本发明专利技术涉及成分检测领域，为一种以DSP为核心的不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，包括DSP芯片、红外信号调理电路、24位ADC转换电路、温度采集电路及气压采集电路、16位ADC转换电路、外扩SRAM电路、铁电存储器电路、实时时钟电路、带看门狗和电源监控的复位电路、热电阻驱动电路、按键电路、数字量输出电路、RS-232/485接口、液晶显示电路、4～20mA/0～20mA输出电路以及软件。采用基于FFT的频谱分析方法求解信号的幅值，并进行重心校正，准确测量信号的幅值，保证信号处理的精度；建立满足工程应用需要的数学模型，对输入和输出关系进行非线性校正；采用基于PWM的积分分离的PI控制算法进行温度控制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及成分检测领域，为不分光红外气体分析仪，特别是一种以DSP为核心的不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统。
技术介绍
红外气体分析仪是一种根据待测气体对红外光谱选择性吸收原理设计而成，用于测量气体体积浓度的仪器。它能够连续自动地测量、指示、记录工作流程中co、co2、ch4、so2、NO等多种待测气体的体积浓度。由于红外气体分析仪灵敏度高、稳定性好等诸多优点，因 此被广泛应用于电力、石油、化工、建材、轻工及其它各种炉、窑或烟道的气体分析，是环境监测、生物工程、医疗卫生等科研工作不可或缺的检测工具。红外光线是一种电磁波，红外辐射主要是热辐射。如果将红外光线射入一定厚度的待测气体层，红外光线的能量就会被待测气体吸收。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，待测组分按照指数规律对红外辐射能量进行吸收，如式(I)所示。据此，可以确定待测气体浓度与红外光线辐射强度的数学关系。采用检测器检测被气体吸收之后的红外光线辐射强度，即可计算出待测气体的体积浓度。I = I0e_ko1(I)式中，Itl为红外光线被气体吸收前的光强度；1为红外光线被气体吸收后的光强度；k为待测组分对红外光线的吸收系数；c为待测组分的摩尔百分比浓度；1为红外光线经过的待测气体层长度。近代物理学研究证明，待测气体对红外光线吸收现象的实质在于光辐射的能量转移到气体的分子或原子中去。量子理论指出，原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的量子化能级。如果从外界吸收到能量，它们便会受到激发，从较低能级跃迁到较高能级，跃迁前后的能量之差为 heE7-E1 = hv = —{Ζ) ~ λ式中，E2为较高能级的能量屯为较低能级的能量；ν为辐射光的频率；c为光速；h为普朗克常数。如果某一波长的电磁辐射的能量恰好为某两个能级的能量之差E2-E1时，便会被某种粒子吸收并产生相应的能级跃迁，该电磁辐射的波长和频率分别称为该粒子的特征吸收波长和特征吸收频率。对于红外气体分析仪来讲，每种被测气体都有一种或几种特征波长的红外光谱。红外气体分析仪一般由光路部分和电路部分构成。光路部分主要由红外辐射光源、气室和检测器三大部件组成，而电路部分要根据光路部分的需求来进行设计。所以，红外气体分析仪一般都是根据其光路部分部件的结构特点进行分类的。根据光源类型可以将红外气体分析仪分为分光型(色散型)和不分光型(非色散型)两类。分光型红外气体分析仪，采用分光装置将入射红外光线的光谱进行分离，使入射光谱为待测气体的特征吸收光谱。分光型红外分析仪具有选择性好、灵敏度高等优点。其缺点是入射红外光线经过分光后能量很小，对电气系统和光能检测器要求较高；分光装置比较精密，应避免震动。因此传统的分光型红外气体分析仪大都用于实验室。不分光型红外气体分析仪(简称为不分光红外气体分析仪)，没有分光装置，连续光谱的红外光源直接射入气室，待测组分吸收各自特征光谱的红外辐射能量。由于入射光束辐射能量大，不分光型红外气体分析仪灵敏度相对于分光型的更高，而且信噪比高，稳定性好。缺点是吸收峰存在重叠现象，如果待测组分间有重叠的吸收峰，将会给测量带来干扰。目前，红外气体分析仪常用的光能检测器主要有薄膜电容检测器、微流量检测器和半导体检测器等。薄膜电容检测器，又叫薄膜微音检测器，核心部件由钛金属薄膜片动极和定极组成，定极固定不动，动极则根据气压变化而移动。由于待测气体的吸收作用，从气室射出的红外光线辐射能量就会出现差异。红外辐射能量是热能，检测器很容易将这个能量差转换为气压差，气压差就会推动薄膜电容的动极移动，这样就可以将待测气体浓度的变化转化为电容容量的变化。电路部分将薄膜电容容量的变化转换成电压幅值的变化，反映出待测气体的浓度。 微流量检测器工作原理与薄膜电容检测器类似，待测气体对红外光线的吸收作用会产生气压差，检测器将这个气压差转换为微量的气体流动。在微流量检测器中，传感元件是两个微型具有热敏特性的镍镉栅电阻和另外两个辅助电阻组成的惠斯通电桥。这两个镍镉栅电阻通电被加热到一定温度，当微流量流过它们时会带走热量，导致镍镉栅电阻的阻值发生变化，通过电桥转变成电压信号。红外气体分析仪的电路部分，根据微流量传感器输出的电压信号，可以反映出待测气体的浓度。半导体检测器采用能够直接将红外光线辐射强度转换为电信号的半导体传感器制作而成。例如，光电检测器能够利用光电效应将红外光线辐射强度转化为电信号，热释检测器通过热释电效应将红外光线辐射强度转化为电信号，进而来计算待测气体的浓度。本申请专利技术专利针对薄膜微音不分光红外气体分析仪。该仪器由不分光红外光源、薄膜微音型检测器(薄膜电容检测器)、测量池(包括分析气室和参比气室)以及接收器(包括参比接收室和测量接收室)等组成。由光源发出两束能量相等，经过切光片按照一定频率调制的平行光束，分别通过测量池的参比气室和分析气室。由于参比气室内封入的是不吸收红外线能量的氮气，红外线通过此气室后红外线能量不变，而分析气室通入被测气体，其对红外线有吸收作用，从而使原来能量相等的两束红外线产生了能量差；然后，再分别进入接收器的参比接收室和测量接收室。参比接收室和测量接收室都由前室和后室组成，前室和后室通过半透半反的光学镜片隔开，都充有吸收气体，吸收气体的吸收曲线近似于被测气体的消光曲线。由于进入接收器的两束红外线存在能量差，因此导致接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量产生了差异，进而产生气压不同，从而推动薄膜电容的动极移动，导致薄膜电容的容量发生变化，这样薄膜电容器就将红外线的能量变化转换成了电容量的变化，再通过电荷放大器转换成电压的变化，送至红外信号调理电路，经放大滤波等各种处理，仪器就能输出一个与被测气体浓度变化相对应的信号，供显示或控制。如果分析气室中没有通待测气体(零点气)时，红外线经过分析气室后，能量不会衰减，两束红外线能量相同，薄膜电容的容量不会发生改变。而当分析气室中通有待测气体时，红外线的能量就会衰减，两束红外线存在能量差，导致接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量产生了差异，进而产生气压不同，从而推动薄膜电容的动极移动，最终导致薄膜电容的容量发生变化。如果分析气室中连续通过一定浓度的待测气体，红外光线经过分析气室时辐射能量就会被连续地吸收。这样，由接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量的不同而产生的薄膜电容的容量变化就与分析气室中待测气体的浓度有关。目前，国内用于在线分析的红外气体分析仪，光路部分大都采用成熟的传统技术，光源选用不分光单光源，光路为双光路结构，检测器用薄膜电容型检测器，而电路部分采用纯模拟的相敏检波电路，将检测器输出的交流信号转化为直流信号进行采集处理，得到信号的幅值，再通过模拟电路实现系统的线性化，建立幅值与浓度的关系。采用这种方法的电路在结构上往往比较复杂，而且测量精度不高，容易受噪声的干扰。国外将数字信号处理的方法应用到红外气体分析仪中，测量精度比较高，可以实现复杂的实时控制与通信功能。例如，ABB公司推出的改进型产品EL3020型红外气体分析仪，声称将数字信号处理的方法应用到红外气体分析仪中，但是，没有披露技术细节。·
技术实现思路
传统的红外气体分析仪一般采用相敏检波方案，使用纯模拟电路处理传感器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，包括DSP芯片、红外信号调理电路、电压参考缓冲电路、24位ADC转换电路、温度采集电路、气压采集电路、16位ADC转换电路、外扩SRAM电路、铁电存储器电路、实时时钟电路、带看门狗和电源监控的复位电路、热电阻驱动电路、按键电路、数字量输出电路、RS？232/485接口电路、液晶显示电路、4～20mA/0～20mA输出电路和软件，其特征在于：红外信号调理电路对红外信号放大和滤波，然后，经过24位ADC转化为数字信号送入DSP芯片进行处理，计算结果可以通过液晶显示电路、4～20mA/0～20mA输出电路、RS？232/485接口电路输出；采用基于FFT的幅值谱的方法，对数字信号进行处理，具体过程为，信号经过矩形窗，被矩形窗截断；然后，对截断的数据进行FFT计算，并得到幅值谱；再进行频率校正和幅值校正，得到信号的幅值。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，张玉超，陈桄红，陶波波，王刚，朱仲文，胡体宝，
申请(专利权)人：合肥工业大学，重庆川仪自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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