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红外气体传感器(3)

 

 

  6. 供电电压(Power Supply)

  定义:

  给NDIR传感器的红外光源、探测器和放大电路供电的直流电压。现在有些NDIR传感器模块可以做到宽电压输入了,例如诺联芯出品的LARK-1 系列的产品,可以做到9 – 32VDC输入。

  红外光源是一直点亮的吗?

  红外光源不是一直点亮的。红外光源是一闪一闪的,每次闪烁的时候,需要给红外光源供电。供电方式分为恒压、恒流和恒功率三种,恒压电路最简单,恒功率最复杂。

  红外探测器供电电压有多高?

  这根据传感器厂家所选的红外探测器类型而定。探测器类型主要有热电堆和热释电两种。红外探测器是无源器件,实质上是一个温度传感器。热释电探测器的信号比热电堆的信号大一个数量级,价格也会比热电堆探测器高一个数量级。

  放大电路的电压是多少伏呢?

  放大电路的电压取决于运放的工作电压范围。有的运放工作范围很宽,一般3.3 — 5V都可以工作的,也有正负电源供电的放大电路。

  7. 功耗(Power Consumption)

  定义:

  NDIR红外传感器的功耗主要消耗在红外光源上,探测器和放大电路的功耗和红外光源比起来小一个数量级的。无论用钨丝灯还是MEMS红外光源,其功耗也就只有零点几瓦。

  红外传感器功耗是恒定不变的吗?

  不是的。当红外光源点亮的时候,是峰值功率,当红外光源熄灭的时候是谷值功率。下面是LARK-1 整个模块的功耗,在不同的电压供电的情况下,功耗稍有差别。总体来说,电压越高,总体功耗越大。所以,我建议用9V给LARK-1供电,这时功耗比较小。因为LARK-1是宽电压输入,所以客户可选择的电源方式比较随意。

  

 

  还需要注意一点,LARK-1配有专用的光路加热电路,用软件命令可以控制加热电路的开和关,加热功率大约0.4 – 0.5W。

  放大电路的功耗大概有多少?

  放大电路的功耗主要消耗在运放上,一般来说电流只有几个mA。如果是5V供电,5mA电流,那么功耗就是5V*5mA=25mW。如果是3级放大,那么还要乘以3,即25mW * 3 = 75mW。

  8. 分辨率(Resolution)

  定义:

  分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数。分辨率和灵敏度和噪声相关,类似电子技术里面的一个参数——信噪比。计算公式是:分辨率 = 3 * 信号标准差/灵敏度,写成英文表达式就是Resolution = 3 * STDEV / Sensitivity。

  NDIR传感器的分辨率和最低检测限一样吗?

  不一样。电化学和催化燃烧传感器的分辨率约等于最低检测限,因为他们的信号大小和被测气体浓度是线性的。而NDIR则不同。NDIR传感器的灵敏度在不同浓度下是不一样的,零点时最高,满量程时最低。另外,不同浓度下的噪声水平却是接近的。因此,根据分辨率的公式,NDIR传感器在零点时分辨率最好,即最小,相反,在满量程的时候最差。

  相同尺寸的红外传感器,测不同的气种,分辨率一样吗?

  不一样。不同气种的NDIR传感器分辨率和气体吸收红外光的能力相关。同样是1000PPM的甲烷CH4、二氧化碳CO2和六氟化硫SF6,所造成的红外光吸收排序为:SF6 > CO2 > CH4。下面是三种气体红外吸收峰的图。

  注:波长λ(单位:um)和波数Wavenumber (单位:cm^-1)之间的换算方法是:

  Wavenumber = 1/λ *10000

  

 

  CH4的红外吸收光谱(cm^-1)

  

 

  CO2的红外吸收光谱(cm^-1)

  

 

  SF6的红外吸收光谱(cm^-1)

  虽然吸收峰的宽度有宽有窄,宽的容易测,窄的不容易测,但是这三种气体的红外吸收波长不同,CH4的吸收波长最短,SF6的吸收波长最长,所以不能简单地认为SF6传感器最容易,CH4传感器最难。事实上CH4传感器是最难设计的。

  工业安全级的NDIR传感器分辨率标准是多少?

  现在市面上最常见的NDIR传感器是CH4和CO2的。CH4传感器可以接受的分辨率为500PPM,即1%LEL;CO2传感器可以接受的分辨率为100ppm。高端的需求,检测CH4泄露的传感器分辨率需要在25ppm以下,检测尾气排放CO2的传感器分辨率需要1ppm。

  LARK-1的分辨率是怎样的呢?

  LARK-1在零点附近能够做到分辨率20ppm/Sec CH4。

  

 

  您也许会问,这个ppm/Sec是什么意思啊?是这样理解的——当一个传感器每秒输出一个读数的时候,连续取60秒的数据,用公式Resolution = 3 * STDEV/Sensitivity所得到的分辨率,单位就是ppm/Sec了。根据统计学知识,如果传感器的输出经过了多秒的滑动移动平均,那么分辨率会得到改善,但那是权宜之计,并不是传感器设计的最高境界。最高境界是不做滑动移动平均,不做软件滤波,读数直接输出给用户,让用户自己决定滑动移动平均的窗口宽度。LARK-1就是这样做的。

  利用滑动移动窗口改善分辨率的例子

  

 

  9. 暖机时间(Warmup Time)

  定义:

  传感器能够达到规格书所写性能范围的上电时间。

  暖机时间短和暖机时间长对性能有什么影响?

  暖机时间短,传感器内部温度还处于上升的过程中,并未平衡,所以此时的测量数据精度稍差。等传感器温度平衡了,就能达到更好的精度。工业安全领域用的NDIR传感器暖机时间比较短,1分钟之内都能正常检测。高精度、高分辨率仪表所用的传感器,暖机时间就比较长了,基本上都要30分钟以上。下面是LARK-1在上电的一小时内读数的表现。可以看出,在上电的半小时内,读数下降是比较快的,但0.5 – 1.0小时,读数相对就比较稳定了。在半小时之后标定零点,就能获得相对比较准的读数了。

  

 

  暖机还有什么好处?

  暖机还可以驱除光路内的凝露。在一些湿度高的环境中,如果NDIR传感器存放时间长了,光路内会结露。上电后,温度上升,凝露会慢慢减退,达到规格书所规定的检测精度。

  如果有凝露,传感器读数是高还是低?

  会偏高,甚至满量程报警。随着凝露慢慢蒸发,读数会慢慢降下来。还有一个办法去除凝露,那就是用干燥的气体吹扫传感器的光学腔体,这种效果最好。例如:LARK-1测量中可以接受的流量是300 – 800ml/min。

  10. 温度范围(Operating Temperature Range)

  定义:

  NDIR传感器能够保证精度的温度范围,用℃来定义。

  不同的测量标准所需要满足的温度范围各是多少?

  仅针对测量甲烷CH4。中国煤安标准所规定的温度范围较窄,0℃——40℃。中国消防认证所规定的温度范围较宽,-40℃——70℃。美国加拿大的CSA标准规定的温度范围居中,-25℃——55℃。

  超过传感器规格书所规定的范围,传感器会坏吗?

  不会。NDIR传感器所用的电子元件一般都能覆盖-40℃——85℃。但结构件则不同,如果材料选择不当或多种材料配合不当(主要是热膨胀系数),传感器会造成永久损坏。所以,在选择NDIR传感器之前,请询问供应商。

  如果希望使用温度范围宽的传感器,该怎么办?

  1. 首先要选择在宽温度范围内不会损坏的NDIR传感器。

  2. 电子元件选择温度范围宽的,而且温漂小的。

  3. 自己设计补偿软件和算法。

  11. 湿度范围(Operatung Humidity Range)

  定义:

  NDIR传感器能够保证精度的湿度范围,一般以相对湿度%RH来定义。

  如果湿度高,传感器会损坏吗?

  如果NDIR传感器在工作状态,高湿度不会损坏传感器,因为传感器的热量会减少冷凝水。如果传感器不在工作状态,高湿度就很可能损坏传感器。因为高湿度会造成传感器内部冷凝水,使电子元器件短路并损坏。

  湿度高对传感器读数会有什么影响?

  在高湿度的情况下,如果是测CH4,读数一般都会偏高一点。下面是20℃和不同湿度组合时,甲烷读数的偏高值。

  LARK-1对不同湿度的N2的读数 @ 20℃

  

 

  LARK-1对不同湿度的1000ppm CH4的读数 @20℃

  

 

  从上面的两个表可以看出,当温度湿度一定时,湿度所带来的读数误差几乎是恒定的。也就是说,只要零点是带恒定湿度标定的,那么通入相同湿度的CH4之后,误差还是相当小的。

  什么应用场合会有高湿度?

  几乎在所有的人类生活的环境里,都存在湿度。湿度特别高的情况包括:地下煤矿、地下管廊、夏天的雨后、热带雨林地区。NDIR传感器用在这样的环境,最好考虑除湿。

  12. 压力范围(Operating Pressure Range)

  定义:

  NDIR传感器能够工作的压力范围。一般以大气压来定义。

  NDIR传感器能够承受的压力范围有多大?

  只要传感器内的红外光源和探测器不损坏,NDIR传感器就能用。按照经验,0.5个大气压到2个大气压都能够使用。

  如果传感器工作在较高或较低的压力范围,传感器精度能够保证吗?

  不能保证。当气压改变时,虽然相对浓度不会变,但气体的绝对浓度会改变,因此传感器的读数也会相应改变。绝对浓度的概念就是:1立方米的体积中有多少个被测气体的分子。如果软件的算法不变的话,压力高时,读数会高,压力低时,读数会低。但读数和压力并不会呈线性。

  NDIR传感器对气体流量大小有要求吗?

  基本没有。流量大小只会改变传感器的响应时间,改变读数非常少。下面是LARK-1在不同流量下通入500ppm CH4的读数曲线。

  

 

  待续...

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