CN103175803A - 采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用非色散红外技术来检测气体浓度的方法领域，具体为一种采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法。一种采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法，采用非色散红外检测仪实施检测，所述的非色散红外检测部分包括红外光源、单窗口探测器、镀金气室和数据采集器，单窗口探测器内设有温度传感器，数据采集器内设有缓冲区和寄存器。其自校正特征是：按预备、自校正数据处理和温度补偿这3个步骤依次进行。本发明：测量精确可靠，抗干扰性强，长时工作稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及利用非色散红外技术来测量气体的方法领域，具体为一种采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法。
背景技术
工农业生产中经常检测二氧化碳的浓度的需要，早期采用电化学式和热传导式传感器，这类传感器体积小，但抗干扰性差，长时间使用性能不稳定；也有采用固体电解质传感器，这种传感器工作温度高，加热功耗大。目前应用最多的是采用非色散红外（英文全称non dispersive infrared，简称NDIR）的传感器，NDIR检测的原理是检测二氧化碳分子对特定波长的吸收，根据测得的吸收强度再依据朗伯-比尔吸收定律计算二氧化碳浓度。NDIR检测仪的构成包括：红外光源、探测器、镀金气室以及数据采集系统，其中红外光源和探测器置于镀金气室内，红外光源发射特定波长范围的红外线，由探测器经过滤光片只接收特定波长的红外谱线，探测器有单窗口和双窗口两种类型，两种探测器都设有温度传感器，用以温度补偿。双窗口型的一个窗口是参比窗口，这个窗口所吸收的波长不受二氧化碳影响，另一个窗口吸收的波长是和二氧化碳有关，两个窗口输出的信号经过对比换算，就可以消除光源老化、气室进入灰尘等因素的影响，也可以减小温度变化带来的影响，因此双窗口型检测精度高，工作稳定，但价格较高。单窗口没有参比窗口，就会受上述因素的影响，但价格相对便宜。然而，单双窗口的探测器在使用一定时间后都会产生线性漂移，由于各地的大气压强不同导致测量的结果也不同，这就需要重新校正检测仪，校正时需要配备标准气体，由专业人员配备专用校准器具校正，操作复杂，维护困难。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种操作方便、检测精度高、维护容易的二氧化碳浓度检测具有自校正的方法，本发明公开了一种采用非色散红外（NDIR）检测二氧化碳浓度具有自校正的方法。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法，采用非色散红外检测仪实施检测，所述的非色散红外检测仪包括红外光源、单窗口探测器、镀金气室和数据采集器，单窗口探测器内设有温度传感器，数据采集器内设有缓冲区和寄存器，其特征是：按预备、自校正数据处理和温度补偿这3个步骤依次进行：
(1) 预备：预备步骤时，对非色散红外检测仪通电30分钟以上，直至镀金气室的温度达到平衡，随后将非色散红外检测仪置于大气流通的洁净场所开始自校正，对大气的要求是二氧化碳含量为360ppm～440ppm且风力不小于2级；
(2) 自校正数据处理：自校正数据处理步骤包括定时等待、定时采集和数据换算，
定时等待时，定时等待时间为2分钟，定时等待期内数据采集器只采集探测器输出经放大器放大后的电压值，不做任何处理；
定时采集时，定时采集时间为6分钟，定时采集包括数据采集、数据处理和数据存储，
数据采集时，数据采集器连续采集探测器输出经放大器放大后的电压值，并将数据逐个存入缓冲区，缓冲区的数量至少为10个，
缓冲区数据存满后执行数据处理，数据处理按如下步骤依次进行：找出缓冲区中数据的最大值和最小值并求出最大值和最小值的差值，令差值为V(最大-最小)，然后剔除最大值和最小值以对剩余的数据求平均值，令平均值为V(平均)，同时测量并记录当前单窗口探测器内温度传感器的温度值，令温度值为T(校正时温度)，
数据存储时，将V(最大-最小)、V(平均)和T(校正时温度)分别存入寄存器；
完成数据存储后，若定时采集时间尚未结束，则重新进行数据采集和数据处理，随后比较本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大于上次平均值，则执行数据存储，将本次平均值V(平均)、差值V(最大-最小)和温度值T(校正时温度)分别存入寄存器以覆盖原有数据，否则保持寄存器原有数值不变，如此循环直至定时采集时间结束，此时寄存器内存储的即为多个平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所对应样本中最大值和最小值的差值V(最大-最小)，和所述平均值最大值所对应时刻探测器温度传感器所测得的温度值T(校正时温度)，
数据换算时，根据下述二氧化碳浓度换算公式：C(测量值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]，并将寄存器中的差值V(最大-最小)代替V测量值换算成二氧化碳浓度值，如果求出的C测量值大于20ppm则返回定时等待步骤重新进行，如果小于20ppm则再定时2分钟，
定时2分钟时间内，首先根据二氧化碳浓度换算公式将寄存器中的平均值V(平均)的最大值代替V(测量值)计算出浓度值，将计算出的浓度值与400ppm比较得出一个差值，即C(400ppm差值)，然后连续采集数据，根据下述实际二氧化碳浓度换算公式将采集的数据代替V(测量值)，求出实际二氧化碳浓度值，直至本次定时结束，将每次求出的实际浓度值判断是否在380ppm～420ppm之间，如果超出这一范围则返回定时等待步骤重新进行，否则跳转正常测量模式，
实际二氧化碳浓度换算公式：
C(实际浓度值)=C(测量值)+C(400ppm差值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]+C(400ppm差值)，
由采集的数据换算二氧化碳浓度的公式推导：换算公式推导根据查表数据，查表数据的求出根据试验几种不同标准浓度测出探测器输出经放大器放大后的电压值，试验数据对应表：{C1/V1；C2/V2；……；Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳标准浓度值，Vn表示标准二氧化碳浓度值测出对应探测器输出的电压值，可推导出二氧化碳浓度换算公式：
C(测量值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]，
其中：V(测量值)指测量出的电压值，C(测量值)指换算出的二氧化碳浓度值；
(3) 温度补偿：C(温度补偿后的标准浓度值)=C(实际浓度值)+C(温度补偿值)，
求C(温度补偿值)的方法：将非色散红外检测仪放置在标准浓度下的二氧化碳气箱中，改变气箱温度并使之平衡然后记录数据：{T1/C1；T2/C2；……；Tn/Cn}，Tn表示不同温度，Cn表示温度在Tn时所对应的二氧化碳浓度，则温度T的补偿值为：C(温度补偿值)=[Cn-C(n-1)]/[Tn-T(n-1)]×[T-T(校正温度)]，其中T在Tn和T[n-1]之间。
所述的采用非色散红外自校正式检测二氧化碳浓度的方法，其特征是：数据采集器内缓冲区的数量为12个。
本发明采用单窗口探测器的非色散红外检测仪，用软件做温度补偿，用自校正方法消除光源老化和气室中进入灰尘的影响，校准方法简单，可消除任何影响测量准确性的因素，如环境中二氧化碳浓度不稳定、环境温度和大气压强的波动、红外光源老化、气室进入灰尘等因素，保证了校正的准确度。本发明的有益效果是：测量精确可靠，抗干扰性强，长时工作稳定性好。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法，采用非色散红外检测仪实施检测，所述的非色散红外检测仪包括红外光源、单窗口探测器、镀金气室和数据采集器，单窗口探测器内设有温度传感器，数据采集器内设有缓冲区和寄存器，其特征是：按预备、自校正数据处理和温度补偿这3个步骤依次进行：
(1) 预备：预备步骤时，对非色散红外检测仪通电30分钟以上，直至镀金气室的温度达到平衡，随后将非色散红外检测仪置于大气流通的洁净场所开始自校正，对大气的要求是二氧化碳含量为360ppm～440ppm且风力不小于2级，；
(2) 自校正数据处理：自校正数据处理步骤包括定时等待、定时采集和数据换算，
定时等待时，定时等待时间为2分钟，定时等待期内数据采集器只采集探测器输出经放大器放大后的电压值，不做任何处理；
定时采集时，定时采集时间为6分钟，定时采集包括数据采集、数据处理和数据存储，
数据采集时，数据采集器连续采集探测器输出经放大器放大后的电压值，并将数据逐个存入缓冲区，缓冲区的数量至少为10个，本实施例取12个，
缓冲区数据存满后执行数据处理，数据处理按如下步骤依次进行：找出缓冲区中数据的最大值和最小值并求出最大值和最小值的差值，令差值为V(最大-最小)，然后剔除最大值和最小值以对剩余的数据求平均值，令平均值为V(平均)，同时测量并记录当前单窗口探测器内温度传感器的温度值，令温度值为T(校正时温度)，
数据存储时，将V(最大-最小)、V(平均)和T(校正时温度)分别存入寄存器；
完成数据存储后，若定时采集时间尚未结束，则重新进行数据采集和数据处理，随后比较本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大于上次平均值，则执行数据存储，将本次平均值V(平均)、差值V(最大-最小)和温度值T(校正时温度)分别存入寄存器以覆盖原有数据，否则保持寄存器原有数值不变，如此循环直至定时采集时间结束，此时寄存器内存储的即为多个平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所对应样本中最大值和最小值的差值V(最大-最小)，和所述平均值最大值所对应时刻探测器温度传感器所测得的温度值T(校正时温度)，
数据换算时，根据下述二氧化碳浓度换算公式：C(测量值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]，并将寄存器中的差值V(最大-最小)代替V测量值换算成二氧化碳浓度值，如果求出的C测量值大于20ppm则返回定时等待步骤重新进行，如果小于20ppm则再定时2分钟，
定时2分钟时间内，首先根据二氧化碳浓度换算公式将寄存器中的平均值V(平均)的最大值代替V(测量值)计算出浓度值，将计算出的浓度值与400ppm比较得出一个差值，即C(400ppm差值)，然后连续采集数据，根据下述实际二氧化碳浓度换算公式将采集的数据代替V(测量值)，求出实际二氧化碳浓度值，直至本次定时结束，将每次求出的实际浓度值判断是否在380ppm～420ppm之间，如果超出这一范围则返回定时等待步骤重新进行，否则跳转正常测量模式，
实际二氧化碳浓度换算公式：
C(实际浓度值)=C(测量值)+C(400ppm差值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]+C(400ppm差值)，
由采集的数据换算二氧化碳浓度的公式推导：换算公式推导根据查表数据，查表数据的求出根据试验几种不同标准浓度测出探测器输出经放大器放大后的电压值，试验数据对应表：{C1/V1；C2/V2；……；Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳标准浓度值，Vn表示标准二氧化碳浓度值测出对应探测器输出的电压值，可推导出二氧化碳浓度换算公式：
C(测量值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]，
其中：V(测量值)指测量出的电压值，C(测量值)指换算出的二氧化碳浓度值；
(3) 温度补偿：C(温度补偿后的标准浓度值)=C(实际浓度值)+C(温度补偿值)，
求C(温度补偿值)的方法：将非色散红外检测仪放置在标准浓度下的二氧化碳气箱中，改变气箱温度并使之平衡然后记录数据：{T1/C1；T2/C2；……；Tn/Cn}，Tn表示不同温度，Cn表示温度在Tn时所对应的二氧化碳浓度，则温度T的补偿值为：C(温度补偿值)=[Cn-C(n-1)]/[Tn-T(n-1)]×[T-T(校正温度)]，其中T在Tn和T[n-1]之间。
Claims (2)
1. 一种采用非色散红外检测二氧化碳浓度具有自校正的方法，采用非色散红外检测仪实施检测，所述的非色散红外检测仪包括红外光源、单窗口探测器、镀金气室和数据采集器，单窗口探测器内设有温度传感器，数据采集器内设有缓冲区和寄存器，其特征是：按预备、自校正数据处理和温度补偿这3个步骤依次进行：
(1) 预备：预备步骤时，对非色散红外检测仪通电30分钟以上，直至镀金气室的温度达到平衡，随后将非色散红外检测仪置于大气流通的洁净场所开始自校正，对大气的要求是二氧化碳含量为360ppm～440ppm且风力不小于2级；
(2) 自校正数据处理：自校正数据处理步骤包括定时等待、定时采集和数据换算，
定时等待时，定时等待时间为2分钟，定时等待期内数据采集器只采集探测器输出经放大器放大后的电压值，不做任何处理；
定时采集时，定时采集时间为6分钟，定时采集包括数据采集、数据处理和数据存储，
数据采集时，数据采集器连续采集探测器输出经放大器放大后的电压值，并将数据逐个存入缓冲区，缓冲区的数量至少为10个，
缓冲区数据存满后执行数据处理，数据处理按如下步骤依次进行：找出缓冲区中数据的最大值和最小值并求出最大值和最小值的差值，令差值为V(最大-最小)，然后剔除最大值和最小值以对剩余的数据求平均值，令平均值为V(平均)，同时测量并记录当前单窗口探测器内温度传感器的温度值，令温度值为T(校正时温度)，
数据存储时，将V(最大-最小)、V(平均)和T(校正时温度)分别存入寄存器；
完成数据存储后，若定时采集时间尚未结束，则重新进行数据采集和数据处理，随后比较本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大于上次平均值，则执行数据存储，将本次平均值V(平均)、差值V(最大-最小)和温度值T(校正时温度)分别存入寄存器以覆盖原有数据，否则保持寄存器原有数值不变，如此循环直至定时采集时间结束，此时寄存器内存储的即为多个平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所对应样本中最大值和最小值的差值V(最大-最小)，和所述平均值最大值所对应时刻探测器温度传感器所测得的温度值T(校正时温度)，
数据换算时，根据下述二氧化碳浓度换算公式：C(测量值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]，并将寄存器中的差值V(最大-最小)代替V测量值换算成二氧化碳浓度值，如果求出的C测量值大于20ppm则返回定时等待步骤重新进行，如果小于20ppm则再定时2分钟，
定时2分钟时间内，首先根据二氧化碳浓度换算公式将寄存器中的平均值V(平均)的最大值代替V(测量值)计算出浓度值，将计算出的浓度值与400ppm比较得出一个差值，即C(400ppm差值)，然后连续采集数据，根据下述实际二氧化碳浓度换算公式将采集的数据代替V(测量值)，求出实际二氧化碳浓度值，直至本次定时结束，将每次求出的实际浓度值判断是否在380ppm～420ppm之间，如果超出这一范围则返回定时等待步骤重新进行，否则跳转正常测量模式，
实际二氧化碳浓度换算公式：
C(实际浓度值)=C(测量值)+C(400ppm差值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]+C(400ppm差值)，
由采集的数据换算二氧化碳浓度的公式推导：换算公式推导根据查表数据，查表数据的求出根据试验几种不同标准浓度测出探测器输出经放大器放大后的电压值，试验数据对应表：{C1/V1；C2/V2；……；Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳标准浓度值，Vn表示标准二氧化碳浓度值测出对应探测器输出的电压值，可推导出二氧化碳浓度换算公式：
C(测量值)=V(测量值)×[Cn-C(n-1)]/[V(n-1)-Vn]，
其中：V(测量值)指测量出的电压值，C(测量值)指换算出的二氧化碳浓度值；
(3) 温度补偿：C(温度补偿后的标准浓度值)=C(实际浓度值)+C(温度补偿值)，
求C(温度补偿值)的方法：将非色散红外检测仪放置在标准浓度下的二氧化碳气箱中，改变气箱温度并使之平衡然后记录数据：{T1/C1；T2/C2；……；Tn/Cn}，Tn表示不同温度，Cn表示温度在Tn时所对应的二氧化碳浓度，则温度T的补偿值为：C(温度补偿值)=[Cn-C(n-1)]/[Tn-T(n-1)]×[T-T(校正温度)]，其中T在Tn和T[n-1]之间。
2. 如权利要求1所述的采用非色散红外自校正式检测二氧化碳浓度的方法，其特征是：数据采集器内缓冲区的数量为12个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20180629 |