一种恒温恒湿二氧化氮传感器装置的制作方法

1.本实用新型属于气体传感器技术领域，具体涉及一种恒温恒湿二氧化氮传感器装置。


背景技术：

2.二氧化氮在臭氧形成的过程中起着重要的作用同时它也是酸雨的成因之一。二氧化氮是一种棕红色气体，有毒且有刺激性。人为产生二氧化氮的途径主要有机动车尾气排放和锅炉废气排放等。因为二氧化氮对于环境有着很重要的作用所以我们国家对于各个行业二氧化氮排放浓度都有标准。
3.目前已有多种测量二氧化氮浓度的方法，主要分为光学法和湿化学法。因为湿化学法是离线方法，无法进行连续测量所以还没有被广泛应用。非色散红外吸收法是利用气体分子对特定波长的红外光吸收关系服从朗伯
‑
比尔(lambert
‑
beer)定律的一种光学法。由于非色散红外吸收法有着实时监测、维护成本低、检测范围广和使用寿命长等优点在气体检测领域被广泛使用。但是在实际测量中，非色散红外检测法极易受到环境的影响，其中湿度和温度两个因素影响尤为明显。
4.当环境温度发生改变时，二氧化氮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，二氧化氮浓度的检测结果就会产生较大的误差。湿度的改变会影响二氧化氮的红外吸收频率。未经处理的二氧化氮气体一般附着水汽，当红外光在通过二氧化氮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，二氧化氮浓度检测结果同样会出现较大误差。湿度因素也会间接导致温度发生变化使二氧化氮本身的光谱特性发生变化。因此本文提出了一种基于非色散红外吸收法的恒温恒湿二氧化氮气体传感器。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种恒温恒湿二氧化氮传感器装置，目的是解决温度和湿度对二氧化氮浓度检测结果的影响，在实际应用过程中实现对二氧化氮传感器高敏感度高精确度检测的要求。
6.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.一种恒温恒湿二氧化氮传感器装置，包括气泵、调节阀、干燥管、旋叶调节阀、储物槽、采样气室、温湿度传感器以及外围电路单元，外围电路单元包括单片机、光源驱动电路、功率放大芯片、继电器驱动电路；
8.采样气室内部为反射式椭圆型结构，气室外围包裹pi加热片及制冷片；气室内壁上设置有红外光源与热电堆探测器，气室设有一通气口；热电堆探测器内设有滤光片；
9.气泵通过调节阀与装有干燥材料的管道相连，装有干燥材料的干燥管的另一端与气室的通气口相连，气室另一端连接有温湿度传感器；装有干燥材料的干燥管有n条，每条干燥管的入口和出口处均设有旋叶调节阀；每条干燥管内部设有储物槽，储物槽内放置有
干燥材料；
10.热电堆探测器、温湿度传感器、光源驱动电路、功率放大芯片及继电器驱动电路均与单片机连接；通过光源驱动电路实时调制红外光信号，通过功率放大芯片驱动pi加热片和制冷片，通过继电器驱动电路控制干燥管入口、出口处的旋叶调节阀开闭。
11.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
12.进一步地，外围电路单元还包括电源电路、交流电源、放大电路、a/d转换电路、无线蓝牙模块和上位机；
13.热电堆探测器产生的电信号通过滤波放大电路和a/d转换电路送到单片机，再经过上位机传达到电脑端进行分析。
14.进一步地，热电堆探测器内设有两种滤光片，一种为中心波长为3.42μm的测量滤光片，另一种为中心波长为4μm的参考滤光片。
15.进一步地，干燥管的数量为3个，且管道的长短不同。
16.进一步地，采样气室内部表面经过打磨和镀金处理，使气室内部反光性能好使得红外光在采样气室内部得到充分反射。
17.进一步地，储物槽有上下两个接口部分，上接口部分与管道相连，下接口部分具有存放功能可进行拆卸；两个接口部分通过螺纹进行连接，当需要拆卸或者安装时旋转即可。
18.进一步地，温湿度传感器(15)型号为sht11；光源驱动电路包含stm32单片机控制自带的dac和运算放大器，光源驱动电路中的运算放大器的型号为lm358；功率放大芯片型号为tb6612fng；a/d转换电路选用ad7794作为主芯片；单片机采用型号为stm32f415的单片机；信号放大电路选用icl7650scba。
19.进一步地，热电堆探测器选用tps2534双通道热电堆探测器，通过光源驱动电路中的dac连接lm358放大驱动信号后实时调制红外光信号延长红外光源使用寿命。
20.本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型采样气室内部为新型发射式椭圆形结构内部经过打磨与镀金，反光性能好，外围包裹pi电热片及制冷片使系统达到恒温效果。椭圆型结构使得红外光在采样气室内部得到多次反射以增加红外吸收路径，使特定波段的红外光强变化更为明显。(2)本实用新型设计一种新型自动恒湿装置，通过驱动继电器打开有不同恒湿效果的管道进行恒湿，将测量二氧化氮浓度时不可控的湿度因素变得可控，大大提高了二氧化氮气体浓度检测的精确度。而且由于储料槽的可拆卸提高装置重复使用度大大节约成本。
附图说明
21.图1是本实用新型的传感器装置采样气室的剖面图。
22.图2是本实用新型的传感器装置中热电堆探测器的两种滤光片示意图。
23.图3是本实用新型的装置结构示意图。
24.图4是本实用新型的旋叶调节阀闭合状态时的主视图。
25.图5是本实用新型的旋叶开放状态示意图。
26.图6是本实用新型的储物槽结构示意图。
27.图7是本实用新型的储物槽中装有无水氯化钙的示意图。
28.图中：1.pi加热片，2.制冷片，3.热电堆探测器，31.中心波长为3.42μm的测量滤光
片，32.中心波长为4μm的参考滤光片，4.红外光源，5.通气口，6.气泵，7.调节阀，8.一号管道，9.二号管道，10.三号管道，11.旋叶调节阀，110.旋叶，111.闭合的旋叶调节阀，112.开放的旋叶调节阀，12.储物槽，120.螺纹，121.上接口，122.下接口，13.无水氯化钙，14.采样气室，15.温湿度传感器，16.管道壁。
具体实施方式
29.现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
30.需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
31.如图1
‑
图7所示，本实用新型提供了一种恒温恒湿二氧化氮传感器装置，包括气泵6、调节阀7、干燥管、旋叶调节阀11、储物槽12、采样气室14、温湿度传感器15以及外围电路单元，外围电路单元包括单片机、光源驱动电路、功率放大芯片、继电器驱动电路、电源电路、交流电源、滤波放大电路、a/d转换电路、无线蓝牙模块和上位机。
32.在恒温方面，本装置在pid恒温控制的基础上设计了一种椭圆型采样气室。采样气室14内部为反射式椭圆型结构，气室14外围包裹pi加热片1用来达到恒温的目的，气室14外围还包裹制冷片2；气室14内壁上左侧设置有红外光源4与热电堆探测器3，气室14设有一通气口5；热电堆探测器3内两路光强感应窗口装有相应窄带滤光片，一种为中心波长为3.42μm的测量滤光片31，另一种为中心波长为4μm的参考滤光片32。由于二氧化氮气体吸收波长为3.42μm，因此二氧化氮测量气体能够通过测量滤光片31，而不能够通过参考滤光片32，但是两种滤光片都会受到温度等环境因素的影响，两者信号差分或者比例处理可以去除温度等因素的影响，有助于提供测量精度。
33.红外光在椭圆型采样气室14内部通过不断反射后到达热电堆探测器3，得到参考通道和测量通道两路电信号，信号经过滤波放大和a/d转换之后被送到单片机内部通过上位机传送到电脑上。
34.气泵6通过调节阀7与装有干燥材料的管道相连，装有干燥材料的干燥管的另一端与气室14的通气口5相连，气室14另一端连接有温湿度传感器15；装有干燥材料的干燥管有n条，每条干燥管的入口和出口处均设有旋叶调节阀11；每条干燥管内部设有储物槽12，储物槽12内放置有干燥材料，无水氯化钙13作为干燥材料，调节待测气体湿度。
35.热电堆探测器3、温湿度传感器15、光源驱动电路、功率放大芯片及继电器驱动电路均与单片机连接；通过光源驱动电路实时调制红外光信号，通过功率放大芯片驱动pi加热片1和制冷片2，通过继电器驱动电路控制干燥管入口、出口处的旋叶调节阀11开闭。
36.本实用新型选取目前较为成熟的pid算法对采样气室14内的温度进行智能控制，选用以tb6612fng功率放大芯片为核心的驱动电路。第一步设置目标温度，sht11温湿度传感器15会实时采集采样气室14的温度信息将设定的目标温度与实际温度的差值作为反馈电路的输入值。第二步由控制算法得到系统的控制量。第三步由控制量判别使stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动pi电热片1加热升温或者制冷片2进行降温。温度差值会作为输入温度值经过积分、比例和微分线性组合后得到控制器的输出温度。输出温度会再次与目标温度进行比较，当温度差值还没有达到理想时会将信号不断传回控
制系统从而使实际温度控制在设定温度范围内并保持稳定。
37.基于pid算法的温度智能控制系统的公式为：
38.u(t)＝k
p
[e(t)
‑
e(t
‑
1)] k
i
e(t) k
d
[e(t)
‑
2e(t
‑
1) e(t
‑
2)]
[0039]
其中，用u(t)表示系统的输出，e(t)表示温度控制的差值(可为正也可为负)，k
p
表示比例系数，k
i
表示积分系数，k
d
表示微分系数。
[0040]
其中，所述红外光源4为直径3mm的白炽灯hsl
‑
115
‑
s，其辐射波长覆盖范围从可见光到5μm，包含二氧化氮气体特征吸收峰值。所述双通道热电堆探测器3为德国perkinelmer公司生产的tps2534，有两路光强感应窗口，分别封装有相应的窄带滤光片。所述测量滤光片中心波长为3.42μm。所述滤波放大电路为仪表放大器。所述a/d转换器采用ad7195。
[0041]
在恒湿方面，本系统采用无水氯化钙13作为恒湿材料，恒湿部分做三个不同长度的干燥管，干燥管内加入不同重量的无水氯化钙13以达到不同的恒湿效果。每个干燥管进、出气口装有由继电器控制的旋叶110。为了恒湿效果的稳定性在干燥管底部设计有可更换无水氯化钙13的装置，该装置在干燥管底部安装一个可拆卸的储物槽12用来存储无水氯化钙13，该储物槽12可拆卸通过增减恒湿材料满足不同恒湿要求并且当恒湿材料因为重复使用而达不到恒湿的预期目标时可通过进行更换恒湿材料解决。
[0042]
恒湿部分同样选取pid算法对采样气室内的湿度进行智能控制，第一步设置目标湿度，sht11温湿度传感器15会实时采集采样气室的湿度信息将设定的目标湿度与实际湿度的差值作为反馈电路的输入值。第二步由控制算法得到系统的控制量。第三步由控制量进行判别，当实际湿度与目标湿度的湿度差值符合一号干燥管干燥范围时stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动继电器打开一号干燥管进、出口旋叶；当实际湿度与目标湿度的湿度差值符合二号干燥管干燥范围时stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动继电器打开二号干燥管进、出口旋叶110；当实际湿度与目标湿度的湿度差值符合三号干燥管干燥范围时stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动继电器打开三号干燥管进、出口旋叶110。当湿度差值还没有达到理想时会将信号不断传回控制系统从而使实际湿度控制在设定湿度范围内并保持稳定。
[0043]
其中，所述红外光源4选择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。所述探测器3选用了德国的海曼hc热电堆探测器hts
‑
e21 f3.91/f4.64。
[0044]
在本实用新型的一个实施例中，温湿度传感器15型号为sht11，光源驱动电路包含stm32单片机控制自带的dac和运算放大器，光源驱动电路中的运算放大器的型号为lm358，功率放大芯片型号为tb6612fng为核心的驱动电路，a/d转换电路选用ad7794作为主芯片，单片机采用型号为stm32f415的单片机，信号放大电路选用icl7650scba。热电堆探测器3选用tps2534双通道热电堆探测器3，通过光源驱动电路中的dac连接lm358放大驱动信号后实时调制红外光信号。
[0045]
首先我们在单片机mcu按键上输入所需的目标温度及目标湿度，开启气泵6后通过减压阀输出不同浓度的二氧化氮气体。sht11温湿度传感器15会实时采集气体的温、湿度信息并且通过无线蓝牙模块传输到手机端显示，并将实际温、湿度与设定的目标温、湿度进行比较，将设定的目标温度与实际温度的差值作为反馈电路的输入值。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tb6612fng芯片驱动pi加热片1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tb6612fng芯片驱动制冷片2进行散热。同时监测湿度信息，当实际湿度与目标湿度的湿度差值符合一号干燥管恒湿范围时stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动继电器打开一号干燥管进出口旋叶110；当实际湿度与目标湿度的湿度差值符合二号干燥管恒湿范围时stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动继电器打开二号干燥管进出口旋叶110；当实际湿度与目标湿度的湿度差值符合三号干燥管干燥范围时stm32单片机输出占空比可变的pwm信号给tb6612fng芯片驱动继电器打开三号干燥管进出口旋叶110。同时采样气室14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4发射的红外光线通过采样气室14内待测二氧化氮气体后，分别通过中心波长为4μm的参考滤光片和中心波长3.42μm的测量滤光片，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电脑端进行分析后可以得到二氧化氮浓度。
[0046]
如图3所示，装置通过在管道进、出气口设置旋叶调节阀11来控制二氧化氮气体流向，当实际湿度与目标湿度差值符合一号管道8时单片机驱动继电器开启一号管道8的进、出口旋叶110从而使二氧化氮通过一号管道8进行恒湿，而此时二号三号管道10进出口旋叶110是闭合状态；需使用二号管道9时单片机驱动继电器开启二号管道9进、出口旋叶110，一号管道8与三号管道10旋叶110关闭；需使用三号管道10时同理。如图6所示，为了稳定恒湿效果和提高装置的重复利用度，本实用新型对装置的管道进行改造，在管道下方增设一个储物槽12存放恒湿材料。储物槽12有上下两个接口部分，上接口121与干燥管道相连，下接口122具有存放功能可进行拆卸。为了管道的密封性两个接口部分通过螺纹120进行连接当需要拆卸或者安装时旋转即可。
[0047]
本装置采用热电堆探测器3。探测器3上的测量滤光片31是二氧化氮气体分子能够吸收的3.42μm波长的光能通过，且由hitran数据库可知，二氧化氮对3.42μm波段的红外光强烈吸收。
[0048]
本实用新型二氧化氮气体浓度测量方法采用现有常用的测量方法，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：
[0049]
i＝i0×
((1
‑
s)
×
e
‑
βcl
s)
[0050]
其中，s：非吸收波段占检测通道入射光范围的比例系数，i0：入射光的光强，i：表示出射光的光强，c：气体的浓度，l：红外光穿过气体的有效路径，β：气体的吸光系数。
[0051]
最终浓度测量结果由wifi模块采用无线传输技术在手机端上进行显示。
[0052]
本实用新型可实现对采样气室内温度的控制还可以对二氧化氮气体浓度信号进行实时采集。
[0053]
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。