仪表设计思想

继上篇的 [[参数化补偿]]，这里汇总了一些在仪表研发和系统集成中，除了“补偿”之外的一些指导思想。

核心逻辑： 不要只测“绝对值”，要测“差异值”。通过物理架构抵消共模干扰。

在 CEMS 中，环境变化（光源波动、电源纹波、温度整体漂移）往往同时作用于所有通道。如果只看单路信号，很难分清是浓度变了还是灯泡暗了。

典型应用：
- 参比光路（Reference Channel）：比如非分散红外（NDIR）气体分析仪。设计两个探测器，一个前加滤光片只透过不被吸收的光（参比端），另一个透过被测气体吸收的光（测量端）。
- 算法逻辑：不是看测量端电压 $V_{meas}$ 多少，而是看 $V_{meas} / V_{ref}$ 的比值。
- 价值：光源亮度衰减了 50%，两个通道同时衰减，比值不变。这种物理层面的抵消，比软件补偿更底层、更可靠。
- CEMS（DOAS）： CEMS 中测 $SO_2$/$NO_x$ 的主流技术。它利用气体的窄带吸收（快变信号）和宽带散射（慢变信号）的差异，直接在频谱上把粉尘干扰（宽带）像剥洋葱一样剥离掉。

核心逻辑： 仪器不能是“开环”的，它必须有一个不断回到原点的机制，以此来锚定测量的基准

传感器最大的敌人是零点漂移。与其拼命制造不漂移的传感器，不如设计一套机制，让它每隔一段时间就“看一眼”什么是零。

典型应用：
- 电磁阀切换：几乎所有的 CEMS 分析仪内部都有电磁阀。每隔 4 小时或 24 小时，系统自动切断烟气，通入洁净空气（例如实现每 24h 自动校零一次）。
- 动态调整：此时读数如果不是 0（比如漂移到了 2ppm），系统自动将当前电压定义为新的“零点”。
- 价值：这种“分时复用”的设计思想，把长期的稳定性要求，降低为了“在两次自动校零间隔内稳定”即可。这极大降低了硬件设计难度。

核心逻辑： 假设系统一定会出故障，那么出故障时，必须停留在最安全的状态，而不是破坏性最大的状态。

CEMS 涉及高温伴热和流体传输，一旦失控，后果往往是损坏昂贵的分析仪核心部件。

典型应用：
- 伴热管线低温连锁：这是一个经典的防御设计。采样探头或管线温度如果低于设定值（如 120℃），必须强制停运采样泵。
- 为什么？因为温度不够会导致 $SO_2$ 和水结合成亚硫酸/硫酸，不仅腐蚀管路，液态水进入分析仪气室会直接导致传感器报废。
- 信号输出： 4-20mA 输出设计中，2mA 通常代表“故障”，0mA 代表“断电/断线”。不能让故障表现为“0 浓度”，误导环保部门以为排放达标。

核心逻辑：将相互影响的物理量在空间上隔绝，让每个模块只处理单纯的任务。

在仪表设计中，最怕“热 - 电 - 气”混杂在一起互相打架。

典型应用：
- 气电分离（Gas-Electronics Separation）：优秀的分析仪机箱设计，气路部分（易漏气、有腐蚀性）和电路部分（怕腐蚀、怕热）是严格分仓的，中间通过密封隔板隔开。
- 热隔离：高温紫外分析仪的气室需要加热到 180℃以上，但光纤光谱仪和电路板只能承受 50℃。设计中会使用气凝胶隔热层、独立的散热风道，或者半导体制冷片制冷，确保“火热的心（气室）”和“冷静的头脑（电路）”互不干扰。

在设计一款仪表时，我们可以按这个层级思考：