使进料/出料漏斗打开，或者驱动PI电热片/制冷片加/散热。
进一步的，所述进料漏斗的接口处做两层设计，内层预留四分之一筛孔，外层则在该四分之一处镂空，其他部分密封，并用拉绳将漏斗接口外层与电机相连；
所述出料漏斗的接口处内层在所述进料漏斗的接口处内层对角的四分之一处预留四分之一筛孔，即所述出料漏斗的筛孔与所述进料漏斗筛孔相差180°，所述出料漏斗的接口外层与所述进料漏斗接口外层设计一致。
进一步的，所述采样气室的轴线与所述红外光源发出的红外线平行。
进一步的，所述单片机，具体执行以下操作：
设置所需的目标温度/湿度；将所述温湿传感器实时采集的采样气室中气体的实际湿度/温度分别与设定的目标湿度/温度比较；
当实际湿度大于目标湿度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动电机正转使进料漏斗打开增加分子筛数量；
当实际湿度小于目标湿度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动电机反转使出料漏斗打开减少分子筛数量；
当实际温度低于目标温度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动PI电热片进行加热；
当实际温度高于目标温度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动制冷片进行散热。
进一步的，所述单片机采用增量式PID算法对采样气室的温度/湿度进行调节控制；
将所设定的目标温度/湿度和当前温度/湿度作为入口参数输人增量式PID算法，由算法计算得出当前单片机输出的PWM增量。
本发明基于所述的传感器装置提出了一种二氧化碳气体浓度检测方法，具体包括：
首先对朗伯-比尔定律进行修正计算出射光光强，修正过后的朗伯-比尔定律表示为
I为出射光的光强，I0为入射光的光强，S为非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数，C为气体的浓度，L为红外光穿过气体的有效路径，β1为气体的吸光系数；
然后对朗伯-比尔定律积分公式进行修正计算红外光吸收度，修正后的公式表示为
A为红外光吸收度，β2为测量通道上的二氧化碳气体在测量通道上的响应系数；
最后计算二氧化碳气体浓度公式表示为
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
本发明采样气室的结构选择新型反射式扁锥腔体气室，气室成中心对称，稳定且好加工，内部经过打磨与镀金，反光性能好。同时设计采样气室的轴线与红外光源发出的红外线平行，可以减少反射，提高系统精确度。
本发明采用增量式PID算法对采样气室的温度/湿度进行调节控制。在实际温湿控制过程中，只需将所设定的目标温度/湿度和当前温度/湿度作为入口参数送人增量式PID算法，由算法计算得出当前单片机输出的PWM占空比变化量，从而达到控制温湿的目的。
本发明为了规避由于光源功率的不稳定、光源噪声等因素所造成的影响探测方式采用双通道检测的方法。采用双通道检测方法来测量二氧化碳浓度，不仅能够忽视检测影响，提高对气体浓度的检测精度，而且也不会使系统的测量过程复杂化。
附图说明
图1是本发明的装置效果图；
图2是本发明采样气室剖面图；
图3是本发明的漏斗接口图；
图4是本发明热电堆探测器剖面图；
图5是本发明的系统结构图；
图6是本发明PID恒温恒湿控制原理框图；
图7是本发明PID算法控制流程图；
图8是本发明浓度计算流程图；
附图标记：1.红外光源，2.PI电热片，3.双通道热电堆探测器，4.测量滤光片，5.参考滤光片，6.出气口，7.进气口，8.制冷片，9.气泵，10.减压阀，11.装水的密封杯，12.气体干燥管，13.分子筛，14.进料漏斗，15.出料漏斗，16.进料漏斗接口，16-a.进料漏斗接口内层，16-b.筛孔，16-c.漏斗接口外层，17.出料漏斗接口，17-a.出料漏斗接口内层，18.拉绳，19.电机及驱动电路，20.采样气室，21.温湿传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的带恒温恒湿二氧化碳传感器装置，在PID恒温控制的基础上设计了一种单气室双波长的采样气室20，如图1和图5所示，该传感器装置的结构包括光学系统和外围电路，光学系统包括采样气室20，红外光源1，双通道热电堆探测器3；外围电路包括单片机、电机及驱动电路19、光源驱动电路、电源电路、加热模块、滤波放大电路、温度采集电路(温湿传感器21)、A/D转换电路、无线蓝牙模块和上位机；该系统既可实现对采样气室20内温度的控制，又可对待测二氧化碳气体浓度信号进行采集处理。
所述传感器装置还包括气泵9，减压阀10，装水的密封杯11，气体干燥管12，进料漏斗14，出料漏斗15；所述气泵9经过所述减压阀10输出不同浓度的二氧化碳气体，气体经过所述装水的密封杯11后进入所述气体干燥管12；
如图2所示，所述采样气室20内部为反射式扁锥型结构，气室成中心对称，外围包裹PI电热片2和制冷片8，同时气室外围设有进气口7和出气口6，进气口7连接所述气体干燥管12，干燥管内含分子筛13，干燥管的上方设有进料漏斗14、下方设有出料漏斗15，漏斗口密封；实验前在进料漏斗14中放入适量的分子筛13；
所述采样气室20的截面直径大的一端装有红外光源1，另一端封装双通道热电堆探测器3，探测器有两路光强感应窗口分别装有参考滤光片5和测量滤光片4；优选的，所述采样气室20的轴线与所述红外光源1发出的红外线平行，减少反射，提高系统精确度；
所述红外光源1发射的红外光线通过采样气室20内待测二氧化碳气体，分别通过参考滤光片5和测量滤光片4，并由双通道热电堆探测器3接收；
所述探测器输出两路电信号，电信号经过滤波放大电路和A/D转换电路后传送到所述单片机，再经过上位机传达到终端；
所述温湿传感器21与采样气室20的出气口6连接，用于实时采集采样气室20中气体的实际温度/湿度，并将温度/湿度信息传输至所述单片机；
所述单片机用于设置目标温度/湿度，将接收到的实际湿度/温度分别与设定的目标湿度/温度比较，发送信号给驱动电路驱动电机正/反转使进料/出料漏斗15打开，或者驱动PI电热片2/制冷片8加/散热。
如图3所示，所述进料漏斗接口16做两层设计，内层预留四分之一筛孔，外层则在该四分之一处镂空，其他部分密封，并用拉绳18将漏斗接口外层与电机相连；
所述出料漏斗接口内层17-a在所述进料漏斗接口内层16-a对角的四分之一处预留四分之一筛孔，即所述出料漏斗15的筛孔与所述进料漏斗14筛孔相差180°，所述出料漏斗接口17外层与所述进料漏斗16接口外层设计一致。
本实施例中，进料漏斗接口内层16-a在-90°-0°处预留筛孔16-b，外层则在0°-90°处镂空，其他部分密封，并用拉绳18将漏斗接口外层16-c与电机相连；出料漏斗接口内层17-a在90°-180°处预留筛孔，外层则在0°-90°处镂空，其他部分密封，并用拉绳18将漏斗接口外层16-c与电机相连；该设计可由一个电机同时实现对两个接口的控制。
当电机正转时，拉动拉绳18使接口顺时针旋转90°，进料漏斗14打开，增加干燥管中3A分子筛数量，进料结束后，电机反转拉动拉绳18使接口逆时针旋转90°回到初始位置密封进料口，在此过程中由于出料漏斗15的筛孔与进料漏斗14筛孔相差180°，所以出料漏斗接口17处始终密封。当电机反转时，拉动拉绳18使接口逆时针旋转90°，出料漏斗15打开，减少干燥管中3A分子筛数量，进料结束后，电机反转拉动拉绳18使接口顺时针旋转90°回到初始位置密封进料口，在此过程进料漏斗接口16处始终密封。
所述单片机，具体执行以下操作：
设置所需的目标温度/湿度；将所述温湿传感器21实时采集的采样气室20中气体的实际湿度/温度分别与设定的目标湿度/温度比较；
当实际湿度大于目标湿度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动电机正转使进料漏斗14打开增加分子筛数量；
当实际湿度小于目标湿度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动电机反转使出料漏斗15打开减少分子筛数量；
当实际温度低于目标温度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动PI电热片2进行加热；
当实际温度高于目标温度时，所述单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动制冷片8进行散热。
本实施例中，所述单片机选用STM32单片机；所述驱动电路选用TB6612FNG芯片作为功率放大芯片；所述双通道热电堆探测器3型号为TPS2534；所述测量滤光的片中心波长为4.26μm；所述参考滤光片5的中心波长为4μm；所述温湿传感器21型号为SHT11。
所述分子筛13优选3A分子筛；3A分子筛是一种碱金属硅铝酸盐，吸附水分子效果显著，经常被应用于干燥气体的工作中；3A分子筛带有许多个有效孔径为0.3nm的小孔，而水分子的直径约为0.27-0.29nm，二氧化碳分子的直径约为0.33nm，分子筛的小孔直径大于水分子直径，能够吸附住经过的水分子但吸收不了二氧化碳分子，所以3A分子筛能够有效的过滤二氧化碳气体中的水分，降低二氧化碳气体的湿度，达到需要的控制湿度的目的。
所述采样气室20探测面(探测器所对应的平面)直径为10mm，锥角设定为5°，长度约为80mm；为了减小红外光散射对检测结果造成干扰，对采样气室20内壁进行了抛光和镀金处理。
所述红外光源1可选用直径3mm的白炽灯HSL-115-S，其辐射波长覆盖范围从可见光到5μm，包含CO2气体特征吸收峰值；也可选用IR715EN红外光源，灯丝类型C-2R 5V电源，115mA电流，波长范围为0～5um，输出光源稳定，寿命长，控制电压为5V。
所述滤波放大电路为仪表放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。所述光源驱动电路采用LM538。所述A/D转换器采用AD7195。
如图4所示，探测器上的测量滤光片4是只有二氧化碳气体分子能够吸收的4.26μm波长的光能通过，其它的气体分子不吸收这种波长的光。
如图1和图5所示，设在单片机MCU按键上输入所需的目标温度与目标湿度，开启气泵9后经过减压阀10输出不同浓度的二氧化碳气体，气体经过装有适量水的密封杯提高湿度后经过气体干燥管12，管中的3A分子筛吸收多余的水分，同时SHT11温湿传感器实时采集气室内气体的湿度信息，通过无线蓝牙模块传输到手机端进行实时显示，并传输给单片机，将实际湿度与设定的目标湿度进行比较。
当实际湿度大于目标湿度时，STM32单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动电机正转，使进料漏斗14打开增加3A分子筛数量；当实际湿度小于目标湿度时，STM32单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动电机反转，使出料漏斗15打开减少3A分子筛数量；当实际湿度等于目标湿度时，占空比保持不变同时保持3A分子筛数量。
然后气体经过进气口7进入采样气室20，SHT11温湿传感器同样实时采集采样气室20的温度信息并传输给单片机，将实际温度与设定的目标温度进行比较；当实际温度低于目标温度时，STM32单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动PI电热片2进行加热；当实际温度高于目标温度时，STM32单片机输出占空比可变的PWM信号给驱动电路驱动制冷片8进行散热；当实际温度等于目标温度时，占空比保持不变同时气室温度保持不变。
同时采样气室20的右侧封装TPS2534双通道热电堆探测器3有两路光强感应窗口，分别封装有相应的窄带滤光片。当红外光源1发射的红外光线通过采样气室20内待测二氧化碳气体后，分别通过中心波长为4μm的参考滤光片5和中心波长4.26μm的测量滤光片4，并由双通道热电堆探测器3进行接收和分析得到两路电信号，电信号经过滤波放大和A/D转换后送到单片机内部再经过上位机传达到终端分析后得到二氧化碳浓度。
由于TPS2534双通道热电堆探测器3对红外光强变化较为敏感，在检测过程中需对红外光源1进行低频率脉冲调制。因此，通过LM358驱动电路实时调制红外光信号，降低外界环境光照的影响，并达到延长红外光源1使用寿命的目的。
所述单片机采用增量式PID算法对采样气室20的温度/湿度进行调节控制；将所设定的目标温度/湿度和当前温度/湿度作为入口参数输人增量式PID算法，由算法计算得出当前单片机输出的PWM增量。
PID算法是目前连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制算法且在实际生活中已经得到了广泛应用。PID算法的原理是控制器通过设定值与实际值的偏差进行控制，将偏差作为输入值然后经过比例、积分、微分线性组合后得到控制器的输出。当输出与设定值仍有偏差时，通过对信号的检测不断传回控制系统从而使实际值越来越接近设定值达到稳定输出的目的。
用u(t)表示系统的输出，e(t)表示温度/湿度控制的差值，则基于PID算法的温度/湿度智能控制系统的公式为：
u(t)＝kp[e(t)-e(t-1)]+kie(t)+
kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]
其中，kp表示比例系数，ki表示积分系数，kd表示微分系数；调节kp可以加快系统的响应速度，调节ki可以消除静态误差和加快响应速度，调节kd可以控制系统的超调量。
在实际应用中只需将目标温度/湿度和当前温度/湿度作为入口参数然后得到它们之间的误差e(t)以及前两个时刻的误差e(t-1)、e(t-2)即可实现PID算法控制。
本发明PID恒温控制原理如图6所示，在PID算法对温度/湿度进行智能控制的过程中，先设定目标温度/湿度，再设定kp、ki、kd，比较设定值与实际值，获得差值并由PID算法计算出增量e(t)(可正可负)，根据增量修改占空比，通过改变kp、ki、kd不断获取温差，则可以将温度和湿度稳定在设定值的一定范围内。
本发明PID算法控制流程如图7所示，初始化并且进行清屏处理、温度采集程序初始化、PID算法程序模块也要初始化设定目标温度以及kp、ki、kd的值，通过while函数一直执行读取温度传感器函数。控制器判断实际温度/湿度与目标温度/湿度是否相等，若实际温度/湿度与目标温度/湿度不同，则继续传回算法中直到实际温度/湿度与目标温度/湿度相等，相等后保持占空比不变。然后判断温度/湿度误差是否在误差范围内，不在误差范围内则继续调控kp、ki、kd的值来使温度/湿度误差在一定范围内。
本发明基于所述的传感器装置提出了一种二氧化碳气体浓度检测方法，流程如图8所示，具体包括：
首先对朗伯-比尔定律进行修正计算出射光光强，修正过后的朗伯-比尔定律表示为
其中I为出射光的光强，I0为入射光的光强，S为非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数，C为气体的浓度，L为红外光穿过气体的有效路径，β1为气体的吸光系数，由气体本身性质所决定，一般为常数；
然后对朗伯-比尔定律积分公式进行修正计算红外光吸收度，修正后的公式表示为
其中A为红外光吸收度，β2为测量通道上的二氧化碳气体在测量通道上的响应系数；最后计算二氧化碳气体浓度公式表示为
本发明提供了一种带恒温恒湿二氧化碳传感器装置及方法，应当指出并不仅仅限于实施方式中所描述的。所以凡依据本发明所描述的原理、构造及方法所做出的变化和改进，均应包括于本发明的申请范围内。
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