基于非分散紅外原理的熱電堆傳感器原理分析及電路設(shè)計(jì)

　　然后，對(duì)于未知濃度(x)的氣體，其中：

　　ACT表示未知?dú)怏w環(huán)境中測(cè)量通道傳感器的峰峰值輸出。

　　REF表示未知?dú)怏w環(huán)境中基準(zhǔn)通道傳感器的峰峰值輸出。

　　T表示未知?dú)怏w的溫度，單位為K。

　　此方程假定 TLOW = TCAL.

　　環(huán)境溫度的影響

　　熱電堆傳感器通過吸收輻射來檢測(cè)溫度，但也會(huì)對(duì)環(huán)境溫度變化作出響應(yīng)，導(dǎo)致雜散和干擾信號(hào)增加。由于這個(gè)原因，很多熱電堆傳感器都在封裝內(nèi)集成了熱敏電阻。

　　輻射吸收與腔室中的目標(biāo)分子數(shù)量有關(guān)，而非目標(biāo)氣體的絕對(duì)百分比。因此，吸收采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的理想氣體定律表述。

　　有必要同時(shí)記錄校準(zhǔn)狀態(tài)和測(cè)量狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)：

　　其中：

　　x 表示無溫度補(bǔ)償時(shí)的氣體濃度。

　　TLOW 表示校準(zhǔn)時(shí)的氣體溫度，單位為K。

　　T 表示采樣時(shí)的溫度，單位為K。

　　xT 表示溫度為T時(shí)的氣體濃度。

　　理想氣體定律下除了濃度會(huì)隨溫度而變之外，SPAN和FA也會(huì)隨溫度而產(chǎn)生輕微變化，在進(jìn)行精度極高的濃度測(cè)量時(shí)可能需要校正。

　　本文不涉及SPAN和FA溫度校正，但可以從SGX Sensor tech的應(yīng)用筆記1、應(yīng)用筆記2、應(yīng)用筆記3、應(yīng)用筆記4和應(yīng)用筆記5，以及Alphasense Limi ted的應(yīng)用筆記A AN-201、A AN-202、A AN-203、AAN-204和AAN-205中獲取詳情。

　　熱電堆驅(qū)動(dòng)器

　　HTS-E21-F3.91/F4.26熱電堆(Heimann Sensor, GmbH)的每一個(gè)通道都有84 kΩ內(nèi)阻。單通道等效驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。內(nèi)部84 kΩ熱電堆內(nèi)阻和外部8.2 nF電容組成RC低通噪聲濾波器，-3 dB截止頻率為：

　　改變不同熱電堆的C11和C15也就改變了噪聲性能和響應(yīng)時(shí)間。

　　圖7. 熱電堆驅(qū)動(dòng)器等效電路，G = 214.6

　　84 kΩ/8.2 nF濾波器的階躍函數(shù) 22位建立時(shí)間約為：

　　AD8629同相放大器增益設(shè)置為214.6，-3 dB截止頻率為：

　　22位建立時(shí)間約為：

　　NDIR最大斬波頻率為5 Hz，因此半周期脈沖寬度最小值為100 ms。22位建立時(shí)間約為0.1倍最小斬波脈沖寬度。

　　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，則熱電堆的1 mV p-p信號(hào)輸出具有如下信噪比(SNR)：

　　其中一個(gè)熱電堆以偽差分輸入方式連接ADuCM360 ADC1/ADC3輸入引腳，另一個(gè)個(gè)連接ADC2/ADC3輸入引腳。ADC3輸入引腳連接200 mV共模電壓，由低噪聲放大器ADA4528-1驅(qū)動(dòng)。ADA4528-1的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為99 nV p-p。若要使ADC輸入引腳保持在0.1 V以上，則需使用200 mV共模電壓。

　　AD8629級(jí)的增益為214.6，ADuCM360內(nèi)部PGA增益通過軟件自動(dòng)設(shè)定，范圍為1至128，確保輸入信號(hào)匹配ADC輸入的滿量程范圍(即±1.2 V)。來自熱電堆的峰峰值信號(hào)范圍為幾百微伏至幾毫伏。例如，假設(shè)滿量程熱電堆信號(hào)為1 mV p-p，則PGA增益4可產(chǎn)生860 mV p-p的ADC輸入信號(hào)。

　　不同靈敏度的熱電堆可能會(huì)要求AD8629級(jí)具有不同增益。如需將CN-0338 Arduino擴(kuò)展板與其它ADC內(nèi)部沒有集成PGA的Arduino平臺(tái)連接，則可能需要更高的增益。

　　改變AD8629增益的最簡(jiǎn)單方法是改變R6和R10;這樣不會(huì)影響由R5/R8和C9/C10決定的主極點(diǎn)頻率。

　　軟件可以選擇熱電堆輸出數(shù)據(jù)處理算法。用戶可以在峰峰值算法和均值算法之間作出選擇。

　　更多有關(guān)信號(hào)采集、光源脈沖定時(shí)以及溫度補(bǔ)償處理算法的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN-0338設(shè)計(jì)支持包和CN-0338用戶指南中的CN-0338 源代碼。.

　　NTC熱敏電阻驅(qū)動(dòng)器

　　熱電堆中的集成式NTC溫度傳感器特性如下：

　　RTH = 100 kΩ

　　β = 3940

　　熱敏電阻驅(qū)動(dòng)器的戴維寧等效電路參見圖8。R3和R4分壓器電阻提供670.3 mV電壓源，并與103.6 kΩ電阻串聯(lián)。驅(qū)動(dòng)電壓為670.3 mV -200 mV = 470.3 mV。

　　圖8. NTC熱敏電阻驅(qū)動(dòng)器等效電路

　　當(dāng)RTH = 100 kΩ時(shí)(25°C)，熱敏電阻上的電壓為231 mV，因此測(cè)量時(shí)，將PGA增益設(shè)為4。

　　ADuCM360中的靈活輸入多路復(fù)用器和雙通道ADC支持熱電堆信號(hào)和溫度傳感器信號(hào)的同時(shí)采樣，以補(bǔ)償漂移。