【经验】对红外（IR）气体传感器进行线性化、温度补偿和校准所需的信号处理，以及确定目标气体浓度所需的计算方法

时间： 2019-08-15 来源：SGX（Amphenol sensors旗下品牌）

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本文描述了对所有SGX（AMPHENOL SENSORS旗下品牌）红外（IR）气体传感器进行线性化、温度补偿和校准所需的信号处理，以及确定目标气体浓度所需的计算。需要外部电路/软件来处理信号并将校准信息存储在存储器中。

传感器输出

气体传感器的输出信号包括:

1.有源检测器:与灯脉冲频率相同的正弦输出。当目标气体存在时，该信号的振幅减小。

注:双气体器件(如IR15TT)有两个有源检波器输出。

2.参考检波器:与灯脉冲频率相同的正弦输出。该探测器可在一定程度上补偿光源强度、光降解和温度的变化。该装置的振幅不会因靶气体的影响而发生任何变化。

注:单通道设备(如IR31SC)不可用。对于这些设备，使用值1.00作为所有计算的“Ref”值。

3.热敏电阻:与设备温度有关的输出，需要进一步线性化。

注:并非所有传感器都可用。

4.温度传感器:与设备温度相关的线性直流输出。

注:并非所有传感器都可用。

目标气体浓度计算概述：

必须不断监测有源和基准探测器的输出，以获得它们的峰值到峰值的输出。目标气体浓度是根据每隔一定时间(即每秒)执行的这些输出(通常为平均)的比率计算出来的。安装传感器时，需要计算零点和跨度值(校准)，这些值必须存储在非易失性内存中，以备将来使用。线性化是在计算过程中使用的“a”和“n”系数(见附录G)，并基于比尔-朗伯定律。以下信息显示了确定目标气体浓度的步骤说明。为了消除温度的影响，需要进行补偿。这是根据传感器输出测量值(称为alpha补偿)计算的归一化比率，以及在校准过程中获得的跨度(称为beta补偿)来执行的。

注：

注:正常化比率= Act / (Zero x Ref)

标准吸光度= 1 - (Act / (Zero x Ref))

alpha补偿可用于在浓度范围内提高准确度。

图1所示为确定CO2和碳氢化合物装置温度补偿目标气体浓度的过程。

图1 温度补偿要求

图2 信号处理流程图

校准：

红外气体传感器校准程序计算目标气体浓度计算过程中使用的“Zero”和“Span”。这些值必须存储在非易失性内存中(因此当设备断电时这些值仍然保留)。校准时的温度(Tcal)必须测量并与零和跨距读数一起存储在非易失性存储器中，以便将来在计算温度补偿时使用。

a.)计算“Zero”

当气体传感器暴露在零测试气体(即氮气)下，而目标气体不存在时，进行以下计算。

Zero = Act / Ref

Act =零测试气体中有源检测器的峰值对峰值输出，单位为伏特。

Ref =基准检测器在零测试气体中的峰值到峰值输出，单位为伏特。

b.)计算“Span"

当气体传感器暴露于校准测试气体中时，进行以下计算。

Span = [1 - Act / (Zero x Ref)] / [1 - exp(- aCⁿ)]

注：

Act =在校准测试气体中，有源检测器的峰值到峰值输出电压，单位为伏特。

Ref =基准检测器在校准测试气体中的峰值到峰值输出，单位为伏特。

Zero =在此校准程序期间计算的“Zero”值(存储在非易失性内存中)。

a =固定线性化系数(见附录G)。

C =所应用的校正测试气体的浓度，以体积百分比计算(即5%体积= 5)。

n =固定线性化系数(见附录G)。

温度补偿：

利用有源信号和检测器信号的比值，除了独立于灯的强度外，还提供了一定程度的温度补偿。然而，温度对探测器信号的影响是复杂的，并且在不同的传感器类型之间有所不同。

对油气通道的主要影响是表观零度随温度的变化，利用温度补偿来补偿。如果不加以纠正，这将导致基线随温度升高而发生几乎线性的正偏移。对CO2通道的主要影响是明显的跨距随温度的变化，通过温度补偿得到补偿。

建议将系数和系数分成两个范围，假设Tcal值接近20℃:

1.负(Tcal)温度补偿(“alphaneg”和“betaneg”)

2.正(Tcal)温度补偿(“alphapos”&“betapos”)

a.)alpha温度补偿

alpha系数既可以作为实验测试得出的固定系数输入，也可以在软件中(仅HC设备)“交互地”重新计算，以确保alpha系数中的传感器到传感器的变化最小化(参见下面的交互alpha计算方法)。

正常化比_(comp) =正常化比x(1 +α(T - T_cal))

注：

标准化比率= Act / (0 x Ref)

Act =有源探测器的峰值到峰值输出电压，单位为伏特。

Zero =在校准过程中计算出的“Zero”值(存储在非易失性内存中)(参见上面的校准)。

Ref =参考检测器的峰值到峰值输出，单位为伏特。

系数α=“阿尔法",“alphapos”或“alphaneg”(见附录G),

T =传感器实际测得的温度，单位为开尔文。

T_cal=在校准过程中测量的温度(存储在非易失性存储器中)，单位为开尔文。

b.)Beta温度补偿

温度补偿与“跨度”随温度的明显变化有关。系数作为一个固定值输入。

跨度_(comp)=Span+(βx (T - T_cal/ T_cal))

注:

Span =在校准过程中计算的“Span”值(存储在非易失性内存中)。

β=“测试版”系数,“betapos”或“betaneg”(见附录G)。

T =传感器实际测得的温度，单位为开尔文。

T_cal =在校准过程中测量的温度(存储在非易失性存储器中)，单位为开尔文。

c.)计算目标气体浓度

C = (- ln[1 -((1 -正态比率_(comp)) /跨度_(comp))] / a)^{(1 / n)}

注：

a =固定线性化系数(见附录G)。

n =固定线性化系数(见附录G)。

要使该方程成立，“(1 -正常化比率_(comp))”的值必须为正。

如果得到负值，则在需要时执行以下操作:

(1)将(1 -标准化比率(comp))转换为正值(即乘以“- 1”，即模量)。

(2)正常计算确定浓度。

(3)显示浓度为负值(即乘以“-1”)。

这与下式相同:

C =-((ln[1 -((1 -正常比率_(comp)) /跨度_(comp))] /a)^{(1 / n)})

附录G：

图3 附录G

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