CN103364530B

CN103364530B - 远程气体监测系统及方法

Info

Publication number: CN103364530B
Application number: CN201310303648.1A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 赵骏; 邓新欣; 陈训龙; 沈旭; 穆文潮
Original assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Current assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: CN103364530A

Abstract

本发明提供了一种远程气体监测系统及方法，所述气体监测系统包括：至少二个检测单元，每一检测单元包括传感器、存储器、处理器；所述处理器的输出信号通过第一网络传送到处理单元，所述存储器内的抗交叉干扰参数A_ji通过第二网络传送到所述处理单元，i＝1、2、3...N，N≥2，N为待测环境中的至少部分气体种类数；处理单元，所述处理单元处理接收到的所述输出信号抗交叉干扰参数A_ji，从而获得待测气体的种类及含量K_j，并传送到发射单元；发射单元，所述发射单元用于通过第三网络将接收到的待测气体的种类及含量传送到监管平台。本发明具有抗交叉干扰、检测准确、维护性好、低功耗等优点。

Description

远程气体监测系统及方法

技术领域

本发明涉及气体监测，特别涉及抗交叉干扰的远程气体监测系统及方法。

背景技术

在化工园区、污水处理厂、垃圾焚烧厂等企业的生产、加工过程中，会无组织的排放大量危险物质，其中H₂S、HCL、COCL₂(光气)、CL₂、NH₃、HF、SO₂、NO₂等是其中最常见、危害最大的气体。这些气体排放到大气中，不仅破坏了大气环境，而且严重威胁到了人身健康。在这些工厂企业周边建立危险物质自动监测网络，对危险物质的排放和扩散进行监测和预警，能有有效的保护环境和居民的健康。

在危险物质自动监测网络中，由于环境中气体成分复杂，因此能够长期工作在野外环境的远程危险气体监测设备是实现“快速定性、准确定量分析”的关键。目前，能够实现多气体定性定量分析的传统分析仪器包括“色质联用仪”、“傅里叶红外气体监测系统”、“DOAS”等，虽然这些仪器具有探测下限低、量程大等优点，但需要建立危险物质监测网络，也即在野外5～10Km范围内布置大量气体检测设备。上述仪器都需要复杂的气体采样、预处理系统，需要日常的校准和维护，且成本高昂，在野外无供电条件下也无法长期连续工作。因此，传统的分析仪器不能作为远程的危险气体检测设备使用。

除了采用分析仪器来检测多种危险气体的组分，也可以采用气体传感器原理的监测设备来检测危险气体，采用气体传感器原理的气体监测设备具有使用寿命长(＞1年)、成本适中等优点。然而气体传感器大都会受到其他气体的交叉干扰(即对一个气体传感器对多种气体有响应)，导致定性困难和测量结果不准确，此外这些器件的高功耗也使之不能用于野外的长期连续工作。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种抗交叉干扰、检测精度高、功耗低、维护性好、低成本的气体监测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种远程气体监测系统，所述气体监测系统包括：

至少二个检测单元，每一检测单元包括传感器、存储器、处理器；所述处理器的输出信号通过第一网络传送到处理单元，所述存储器内的抗交叉干扰参数A_ji通过第二网络传送到所述处理单元，i＝1、2、3...N，N≥2，N为待测环境中的至少部分气体种类数；

处理单元，所述处理单元处理接收到的所述输出信号抗交叉干扰参数A_ji，从而获得待测气体的种类及含量K_j，并传送到发射单元；

发射单元，所述发射单元用于通过第三网络将接收到的待测气体的种类及含量传送到监管平台。

根据上述的气体监测系统，可选地，所述每一检测单元还包括：

过滤器，所述过滤器用于过滤进入传感器的气体。

根据上述的气体监测系统，可选地，所述气体监测系统进一步包括：

控制单元，所述控制单元用于唤醒和休眠所述检测单元、发射单元。

根据上述的气体监测系统，所述抗交叉干扰参数A_ji为任一传感器对所述环境内的每一种待测气体的检测灵敏度。

温度传感器，所述温度传感器用于获得所述检测单元所处环境的温度并通过第一网络传送到所述处理单元；

所述处理单元利用所述环境的温度处理所述含量K_j，从而获知待测气体的真实含量值。

储能单元，所述储能单元用于为所述检测单元、处理单元和发射单元供电。

本发明的目的还在于提供了一种抗交叉干扰、检测精度高的气体监测方法，该发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种远程气体监测方法，所述气体监测方法包括以下步骤：

(A1)至少两个传感器将检测到的信号通过第一网络传送到处理单元，i＝1、2、3...N，N≥2，N为待测环境中的至少部分气体种类数；

对应于每个传感器的存储器内的抗交叉干扰参数A_ji通过第二网络传送到所述处理单元；

(A2)处理单元处理接收到的所述信号抗交叉干扰参数A_ji，从而获得待测气体的种类及含量K_j，并传送到发射单元；

(A3)发射单元通过第三网络将接收到的待测气体的种类及含量传送到监管平台。

根据上述的气体监测方法，优选地，所述抗交叉干扰参数A_ji的获得方式为：

将各种待测气体通入任一传感器，从而获得任一传感器对每一种待测气体的检测灵敏度A_ji。

根据上述的气体监测方法，可选地，所述气体监测方法进一步包括：

控制单元休眠和唤醒所述传感器、发射单元。

根据上述的气体监测方法，可选地，利用储能单元为所述传感器、处理单元及发射单元供电。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、引入了抗气体间交叉干扰的算法，解决了传统气体探测器在复杂背景气体下数据可信度差、检测精度低的问题

2、依托现有无线网络(移动公网)的数据业务，实现了系统在野外大空间范围的大规模组网，为危险物质监测网络提供了坚实的通讯条件。解决了采用无线传感器网络中采用Zigbee或无线电等方式通讯距离短、通讯可靠性差的问题；

3、通过低功耗设备和电源管理技术(周期性的休眠和唤醒用电单元)，使得系统仅凭电池等储能单元即可工作2年以上，而采用电池组直接供电，不但使得系统易于安装和维护，而且解决了由于使用太阳能供电而带来的防爆危险区的问题。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例1的气体监测系统的结构简图；

图2是根据本发明实施例1的监测方法的流程图。

具体实施方式

图1、2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的远程气体监测系统的结构简图，如图1所示，所述多气体监测系统包括：

至少二个检测单元，每一检测单元包括传感器、存储器、处理器；如设置4个检测单元，以检测HF、HCN、CL₂、NH₃等4种有毒气体的浓度，所述处理器的输出信号通过第一网络(有线或无线)传送到处理单元，所述存储器内的抗交叉干扰参数A_ji通过第二网络(有线或无线)传送到所述处理单元，i＝1、2、3...N，N≥2，N为待测环境中的至少部分气体种类数；优选地，所述抗交叉干扰参数A_ji为任一传感器对所述环境内的每一种待测气体的检测灵敏度，也即任一传感器受到其它气体干扰时的交叉干扰度。优选地，所述第一网络和第二网络共用。

发射单元，所述发射单元用于通过第三网络(有线或无线)将接收到的待测气体的种类及含量传送到监管平台，从而将检测结果远程传送到企业监管平台，以便企业调整生产、预警、提高安全措施。

为了提高传感器的工作寿命，可选地，所述每一检测单元还包括：

过滤器，所述过滤器用于过滤进入传感器的气体。

为了降低整个系统的能耗，可选地，所述气体监测系统进一步包括：

为了进一步提高检测的准确性，可选地，所述气体监测系统进一步包括：

为了适应野外检测的需要，可选地，所述气体监测系统进一步包括：

储能单元，所述储能单元用于为所述检测单元、处理单元和发射单元供电。所述储能单元可采用电池、超级电容组。

图2示意性地给出了远程气体监测方法的流程图，如图2所示，所述监测方法包括以下步骤：

对应于每个传感器的存储器内的抗交叉干扰参数A_ji通过第二网络传送到所述处理单元；所述抗交叉干扰参数A_ji为任一传感器对所述环境内的每一种待测气体的检测灵敏度，也即任一传感器受到其它气体干扰时的交叉干扰度。

(A2)处理单元处理接收到的所述信号抗交叉干扰参数A_ji，也即利用已知的A_ji及测得的A_i去解方程组从而获得待测气体的种类及含量K_j，并传送到发射单元；

为了降低系统的功耗，可选地，所述气体监测方法进一步包括：

利用控制单元周期性地休眠和唤醒所述传感器、发射单元。

为了适应野外检测的需要，可选地，利用储能单元为所述传感器、处理单元及发射单元供电，如采用电池组、超级电容组供电。

实施例2：

根据本发明实施例1的远程气体监测系统及方法在化工园区有毒气体检测中的应用例。具体检测HF、HCN、CL₂、NH₃、HCL、COCL₂、SO₂等7种气体的含量，环境中还具有O₂、N₂、CO₂等气体。

在该应用例中，使用7个检测单元，每个检测单元由过滤器、气体传感器、处理器和存储器组成。所述气体传感器分别用于检测HF、HCN、CL₂、NH₃、HCL、COCL₂、SO₂；过滤器的作用是过滤空气中的颗粒物以保护传感器，气体传感器将气体浓度信号转换为可由ADC采样的电信号，然后处理器接收经过ADC的数字信号得到未经过补偿和校正的气体浓度值。未经校正的气体浓度值在存在干扰气体的情况下会偏离气体浓度的实际值。为了抑制气体交叉干扰，并提高检测精度，所有的存储器都存储了该传感器受到其他气体干扰时的交叉干扰度参数(例如CL₂传感器对NH₃、HCN等其他6种传感器的响应度)以及温度校正参数。同时，气体探测模块中处理器的作用是对传感器信号进行采样，同时将采样值、交叉干扰、温度校正参数等数据通过I2C总线传到处理单元。

温度传感器采用Pt100传感器，在-40℃～85℃的温度范围内，温度检测精度可以达到0.1℃，温度和温度校正系数是对气体浓度进行校正的输入数据。

处理单元用于接收7个检测单元输出的检测数据和温度传感器的输出，并应用交叉干扰抑制算法和温度补偿算法，对这些传感数据进行融合，从而识别出当前存在于环境空气中的气体类型，并进一步分析出此气体的准确浓度。从而实现快速定性和准确定量的检测要求。

发射单元采用移动公网提供的GPRS(或CDMA、WCDMA等)业务进行通讯。由于气体检测设备通常布置在污染源周界和周边5Km～15Km范围内，通常处于野外，与数据中心距离很远，采用GPRS通讯可以充分利用移动公网信号覆盖好的优点，保证可靠通讯。

锂电池组为整个设备提供持续的供电电源。

中央控制单元的作用是协调设备中的各模块工作，并负责控制发射单元与远程的数据中心通讯，同时它还有一项重要功能：即通过使系统定期的休眠和唤醒确保设备以mW级的平均功耗工作。

上述交叉干扰抑制算法具体为：

抗交叉干扰参数的获取方式如下：假定a气体传感器对a气体的检测灵敏度为A_aa，单位为V/ppm，同时对其它交叉干扰气体的检测灵敏度A_ba、A_ca..。为获得a传感器的抗交叉干扰参数，就要将不同类型的交叉干扰气体分别通入该传感器，并在每次通气后通新鲜氮气吹扫，由此记录a气体传感器对不同类型的交叉干扰气体的响应数据。由此可以得到a气体传感器对不同类型气体的检测灵敏度。这些检测灵敏度作为该传感器的抗交叉干扰参数存储在智能传感器的存储器内。同样对b、c、d等气体传感器，通过同样的方法可以分别得到一组交叉检测灵敏度，如b气体传感器的交叉检测灵敏度为B_ab、B_cb...、c气体传感器的交叉检测灵敏度为C_ac、、C_bc...。

7个检测单元工作在多组分气体的场所，多组分的危险气体通过扩散方式进入各个检测单元，每种气体传感器的实际响应是对这些气体的响应之和。若待测的a、b、c...等气体的实际浓度分别为K_a、K_b、K_c...。则a气体传感器的实测响应可以表达为A＝K_a*A_aa+K_b*A_ba+K_c*A_ca+....

将a、b、c...等不同传感器测得信号，连同预先储存于存储器中的抗交叉干扰参数A_ba、A_ca..、B_ab、B_cb...、C_ac、、C_bc...等通过I2C总线送入处理单元中，即可联立得到1个7元1次方程组，通过运算可以求得A、B、C...气体的实际浓度。根据这些计算得到的实际浓度，并结合测得环境温度而扣除各气体传感器的零漂，即可得出当前的多组分气体的气体种类和各组分的实际浓度。从而实现了对危险气体的定性和定量分析。

控制单元内置了低功耗处理器，运行功耗仅为0.18uA/MHz，控制单元用于将处理单元送来的气体类型和浓度数据进行打包，通过发射单元发送心跳包以保持通讯链路的连接，气体类型和浓度等数据则是周期性的传送到化工园区的调度中心。为了实现远程气体监测终端在野外长期连续工作，控制单元周期性的唤醒和休眠检测单元和发射单元，以保持最低的平均功耗。这样，仅采用内置于防爆机箱内的锂电池组就可以实现长达12个月的连续工作，符合在电气爆炸性危险区域工作的电气设备的隔爆性能要求。

实施例3：

根据本发明实施例1的远程气体监测系统及方法在化工园区有毒气体检测中的应用例。具体检测HF，检测环境内还具有HCN、CL₂、NH₃、HCL、COCL₂、SO₂、O₂、N₂、CO₂等气体。

在该应用例中，为了更精确地检测HF的含量，需要设置7个检测单元，每个检测单元由过滤器、气体传感器、处理器和存储器组成。所述气体传感器分别用于检测待测环境中HF、HCN、CL₂、NH₃、HCL、COCL₂、SO₂的含量，其中过滤器的作用是过滤空气中的颗粒物以保护传感器，气体传感器将气体浓度信号转换为可由ADC采样的电信号，然后处理器接收经过ADC的数字信号得到未经过补偿和校正的气体浓度值。未经校正的气体浓度值在存在干扰气体的情况下会偏离气体浓度的实际值。为了抑制气体交叉干扰，并提高检测精度，所有的存储器都存储了该传感器受到其他气体干扰时的交叉干扰度参数(例如CL₂传感器对NH₃、HCN等其他6种传感器的响应度)以及温度校正参数。同时，气体探测模块中处理器的作用是对传感器信号进行采样，同时将采样值、交叉干扰、温度校正参数等数据通过I2C总线传到处理单元。

锂电池组(或超级电容组)为整个设备提供持续的供电电源。

上述交叉干扰抑制算法具体为：

将a、b、c...等不同传感器测得信号，连同预先储存于存储器中的抗交叉干扰参数A_ba、A_ca..、B_ab、B_cb...、C_ac、、C_bc...等通过I2C总线送入处理单元中，即可联立得到1个7元1次方程组，通过运算可以求得HF、HCN、CL₂、NH₃、HCL、COCL₂、SO₂气体的实际浓度。根据这些计算得到的实际浓度，并结合测得环境温度而扣除各气体传感器的零漂，即可得出当前的多组分气体的气体种类和各组分的实际浓度。从而实现了对危险气体的定性和定量分析。

在上述实施例中，提供的检测单元至少为二个，检测单元的数量和待测环境中的气体种类数N不完全相同，也即，(对应于不同气体种类的)气体传感器的数量小于或等于待测环境中气体的种类数。为了使检测做到最好，检测单元(气体传感器的种类)的数量等于环境中气体的种类数，但为了实施的方便与满足成本要求，检测单元的数量是低于环境中气体的种类数的，也即，牺牲了一定的检测精度。

Claims

1.一种远程气体监测系统，所述气体监测系统包括：

至少二个检测单元，每一检测单元包括传感器、存储器、处理器；气体经过扩散进入传感器，所述处理器的输出信号通过第一网络传送到处理单元，所述存储器内的抗交叉干扰参数A_ji通过第二网络传送到所述处理单元，i＝1、2、3...N,N≥2，N为待测环境中的至少部分气体种类数；

2.根据权利要求1所述的气体监测系统，其特征在于：所述每一检测单元还包括：

过滤器，所述过滤器用于过滤进入传感器的气体。

3.根据权利要求1所述的气体监测系统，其特征在于：所述气体监测系统进一步包括：

4.根据权利要求1所述的气体监测系统，其特征在于：所述抗交叉干扰参数A_ji为任一传感器对所述环境内的每一种待测气体的检测灵敏度。

5.根据权利要求1所述的气体监测系统，其特征在于：所述气体监测系统进一步包括：

6.根据权利要求1所述的气体监测系统，其特征在于：所述气体监测系统进一步包括：

7.一种远程气体监测方法，所述气体监测方法包括以下步骤：

(A1)气体经过扩散进入传感器，至少两个传感器将检测到的信号通过第一网络传送到处理单元，i＝1、2、3...N,N≥2，N为待测环境中的至少部分气体种类数；

8.根据权利要求7所述的气体监测方法，其特征在于：所述抗交叉干扰参数A_ji的获得方式为：

将各种待测气体通入任一传感器，从而获得任一传感器对每一种待测气体的检测灵敏度。

9.根据权利要求7所述的气体监测方法，其特征在于：所述气体监测方法进一步包括：

控制单元休眠和唤醒所述传感器、发射单元。

10.根据权利要求7所述的气体监测方法，其特征在于：利用储能单元为所述传感器、处理单元及发射单元供电。