作者：Robert Lee and Walt Kester

非色散紅外（NDIR）光譜通常用于檢測氣體和測量二氧化碳（例如，一氧化碳和二氧化碳）的濃度。紅外光束穿過采樣室， 樣品中的每個氣體成分吸收一些特定的頻率 的紅外線。通過測量吸收的紅外量在適當(dāng)?shù)?頻率，可以確定氣體成分的濃度。這 據(jù)說技術(shù)是非色散的，因為通過的波長 通過取樣室不預(yù)過濾，而是用濾光片 在探測器前面消除除波長以外的所有光，其中 選定的氣體分子可以吸收。

圖1所示電路是基于熱電堆的完整氣體傳感器 使用 NDIR 原則。該電路針對 CO2 檢測進(jìn)行了優(yōu)化，但可以 還可以通過以下方式精確測量大量氣體的濃度 使用帶有不同濾光片的熱電堆。

印刷電路板 （PCB） 采用 Arduino 屏蔽外形設(shè)計 以及與EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平臺板的接口。 信號調(diào)理通過AD8629和低噪聲放大器ADA4528-1以及ADuCM360精密模擬微控制器實現(xiàn)。 包含可編程增益放大器、雙通道 24 位 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和 ARM Cortex-M3 處理器。

熱電堆傳感器由大量熱電偶組成 通常串聯(lián)連接，或者不太常見的是并聯(lián)連接。輸出 串聯(lián)熱電偶的電壓取決于溫度 熱電偶結(jié)和基準(zhǔn)電壓源之間的差異 結(jié)。這個原理被稱為塞貝克效應(yīng)，因為它的發(fā)現(xiàn)者， 托馬斯·約翰·西貝克。

該電路使用運(yùn)算放大器AD8629來放大熱電堆傳感器 輸出信號。熱電堆的輸出電壓相對較?。◤?數(shù)百微伏到幾毫伏）需要高增益，非常 低失調(diào)和漂移，避免直流誤差。高阻抗（通常 84 kΩ）的熱電堆需要低輸入偏置電流，以最小化 誤差，AD8629偏置電流典型值僅為30 pA。非常低 隨時間和溫度的漂移消除了額外的誤差，一旦 溫度測量已校準(zhǔn)。脈沖光源 與 ADC 采樣速率同步，最大限度地減少了由以下原因引起的誤差 低頻漂移和閃爍噪聲。

AD8629在1 kHz時僅具有22 nV/√Hz電壓噪聲頻譜密度， 小于37 nV/√Hz的熱電堆電壓噪聲密度。

AD8629還具有5 fA/√Hz的極低電流噪聲頻譜密度 典型頻率為 10 Hz。該電流噪聲流過84 kΩ熱電堆 在 10 Hz 時僅貢獻(xiàn) 420 pV/Hz。

圖1.NDIR氣體傳感電路（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）電路說明。

200 mV共模電壓由低噪聲放大器緩沖 ADA4528-1，NTC和熱電堆信號輸出符合要求 ADuCM360緩沖模式輸入—AGND + 0.1 V至大約 AVDD ? 0.1 V，用于ADuCM360 ADC緩沖模式輸入。CN-0338 Arduino 屏蔽板可與其他類型的 Arduino 兼容 僅具有單輸入ADC的平臺板。

電路斬波頻率可為0.1 Hz至5 Hz，由軟件選擇。 低壓差穩(wěn)壓器ADP7105產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V輸出電壓 驅(qū)動燈，并由ADuCM360打開和關(guān)閉。軟啟動 ADP7105的特性消除了冷啟動時的浪涌電流 燈。

ADuCM360內(nèi)置雙通道、24位Σ-Δ型ADC，用于同步采樣 雙元件熱電堆，可編程速率為 3.5 Hz 至 3.906 kHz。 NDIR 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率限制在 3.5 Hz 至 483 Hz 之間，以獲得最佳效果 噪聲性能。

熱電堆檢測器工作原理

要了解熱電堆，回顧基本理論是有用的 的熱電偶。

如果兩種不同的金屬在高于絕對零度的任何溫度下連接， 它們之間存在電位差（它們的熱電電動勢或 接觸電位），這是結(jié)溫的函數(shù) （參見圖2中的熱電EMF電路）。

如果兩根導(dǎo)線在兩個地方連接，則形成兩個結(jié)（請參閱 連接到圖2中負(fù)載的熱電偶）。如果兩個交匯點(diǎn)位于 不同的溫度，電路中有一個凈電動勢，電流流動 由EMF和電路中的總電阻決定（見圖2）。 如果其中一根導(dǎo)線斷斷，則斷線兩端的電壓等于 電路的凈熱電電動勢，如果測量該電壓，它可以 用于計算兩個結(jié)點(diǎn)之間的溫差 （參見圖2中的熱電偶電壓測量）。記得 熱電偶測量兩個之間的溫差 結(jié)，而不是一個結(jié)點(diǎn)的絕對溫度。溫度在 測量結(jié)只有在另一個溫度下才能測量 結(jié)（通常稱為參考結(jié)或冷結(jié)）是已知的。

然而，測量熱電偶產(chǎn)生的電壓并不容易。 假設(shè)電壓表連接到第一個熱電偶 測量電路（見實用熱電偶電壓測量 在圖2中顯示了冷端）。連接到電壓表的電線 在它們附著的地方形成進(jìn)一步的熱電偶。如果這兩個附加 結(jié)點(diǎn)處于相同的溫度（無關(guān)緊要 溫度），中間金屬定律指出它們不產(chǎn)生凈 對系統(tǒng)總電磁場的貢獻(xiàn)。如果它們處于不同的溫度， 它們引入了錯誤。因為每一對不同的金屬 觸點(diǎn)產(chǎn)生熱電電動勢——包括銅/焊料、科瓦爾/ 銅（科瓦爾是用于IC引線框架的合金）和鋁/科瓦爾 （在IC內(nèi)部的鍵合處）——這個問題在實際中更加復(fù)雜 電路，并且有必要格外小心，以確保所有 熱電偶周圍電路中的結(jié)對，測量除外 和參考結(jié)本身處于相同的溫度。

圖2.熱電偶原理。

熱電堆由大量熱電偶的串聯(lián)連接組成， 如圖3所示。與單個熱電偶相比， 熱電堆產(chǎn)生更高的熱電電壓。

圖3.由多個熱電偶構(gòu)成的熱電堆。

在NDIR應(yīng)用中，脈沖和濾波紅外光應(yīng)用于系列 連接的活動結(jié)點(diǎn);因此，液絡(luò)部被加熱，其中 轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生小的熱電電壓。參考溫度 結(jié)是用熱敏電阻測量的。

許多氣體具有永久或非永久分離的中心 正電荷和負(fù)電荷。氣體能夠吸收特定頻率 在紅外光譜中，可用于氣體分析。 當(dāng)紅外輻射入射到氣體上時，原子的能量狀態(tài) 當(dāng)波長 的紅外線與分子的固有頻率或共振相匹配。

對于大多數(shù)紅外氣體傳感應(yīng)用，目標(biāo)的身份 氣體是已知的;因此，幾乎不需要?dú)怏w光譜法。然而 應(yīng)用程序必須處理一定量的交叉敏感度 在不同氣體之間，如果它們的吸收線重疊。

二氧化碳在 4200 nm 和 4320nm，如圖4所示。

圖4.二氧化碳 （CO2） 的吸收光譜。

紅外光源的可用輸出范圍和吸收光譜 水也決定了感應(yīng)波長的選擇。水上表演 在 3000 nm 以下以及 4500 nm 和 8000 nm 之間具有很強(qiáng)的吸收作用。任何檢測這些區(qū)域氣體譜線的嘗試都是 如果存在水分（高濕度），則受到強(qiáng)烈干擾 目標(biāo)氣體。圖5顯示了二氧化碳的吸收光譜 覆蓋著水的吸收光譜。（所有吸收數(shù)據(jù)均為 取自 HITRAN 數(shù)據(jù)庫）。

圖5.二氧化碳與水疊加的吸收光譜。

如果將紅外光施加到裝有一對光學(xué)元件的雙熱電堆探測器上 濾光片，使一個濾光片以 4260 nm 為中心，另一個以 3910 nm 為中心， 二氧化碳的濃度可以從 兩個熱電堆電壓。駐留在吸收內(nèi)的濾光片 通道用作檢測通道和駐留的濾光片 吸收光譜外用作參考通道。測量 消除由灰塵或輻射強(qiáng)度降低引起的錯誤 通過使用參考通道。重要的是要注意，有 在 3910 nm 處沒有氣體吸收線，使其成為 參考通道。

NDIR傳感中使用的熱電堆具有相對較高的內(nèi)阻 50 Hz/60 Hz電源線噪聲會耦合到信號路徑中。熱電堆 源阻抗約為 100 kΩ，導(dǎo)致熱 噪音主導(dǎo)系統(tǒng)。例如，熱電堆檢測器 圖1中選擇的系統(tǒng)具有37 nV/√Hz的電壓噪聲密度。 通過最大化來自探測器的信號量并使用 電路中的增益較小，因此可以確保 氣體測量系統(tǒng)。

最大化來自熱電堆檢測器的信號的最佳方法是使用 具有高反射特性的樣品室，可確保 探測器吸收從源而不是腔室發(fā)射的輻射 本身。使用反射室減少輻射量 被腔室吸收還可以減少消耗的電量 通過系統(tǒng)，因為可以使用功率較小的輻射源。

NDIR氣體吸收的比爾-朗伯定律

主動探測器上的紅外強(qiáng)度根據(jù) 稱為比爾-朗伯定律的指數(shù)關(guān)系：

其中：
I 是目標(biāo)氣體中的強(qiáng)度。
我0是零氣體中的強(qiáng)度。
k 是特定氣體和過濾器組合的吸收系數(shù)。
l 是燈和探測器之間的等效光程長度。
x 是氣體的濃度。

對于有源檢波器輸出，有相應(yīng)的輸出電壓 變化，V0– V：

其中：
FA是吸光度分?jǐn)?shù)。
五0是零氣體的輸出。
V 是目標(biāo)氣體的輸出。

重新排列和組合前兩個方程得到

如果 k 和 l 保持不變，則可以繪制 FA 與 x 的關(guān)系圖，如圖 6 所示 （其中 kl = 115、50、25、10 和 4.5）。FA 的值隨著 c 的增加而增加，但 最終在高氣體濃度下飽和。

圖6.kl = 4.5， 10， 25， 50， 115 的典型吸光度分?jǐn)?shù)。

這種關(guān)系意味著對于任何固定設(shè)置，能夠解決 低濃度時氣體水平的變化比高濃度時更好。 但是，可以調(diào)整k和l以提供最佳吸光度 用于所需的氣體濃度范圍。這意味著長光學(xué) 路徑更適合低氣體濃度和短光學(xué) 路徑更適合高氣體濃度。

下面介紹必要的兩點(diǎn)校準(zhǔn)程序 使用理想的比爾-朗伯方程確定 kl 常數(shù)。 如果 b = kl，則

校準(zhǔn)的第一部分需要應(yīng)用低濃度的 CO2 氣體（或純氮，即 0% 濃度的 CO2 氣體）到 傳感器組件：

做MO6是低濃度氣體中有源檢測器的峰峰值輸出。

裁判MO6是參考檢測器的峰峰值輸出，處于低電平 濃縮氣體。

TMO6是低濃度氣體的溫度。

校準(zhǔn)的第二部分需要應(yīng)用已知濃度的 CO2 氣體 （x卡爾） 到程序集。通常，x卡爾濃度水平為 選擇為濃度范圍的最大值（例如， 工業(yè)空氣質(zhì)量范圍的體積為 0.5%）。

做卡爾是濃度為x的校準(zhǔn)氣體中主動檢測器的峰峰值輸出卡爾.

裁判卡爾是參考檢測器的峰峰值輸出，在 濃度為 x 的校準(zhǔn)氣體卡爾.

以下兩個未知數(shù)中的兩個聯(lián)立方程組（I0和 b） 可以 然后寫：

求解 I 的兩個方程0和 b，

然后，對于未知濃度的氣體（x），其中：

ACT是有源探測器在未知?dú)怏w中的峰峰值輸出。

REF是未知?dú)怏w中參比檢測器的峰峰值輸出。

T 是未知?dú)怏w的溫度，單位為 K。

The T/TMO<>因子補(bǔ)償濃度的變化 溫度由理想氣體定律決定。

修改后的比爾-朗伯定律

NDIR 實施中的實際注意事項需要修改 比爾-朗伯定律，如下，以獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)：

引入 SPAN 因子是因為并非所有撞擊的紅外輻射 在有源熱電堆上被氣體吸收，即使在高濃度下也是如此。由于光濾波器帶寬和 吸收光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

光程長度和光散射的變化需要添加 冪項 c，用于將方程精確擬合到實際吸收 數(shù)據(jù)。

b 和 SPAN 常量的值還取決于 測量濃度。典型的濃度范圍如下：

工業(yè)空氣質(zhì)量 （IAQ）：0 至 0.5% 體積 （5000 ppm）。請注意，二氧化碳 環(huán)境空氣中的濃度約為 0.04% 體積或 400 ppm。

安全性：0 至 5% 體積

燃燒：0 至 20% 體積

過程控制：0 至 100% 體積

通常確定特定系統(tǒng)的b和c的精確值 通過獲取 FA 與濃度 x 的多個數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后 使用曲線擬合程序。

對于已確定 b 和 c 常數(shù)的給定系統(tǒng)， 零和 SPAN 的值可以使用兩點(diǎn)計算 校準(zhǔn)方法。

程序的第一步是應(yīng)用低濃度的x氣體MO<>并記錄以下內(nèi)容：

做MO<>：低濃度下有源檢測器的峰峰值輸出 氣

裁判MO<>：參考檢測器的峰峰值輸出為低電平 濃縮氣體

TMO<>：低濃度氣體的溫度，單位為K。

校準(zhǔn)的第二部分需要應(yīng)用已知 CO2 氣體 濃度（X卡爾） 到程序集。通常，x卡爾濃度水平為 選擇為濃度范圍的最大值（例如， 工業(yè)空氣質(zhì)量范圍的體積為 0.5%）。記錄以下內(nèi)容：

做卡爾：校準(zhǔn)氣體中有源探測器的峰峰值輸出 濃度 x卡爾.

裁判卡爾：校準(zhǔn)中參考檢測器的峰峰值輸出 濃度 X 的氣體卡爾.

以下兩個未知數(shù)中的兩個聯(lián)立方程組（I0和跨度） 然后可以寫成：

求解零點(diǎn)和 SPAN 產(chǎn)量的兩個方程

然后，對于未知濃度的氣體（x），其中：

ACT是有源探測器在未知?dú)怏w中的峰峰值輸出。

REF是未知?dú)怏w中參比檢測器的峰峰值輸出。

T 是未知?dú)怏w的溫度，單位為 K。

此等式假設(shè) TMO<>= T卡爾.

環(huán)境溫度的影響

熱電堆檢測器通過吸收輻射來感知溫度，但 它還響應(yīng)環(huán)境溫度變化，這可能導(dǎo)致 雜散和誤導(dǎo)性信號。因此，許多熱電堆具有 熱敏電阻集成到封裝中。

輻射吸收與目標(biāo)分子的數(shù)量有關(guān) 腔室，而不是目標(biāo)氣體的絕對百分比。因此吸收 由標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的理想氣體定律描述。

有必要記錄兩種校準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù) 和測量狀態(tài)：

其中：
x是沒有溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度。
TMO<>是低和高氣體濃度下以 K 為單位的溫度。
T 是采樣時以 K 為單位的溫度。
xT是溫度T下的氣體濃度。

除了濃度隨溫度變化的理想氣體規(guī)律外， SPAN和FA隨溫度而略有變化，可能需要校正 極高精度的濃度測量。

本文不涉及 SPAN 和 FA 溫度校正; 但是，詳情請參見應(yīng)用筆記1、應(yīng)用筆記2、 新交所應(yīng)用筆記3、應(yīng)用筆記4和應(yīng)用筆記5 傳感器技術(shù)，以及 AAN-201、AAN-202、AAN-203、AAN-204 和 AAN-205 來自Alphasense Limited的應(yīng)用說明。

熱電堆驅(qū)動器

HTS-E21-F3.91/F4.26熱電堆（海曼傳感器有限公司）具有 每個通道的內(nèi)阻為84 kΩ。等效電路 其中一個熱電堆通道的驅(qū)動器如圖7所示。內(nèi)部 84 kΩ 熱電堆電阻和外部 8.2 nF 電容構(gòu)成一個 RC 截止頻率為?3 dB的低通噪聲濾波器：

更改各種熱電堆的 C11 和 C15 也會改變噪聲 性能和響應(yīng)時間。

圖7.熱電堆驅(qū)動器等效電路，G = 214.6。

84 kΩ/8.2 nF濾波器的階躍函數(shù)設(shè)置時間為22位 大約是

AD8629同相放大器設(shè)置為增益214.6，?3 dB 截止頻率：

22位的建立時間約為

最大 NDIR 斬波頻率為 5 Hz，最小半周期 因此，脈沖寬度為 100 ms。22位的建立時間約為 0.1 ×最小斬波脈沖寬度。

AD8629的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為0.5 μV p-p。忽略 傳感器電壓噪聲和AD8629電流噪聲，1 mV p-p 熱電堆輸出的信號噪聲比（SNR）為：

其中一個熱電堆作為偽差分輸入連接到 ADuCM360 ADC1/ADC3 對，第二個連接到 ADC2/ ADC3 對。ADC3輸入連接到200共模電壓 mV，由低噪聲放大器ADA4528-1驅(qū)動。ADA4528-1輸入 0.1 Hz至10 Hz電壓噪聲為99 nV p-p。200 mV共模 需要電壓來保持ADC輸入引腳大于0.1 V。

AD8629級的增益為214.6，內(nèi)部PGA的增益 的ADuCM360由軟件自動設(shè)置，從1到128，以確保 輸入信號與ADC輸入的滿量程范圍±1.2 V相匹配。 來自熱電堆的峰峰值信號范圍為幾百個 μV 至幾 mV。例如，如果滿量程熱電堆信號 1 mV 峰峰值，PGA增益為4時，ADC產(chǎn)生860 mV 峰峰值。

具有不同靈敏度的熱電堆可能需要不同的增益 AD8629級。CN-0338 Arduino屏蔽板與其他 如果平臺，Arduino兼容平臺可能需要更高的增益 使用不帶內(nèi)部 PGA 的 ADC。

改變AD8629增益的最簡單方法是改變R6和R10;哪 不影響R5/R8和C9/C10設(shè)置的主極點(diǎn)頻率。

可以在軟件中選擇熱電堆輸出數(shù)據(jù)處理算法。 用戶可以在峰峰值和平均算法之間進(jìn)行選擇

有關(guān)信號采集、燈脈沖定時、 與溫度補(bǔ)償?shù)奶幚硭惴ㄒ黄?包含在CN-0338設(shè)計支持包和CN-0338用戶指南中的CN-0338源代碼中。

NTC熱敏電阻驅(qū)動器

集成NTC溫度傳感器的特點(diǎn) 熱電堆如下：

R千= 100 kΩ
β = 3940

熱敏電阻驅(qū)動器的戴維寧等效電路如圖8所示。 R3和R4分壓電阻串聯(lián)提供670.3 mV電壓源 與 103.6 kΩ。驅(qū)動電壓為670.3 mV ? 200 mV = 470.3 mV。

圖8.NTC熱敏電阻驅(qū)動器等效電路。

當(dāng) R千25°C時= 100 kΩ，熱敏電阻兩端的電壓為231 mV， 因此，在進(jìn)行測量時，PGA增益設(shè)置為4。

ADuCM360中的靈活輸入多路復(fù)用器和雙通道ADC允許 同時對熱電堆信號和溫度進(jìn)行采樣 用于補(bǔ)償漂移的傳感器信號。

紅外光源驅(qū)動器

選用的燈絲光源是國際光技術(shù)公司 MR3-1089，帶拋光鋁反射器，需要驅(qū)動電壓 5.0 V，150 mA，可實現(xiàn)最大紅外發(fā)射和最佳系統(tǒng) 性能。燈的熱量保持光學(xué)元件的溫度 反射器高于環(huán)境反射器，有助于防止冷凝 在潮濕的環(huán)境中。

白熾燈在冷（關(guān)閉）時電阻低，可以 在接通的瞬間導(dǎo)致電流浪涌。帶軟質(zhì)的調(diào)節(jié)器 啟動函數(shù)可用于解決此問題。

低壓差穩(wěn)壓器ADP7105具有可編程使能功能 可與通用輸入/輸出引腳一起使用的引腳 ADuCM360使能/禁用燈電壓。軟啟動電容， 10 nF 的 C6 提供 12.2 ms 的軟啟動時間，約為 0.125×最小斬波步進(jìn)時間為100毫秒。

燈導(dǎo)通電流（~150 mA）很大，因此需要仔細(xì)設(shè)計電路 并且需要布局以防止燈開關(guān)脈沖耦合 進(jìn)入小熱電堆輸出電壓。

注意確保燈返回路徑不會流過敏感的 熱電堆檢測器接地返回路徑。燈電流不得使用 與處理器相同的返回路徑;否則可能會導(dǎo)致電壓偏移 錯誤。強(qiáng)烈建議使用單獨(dú)的穩(wěn)壓器 用于燈驅(qū)動和系統(tǒng)的信號調(diào)理部分。

ADP7105燈驅(qū)動器直接由外部電源供電 電源連接到 EVAL-ADICUP360 板。

軟件注意事項

同步斬波和采樣

為了測量氣體濃度，兩者的峰峰值信號值 必須對參考通道和活動通道進(jìn)行采樣。ADuCM360包括 兩個24位Σ-Δ型ADC，ADC工作在連續(xù)采樣模式。 可編程增益放大器，增益選項為1、2、4、8、16、32、64和 128 個驅(qū)動 ADC。

默認(rèn)斬波頻率設(shè)置為 0.25 Hz，默認(rèn)采樣 速率設(shè)置為 10 Hz。但是，斬波頻率可以在 軟件頻率范圍為 0.1 Hz 至 5 Hz，ADC 采樣速率范圍為 3.5 Hz 至 483赫茲。軟件確保采樣率至少為30倍 斬波頻率。

對于0.25 Hz的默認(rèn)斬波頻率，將獲取熱電堆數(shù)據(jù) 在 2 秒半周期的最后 1.5 秒以 10 Hz 的速率，以確保 信號已穩(wěn)定。前 500 毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)將被忽略（消隱 時間）。也可以在軟件中設(shè)置兩個邊緣的消隱時間。 請注意，NTC熱敏電阻數(shù)據(jù)是在消隱時間內(nèi)獲取的。

校準(zhǔn)程序：理想比爾-朗伯方程

由于燈具和熱電堆的特性不同， 電路必須首先校準(zhǔn)，并在更改 熱電堆或燈。

建議將整個組件放置在封閉的腔室中 可以注入已知 CO2 濃度的氣體，直到所有現(xiàn)有氣體 腔室中的氣體被沖洗掉。穩(wěn)定幾分鐘后， 然后可以進(jìn)行測量。

校準(zhǔn)方法和算法顯示在以下步驟中 理想的比爾-朗伯方程：

1. 輸入以下命令：sbll校準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)比爾-蘭伯特 校準(zhǔn)）。

2.注射低濃度，xMO<>，或零氣體（氮?dú)猓⒎€(wěn)定 商會。

3. 將 CO2 濃度輸入終端。

4. 系統(tǒng)測量 ACTMO<>、有源的峰峰值輸出 低濃度氣體中的檢測器。

5. 系統(tǒng)測量參考文獻(xiàn)MO<>，基準(zhǔn)電壓源的峰峰值輸出 低濃度氣體中的檢測器。

6. 系統(tǒng)測量低氣溫度，TMO<>.

7. 注入濃度為 x 的高濃度 CO2卡爾，進(jìn)入腔室。

8. 將 CO2 濃度輸入終端。

9. 系統(tǒng)測量 ACT卡爾裁判卡爾和校準(zhǔn) 溫度，T卡爾.

10. 系統(tǒng)計算零和 b：

使用理想測量未知濃度的 CO2 氣體 比爾-朗伯方程，執(zhí)行以下操作：

1.將未知濃度的氣體施加到腔室中并穩(wěn)定。

2. 測量ACT，即有源檢波器的峰峰值輸出。

3. 測量參考檢測器的峰峰值輸出 REF。

4. 以開爾文為單位測量溫度 T。

5. 使用校準(zhǔn)中的零值。

6. 使用校準(zhǔn)中的 b 值

7.計算分?jǐn)?shù)吸光度：

計算濃度并應(yīng)用理想的氣體定律溫度 補(bǔ)償：

此過程假定 TMO<>= T卡爾.

請注意，CN-0338軟件將自動執(zhí)行步驟2 通過 7.

校準(zhǔn)程序：修正比爾-朗伯方程

如果常數(shù) b 和 c 從測量中已知，請使用以下命令 程序。

1. 輸入以下命令：mbll校準(zhǔn)（修改后的比爾-蘭伯特 校準(zhǔn)）。

2. 輸入 b 和 c 常量。

3. 注入低濃度的 CO2 氣體，xMO<>（氮?dú)猓⒎€(wěn)定 商會。

4. 將 CO2 濃度輸入終端。

5. 系統(tǒng)測量 ACTMO<>、有源的峰峰值輸出 低氣體檢測器。

6. 系統(tǒng)測量參考文獻(xiàn)MO<>，基準(zhǔn)電壓源的峰峰值輸出 低氣體檢測器。

7. 系統(tǒng)測量溫度，TMO<>.

8. 注入濃度為 x 的高濃度 CO2卡爾，進(jìn)入腔室。

9. 將 CO2 濃度輸入終端。

10. 系統(tǒng)測量 ACT卡爾裁判卡爾和校準(zhǔn) 溫度，T卡爾.

11. 系統(tǒng)計算零點(diǎn)和跨度：

使用改進(jìn)的 比爾-朗伯方程，執(zhí)行以下操作：

1.將未知濃度的氣體施加到腔室中并穩(wěn)定。

2. 測量ACT，即有源檢波器的峰峰值輸出。

3. 測量參考檢測器的峰峰值輸出 REF。

4. 以開爾文為單位測量溫度 T。

5. 使用校準(zhǔn)中的零點(diǎn)和跨度值。

6. 使用先前確定的 b 和 c 值。

7. 計算分?jǐn)?shù)吸光度：

計算濃度并應(yīng)用理想的氣體定律溫度 補(bǔ)償：

此過程假定 TMO<>= T卡爾.

NTC熱敏電阻算法和計算

NTC熱敏電阻等效電路如圖9所示。

圖9.NTC熱敏電阻電路。

熱敏電阻兩端的電壓為

其中：
VCC 為 3.3 V。
RNTC是熱敏電阻電阻。

NTC熱敏電阻電阻可以表示為

哪里：
R千是溫度T下的熱敏電阻電阻0.
β是NTC熱敏電阻數(shù)據(jù)手冊中給出的參數(shù)。
RNTC是溫度T下的熱敏電阻電阻。

將兩個方程結(jié)合起來得到

在每個燈斬波時間間隔內(nèi)，ADC切換到NTC 采樣，如圖 10 所示。

圖 10.NTC和熱電堆采樣和燈斬波的時間。

用戶交互界面

EVAL-ADICUP360平臺板通過USB端口連接到PC。 該板顯示為虛擬 COM 設(shè)備。任何類型的串口終端 可用于與EVAL-ADICUP360板進(jìn)行交互以進(jìn)行開發(fā) 和調(diào)試。有關(guān)軟件操作的更多詳細(xì)信息，請參閱： 包含在CN-0338電路筆記中。

圖 11 顯示了分?jǐn)?shù)吸光度 （FA） 與 CO2 的函數(shù)關(guān)系 典型EVAL-CN0338-ARDZ板的濃度。

圖 11.典型EVAL-CN0338-ARDZ板的吸光度分?jǐn)?shù)與CO2濃度的關(guān)系。

EVAL-CN0338-ARDZ板的完整設(shè)計支持包 包括布局、物料清單、原理圖和源代碼可以 在 www.analog.com/CN0338-DesignSupport 找到。

測試設(shè)置的功能圖如圖 12 所示，以及 EVAL-CN0338-ARDZ Arduino 屏蔽板和 EVALADICUP360 的照片 Arduino兼容的平臺板如圖13所示。

圖 12.測試設(shè)置功能框圖。

圖 13.EVAL-CN0338-ARDZ板和EVAL-ADICUP360板照片。

總結(jié)

實現(xiàn)NDIR測量所需的模擬電子設(shè)備 需要精密的低噪聲放大和高分辨率模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換。本文中描述的電路是一個高度 采用ADuCM360精密模擬器件的集成解決方案 單片機(jī)執(zhí)行精密PGA功能，精密 Σ-Δ型ADC轉(zhuǎn)換，以及數(shù)字控制和處理。

Arduino 擴(kuò)展板兼容性允許快速原型設(shè)計 NDIR 設(shè)計，能夠根據(jù)特定情況定制軟件 申請要求。

審核編輯：郭婷