濾紙式煙度計新型檢測頭溫度補償方法

作者 劉松良  廣州數(shù)控設(shè)備有限公司(廣東 廣州 510165)

劉松良(1978-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式。

摘要：濾紙式煙度計廣泛應(yīng)用于柴油車的年檢、路檢;它采用光電法確定清潔濾紙染黑的程度，從而測量柴油車的煙度排放值。通過大量的試驗數(shù)據(jù)分析光電二極管、發(fā)光二極管、熱敏電阻三者之間的線性相關(guān)函數(shù)，研發(fā)出用于濾紙式煙度計的新型線性光電檢測頭;與傳統(tǒng)硒光電池和白熾燈泡作為光電檢測頭相比，新型光電檢測頭更經(jīng)濟(jì)、更方便、更穩(wěn)定。

0 引言

　　濾紙式煙度計核心元器件硒光電池價格昂貴，其次，硒光電池易受光、熱、潮濕和各種有害氣體的損害，使用越久，越容易衰老，靈敏度下降，以至于在紫色光中產(chǎn)生電流太小，無法工作，在無色的溶液中也無法將光密度調(diào)至零點，此時必須更新硒光電池。所以國內(nèi)需有一種新技術(shù)替代傳統(tǒng)的硒光電池。

　　光電二極管在發(fā)光二極管LED的光線照射下，所產(chǎn)生的電流如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電壓信號，而且這個電壓信號隨著光的變化而相應(yīng)變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，從而把光電二極管和LED做成整套光電檢測裝置。

　　光電二極管和LED的靈敏度與溫度有負(fù)相關(guān)性，熱敏電阻與溫度也有負(fù)相關(guān)性。當(dāng)溫度上升且LED的供電電壓不變時，熱敏電阻阻值變小，LED輸出光強增強。

　　基于以上因素，濾紙式煙度計新型檢測頭采用的方案為：光電二極管檢測LED的光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，同時由熱敏電阻補償整個電信號受溫度影響產(chǎn)生的電壓漂移。

1 新型檢測頭原理和結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示為新型檢測頭結(jié)構(gòu)圖，LED為綠色發(fā)光二極管，代替白熾燈;用光電二極管代替硒光電池;溫度補償用熱敏電阻;結(jié)構(gòu)上，光電二極管置于正中心，周邊放3個LED，他們之間的距離為2 mm;光電二極管、LED和熱敏電阻全部放置在濾紙式煙度計探頭內(nèi)。

　　如圖2所示為新型檢測頭電路原理圖。LED的功率在50 mW以內(nèi)，功率與照度成正比，并且關(guān)系為3.95 Lx/mW;第一級電流/電壓變換器非常關(guān)鍵，采用運算放大器TL072，這樣電壓的輸出幅度盡可能大，而失調(diào)電流的漂移和偏置電流都很小。

2 溫度對新型檢測頭的影響

　　2.1 溫度與檢測頭輸出電壓關(guān)系

　　濾紙式煙度計在使用的過程中，由于抽取的煙氣溫度很高，所以煙度計檢測頭的溫度會逐漸上升;而檢測頭輸出電壓受溫度影響很大，如圖3所示。

　　如圖3，將檢測器的溫度補償范圍定為10～60 ℃，線性擬合方程 Y=c0+c1*X，式中：Y為輸出電壓，X為溫度變化值;根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以得出：隨著溫度變化，c0的變化不大，主要是靈敏度c1的變化。得出檢測器的靈敏度c1與溫度的系數(shù)如下：

(1)

　　2.2 溫度補償的方法

　　2.2.1 熱敏電阻補償

　　隨著煙度計檢測頭的溫度上升，還需要保持煙度卡值與檢測頭輸出電壓線性相關(guān)性，需要增加合適的熱敏電阻。

　　最簡單的補償方法是將圖1中的R3用一個具有與檢測頭相同溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻替代，則可以解決濾紙式煙度計溫度漂移的問題。NTC熱敏電阻溫度系數(shù)算法如下：

(2)

　　β=3940的NTC熱敏電阻溫度系數(shù)(25℃時)按上式算，約為-3.8%。所以只采用一個NTC熱敏電阻無法得到較好的溫度補償效果。

　　當(dāng)沒有合適的熱敏電阻時，可采用熱敏電阻的組合方法：(1)兩個相同溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)或串聯(lián);(2)熱敏電阻與一般電阻的串聯(lián);(3)熱敏電阻與一般電阻的并聯(lián)。本文采用后兩種方法組合，如圖4所示。

　　2.2.2 濾紙式煙度計溫度補償方法

　　采用NTC熱敏電阻代替圖2中的R3后，因為LED光源功率的溫度系數(shù)與NTC熱敏電阻溫度系數(shù)相反，所以熱敏電阻正好起到溫度補償作用。從檢測頭的溫度試驗獲得其靈敏度的溫度系數(shù)α為-0.43%/℃，要補償溫度對檢測器靈敏度的影響，可以用-0.43%/℃，200 Ω的熱敏電阻代替圖1中的R3。

　　因為沒有合適的NTC熱敏電阻，根據(jù)熱敏電阻組合方法，設(shè)計上用NTC電阻與熱敏電阻并聯(lián)的方法解決;同時為了達(dá)到LED功率與照度成正比，并且關(guān)系為3.95 Lx/mW，再串聯(lián)一個一般的NTC電阻，如圖4所示。

　　2.2.3 軟件補償?shù)姆椒?/p>

　　由于檢測頭在高煙度值(8.5~10 Rb)和低煙度值(0~0.5 Rb)測量時存在不同的溫度漂移系數(shù)(為-0.43%/℃±10%)，此時，可以采用熱敏電阻測量檢測頭檢測室內(nèi)的溫度，然后通過軟件的算法進(jìn)行溫度補償。溫度補償?shù)能浖惴椋?/p>

(3)

　　即：是一個有量綱的數(shù);調(diào)校儀器時，必須記錄當(dāng)時的環(huán)境溫度T0，T0用攝氏溫度表示。

　　2.3 溫度補償?shù)慕Y(jié)果

　　FQ儀器用的MF11-1 kΩ±10%(β=3900)熱敏電阻并聯(lián)220 Ω電阻，再與51 Ω的電阻串聯(lián)，根據(jù)熱敏電阻溫度系數(shù)的算法得出溫度補償系數(shù)ξ為-0.44%/℃，可以抵消光電二極管和LED受溫度影響的溫度系數(shù)α(-0.43%/℃)，補償后的檢測頭靈敏度基本不受溫度變化的影響。同時采用軟件補償方法補償?shù)蜔煻戎岛透邿煻戎档姆蔷€性誤差。

　　試驗表明，采用上述光敏電阻硬件補償和軟件補償后，檢測頭輸出電壓不受溫度變化，并保持很好的線性相關(guān)性，達(dá)到設(shè)計要求。

3 整機試驗

　　如圖5，煙度卡0值是指一層濾紙加聚四氟乙烯;光電二極管有兩種：型號為MBC-3127CF(2K)的輸出與煙度卡值的關(guān)系為基本線性關(guān)系，型號PG-3127CF(3B)差些，最終選用型號為MBC-3127CF(2K)的光電二極管。

　　通過試驗驗證：在恒溫條件下，光電二極管輸出電壓與發(fā)光二極管照度之間成線性關(guān)系;新型檢測頭的電壓輸出(V)與煙度卡值(Rb)為線性關(guān)系。

4 結(jié)論

　　整機聯(lián)調(diào)實驗表明，煙度計測量誤差保證在±2%F.S.，滿足了濾紙式煙度計的性能要求。由于新型光電檢測頭的使用壽命更長，性能更穩(wěn)定，在推向市場十多年中，產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第49頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。