CN103674883B - 一种微型中红外气体浓度监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型中红外气体浓度监测方法及装置，该装置采用双波长红外监测原理，辅以合理的微型结构设计，形成一个微型无焦点多次反射气室，在气室内壁镀金反射膜，以增加红外光的反射，使得在微小的空间里红外探测器能够获得足够的信息以反映被测气体的浓度。采用过滤网加防水透气膜的结构进行过滤、防水保护，在保证监测精度的同时，亦能对气室及光学元件进行保护。装置提供数据输出引脚和报警输出引脚，对外输出气体浓度数字信号和开路集电极报警信号，能适应危险场所气体浓度报警的需求。装置自带数字信号处理、温度补偿，具有监测精度高、稳定可靠等优点，满足中红外吸收区气体浓度监测的需要。

Description

一种微型中红外气体浓度监测方法及装置

技术领域

本发明属于气体浓度监测领域，具体涉及一种微型中红外气体浓度监测方法及装置，采用微型结构、双波长红外监测原理、自带数字信号处理和温度补偿的适用于中红外波段的气体浓度监测方法及装置。

背景技术

双波长红外气体浓度监测是目前研究的热点之一，具备如下优点：能测量多种气体、测量范围宽、灵敏度高、精度高、稳定性好、具有良好的选择性、可靠性高、寿命长。

在很多领域对气体浓度监测装置的外形尺寸要求较为严格，本发明装置在安装和应用的诸多场所具有明显优势，是开发者追求的目标。在装置的气室结构设计方面，以往多采用有焦点的反射气室来获得红外光在气室内的多次反射，使得红外探测器能够得到足以反映被测气体浓度变化的信号强度。但是构造一个有焦点的反射气室，需要进行严格的计算并通过精密加工才能获得，这就增加了气室的开发成本。通常，要在微小的装置上集成较复杂的数字信号处理电路，因为空间的限制是比较困难的，人们只得采用复杂的外部电路开发来反映被测气体的浓度，这种做法增加了装置二次开发的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型中红外气体浓度监测方法及装置，该装置采用双波长红外监测原理，辅以合理的微型结构设计形成一个无焦点的多次反射气室，自带数字信号处理、温度补偿，并具有数字信号输出和OC报警输出功能，具有监测精度高、稳定可靠等优点，满足中红外吸收区气体的浓度监测的需要。

本发明采用的技术方案为：一种微型中红外气体浓度监测装置，由防水透气膜1，外壳2，过滤网3，气室壁Ⅰ4，气室壁Ⅱ5，气室壁Ⅲ6，内衬7，电路板Ⅰ8，电路板Ⅱ9，6个电路引脚10，中红外光源11，双通道红外探测器12组成一个整体。其构造是：防水透气膜1紧贴在外壳2上，过滤网3，气室壁Ⅰ4，气室壁Ⅱ5，气室壁Ⅲ6，内衬7，电路板Ⅰ8，电路板Ⅱ9，依次装入外壳之内并粘接牢固，中红外光源11和双通道红外探测器12装在电路板Ⅰ8上，6个电路引脚10焊接在电路板Ⅱ9上，并伸出装置以便于与外部的电连接，电路板Ⅰ8和电路板Ⅱ9之间的空隙灌注密封胶形成密封层14，底部使用盖板15封住。焊接在电路板Ⅰ8上的中红外光源11和双通道红外探测器12通过内衬7隔离，并通过气室壁Ⅲ6上的孔发出或接收红外光，双通道红外探测器12前面设置有参比滤光片16和测量滤光片17，分别通过气室壁Ⅲ6上的透光孔19、20接收红外光强信号，所述的参比滤光片16和测量滤光片17均为窄带干涉滤光片，可通过选择不同波长的滤光片对不同的气体进行测量，气室壁Ⅰ4、气室壁Ⅱ5和气室壁Ⅲ6形成一个无焦点多次反射气室22，气室壁Ⅰ4形成气室的顶面，其上有进气孔21允许气体进入气室，气室壁Ⅱ5形成气室的侧壁并提供气室空间，气室壁Ⅲ6形成气室的底面和提供红外光进入和射出气室的孔，气室内壁面全部镀金反射膜以增加反射率，中红外光源11通过气室壁Ⅲ6上的光源孔18伸入无焦点多次反射气室22内，双通道红外探测器12的参比滤光片16和测量滤光片17的前面分别有参比透光孔19和测量透光孔20形成参比通道和测量通道。无焦点多次反射气室22所占空间较小，使得装置下部空出的空间可以内置较复杂的信号处理电路。

电路板Ⅰ8和电路板Ⅱ9上包括信号放大滤波、A/D转换、数据处理、光源驱动等功能电路，电路板Ⅰ8还包含一个温度探测器，两块电路板之间通过电子连接件13相互联系。配备6个电路引脚10焊接在电路板Ⅱ9并伸出，分别为Vd、GND、TX、RX、OC1、OC2，Vd、GND是提供电源接入的引脚，TX、RX为发送和接收数字信号的引脚，能够对外输出被测气体浓度的数值和写入温度补偿和零点修正等参数，OC1、OC2为开路集电极输出的引脚，分别提供气体浓度的预报警和报警信号，预报警值和报警值可以在连接TX、RX引脚后根据实际使用需求写入。

不同的气体具有不同的特征吸收波长，气体浓度与特征波长处的红外吸收服从Lamber-beer定律，是红外气体浓度监测的理论基础。实际应用中，为了避免光源老化等环境因素变化的影响，常采用双波长监测原理，即选择一个被测气体特征吸收波长作为测量波长，另一个不被气体吸收的波长作为参比波长，来进行气体浓度监测。

根据以上分析，微型中红外气体浓度监测方法是：被监测的气体，经自然扩散进入本装置，经过防水透气膜1除去水分，再经过过滤网3过滤，进入无焦点多次反射气室22。无焦点多次反射气室22由三部分构成，气室壁Ⅰ4，气室壁Ⅱ5，气室壁Ⅲ6构成一个微型空间，中红外光源11发出红外光通过气室壁Ⅲ6的光源孔18进入无焦点多次反射气室22，在无焦点多次反射气室22的镀金反射膜的内表面上经过多次反射后，被被测气体吸收后到达双通道红外探测器12上，双通道红外探测器12的参比滤光片16和测量滤光片17分别选择对应波长的光，输出与光强有光的电压信号，电路板Ⅰ8和电路板Ⅱ9上的信号处理电路通过分析电压信号的强弱变化，得到反映气体浓度信息的吸收变量D，就可以得到气体浓度信息并对外输出数字信号。

为了避免温度所带来的测量误差，建立温度补偿模型，对电压信号随温度的变化关系进行补偿，以消除这种误差。所建立的温度补偿模型通过采集不同温度下，参比电压和测量电压随温度的变化情况，得到吸收变量D随温度变化的关系，采用多项式拟合得到温度补偿模型。根据所建立的温度补偿模型，结合温度探测器测得的实时温度修正吸收变量D后，通过选择几个标准浓度测量点作为标定点，建立吸收变量D与浓度的对应关系，采用查表法得到具体的气体浓度值。根据实际监测的需要，设定装置的预报警值和报警值，在被测气体浓度超过设定值时，通过两个开路集电极输出OC1和OC2输出预报警或报警信号。

本发明的优点以及技术效果为：

本发明通过采用双波长红外监测原理，辅以合理的微型结构设计，设计出一种微型中红外气体浓度监测装置。通过形成一个无焦点多次反射气室并在气室内壁镀金反射膜，增加红外光的反射，使得在微小的空间里红外探测器能够获得足够的信息以反映被测气体的浓度。采用过滤网加防水透气膜的结构进行过滤、防水保护，在保证监测精度的同时，亦能对气室及光学元件进行保护。装置提供数据输出引脚和报警输出引脚，对外输出气体浓度数字信号和开路集电极报警信号，能适应危险场所气体浓度报警的需求。

本发明一种微型中红外气体浓度监测方法及装置，能对CO2、CH4等多种气体进行监测，是石油、化工、矿业工程等领域气体浓度监测和报警必不可少的关键技术，其推广应用将有利于提升这些行业的安全和保障相关从业人员的安全。

附图说明：

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2为本发明的装置的零部件组成图；

图3为本发明的装置的光源和探测器安装图；

图4为本发明的装置的无焦点多次反射气室构成图；

图5为本发明的装置的电路引脚示意图；

图6为本发明的信号处理流程图；

图中：1.防水透气膜，2.外壳，3.过滤网，4.气室壁Ⅰ，5.气室壁Ⅱ，6.气室壁Ⅲ，7.内衬，8.电路板Ⅰ，9.电路板Ⅱ，10.6个电路引脚，11.中红外光源，12.双通道红外探测器，13.电子连接件，14.密封层，15.盖板，16.参比滤光片，17.测量滤光片，18.光源孔，19.参比透光孔，20.测量透光孔，21.进气孔，22.无焦点多次反射气室。

具体实施方式

以CO2和CH4为例，本实施例的结构如图1和图2所示，由防水透气膜1，外壳2，过滤网3，气室壁Ⅰ4，气室壁Ⅱ5，气室壁Ⅲ6，内衬7，电路板Ⅰ8，电路板Ⅱ9，6个电路引脚10，中红外光源11，双通道红外探测器12组成一个整体。其构造是：防水透气膜1紧贴在外壳2上，过滤网3，气室壁Ⅰ4，气室壁Ⅱ5，气室壁Ⅲ6，内衬7，电路板Ⅰ8，电路板Ⅱ9，依次装入外壳之内并粘接牢固，中红外光源11和双通道红外探测器12装在电路板Ⅰ8上，6个电路引脚10焊接在电路板Ⅱ9上，并伸出以便于与外部的电连接，装置中的空隙灌注密封胶形成密封层14，底部使用盖板封住。光源和探测器的安装如图3所示，中红外光源11和双通道红外探测器12焊接在电路板Ⅰ8上，并通过内衬7隔离，通过气室壁Ⅲ6上的孔发出或接收红外光，双通道红外探测器12前面设置有参比滤光片16和测量滤光片17，分别通过气室壁Ⅲ6上的透光孔19、20接收红外光强信号，所述的参比滤光片16和测量滤光片17均为窄带干涉滤光片，可针对不同的测量气体选择不同波长的滤光片。气室壁Ⅰ4、气室壁Ⅱ5和气室壁Ⅲ6形成一个无焦点多次反射气室22（如图4所示），气室壁Ⅰ4形成气室的顶面，其上有进气孔21允许气体进入气室，气室壁Ⅱ5形成气室的侧壁并提供气室空间，气室壁Ⅲ6形成气室的底面和提供红外光进入和射出气室的孔，气室内壁面全部镀金反射膜以增加反射率，中红外光源11通过气室壁Ⅲ6上的光源孔18伸入无焦点多次反射气室22内，双通道红外探测器12的参比滤光片16和测量滤光片17的前面分别有参比透光孔19和测量透光孔20形成参比通道和测量通道。无焦点多次反射气室22所占用空间较小，使得装置下部空出的空间可以内置较复杂的电路。

电路板Ⅰ8和电路板Ⅱ9上包括信号放大滤波、A/D转换、数据处理、光源驱动等功能电路，电路板Ⅰ8还包含一个温度探测器，两块电路板之间通过电子连接件13相互联系。装置配备6个电路引脚10，焊接在电路板Ⅱ9上并伸出，其分布如图3所示，分别为Vd、GND、TX、RX、OC1、OC2，Vd、GND是提供电源接入的引脚，TX、RX为发送和接收数字信号的引脚，能够对外输出被测气体浓度的数值和写入温度补偿和零点修正等参数，OC1、OC2为开路集电极输出的引脚，分别提供气体浓度的预报警和报警信号，预报警值和报警值可以根据实际使用需求自由设置，在连接TX、RX引脚后写入即可。

所述的测量滤光片17和参比滤光片16均为窄带干涉滤光片，针对CH4选择的测量滤光片17的中心波长为3.4μm±70nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片16的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm；针对CO2选择的测量滤光片17的中心波长为4.26μm±50nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片16的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm。

装置工作时，被监测的气体，经自然扩散进入本装置，经过防水透气膜1除去水分，再经过过滤网3过滤，进入无焦点多次反射气室22。无焦点多次反射气室22由三部分构成，气室壁Ⅰ4，气室壁Ⅱ5，气室壁Ⅲ6构成一个微型空间，中红外光源11发出红外光通过气室壁Ⅲ6的光源孔18进入无焦点多次反射气室22，在气室壁Ⅰ4和气室壁Ⅱ5的镀金反射膜表面上经过多次反射后，被被测气体吸收后到达双通道红外探测器12上，双通道红外探测器12的参比滤光片16和测量滤光片17分别选择对应波长的光，输出与光强有光的电压信号，电路板Ⅰ8和电路板Ⅱ9上的功能电路通过分析电压信号的强弱变化，得到反映气体浓度信息的吸收变量D，就可以得到气体浓度信息并对外输出数字信号。

数据处理流程如图6所示，为了避免温度所带来的测量误差，建立温度补偿模型，对电压信号随温度的变化关系进行补偿，以消除这种误差。所建立的温度补偿模型通过采集不同温度下，参比电压和测量电压随温度的变化情况，得到吸收变量D随温度T变化的关系，采用多项式拟合得到温度补偿模型：将任意温度T下的吸收变量D_T补偿到环境温度20℃时的标准值。根据所建立的温度补偿模型，结合温度探测器测得的实时温度，对吸收变量D_T进行补偿后，通过选择几个标准浓度测量点作为标定点，建立温度补偿后的吸收变量与浓度的对应关系，采用查表法得到具体的气体浓度值。根据实际监测的需要，设定装置的预报警值和报警值，在被测气体浓度超过设定值时，通过两个开路集电极输出OC1和OC2输出预报警或报警信号，然后可通过外接电路或软件给出报警信号和相关控制。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种微型中红外气体浓度监测方法，其特征在于：该方法使用的微型中红外气体浓度监测装置由防水透气膜(1)，外壳(2)，过滤网(3)，气室壁Ⅰ(4)，气室壁Ⅱ(5)，气室壁Ⅲ(6)，内衬(7)，电路板Ⅰ(8)，电路板Ⅱ(9)，6个电路引脚(10)，中红外光源(11)，双通道红外探测器(12)组成一个整体，其构造是：防水透气膜(1)紧贴在外壳(2)上，过滤网(3)，气室壁Ⅰ(4)，气室壁Ⅱ(5)，气室壁Ⅲ(6)，内衬(7)，电路板Ⅰ(8)，电路板Ⅱ(9)，依次装入外壳之内并粘接牢固，中红外光源(11)和双通道红外探测器(12)焊接在电路板Ⅰ(8)上，并通过内衬(7)隔离和通过气室壁Ⅲ(6)上的孔发出或接收红外光，6个电路引脚(10)焊接在电路板Ⅱ(9)上，并伸出以便于装置与外部的电连接，电路板Ⅰ(8)和电路板Ⅱ(9)之间的空隙灌注密封胶形成密封层(14)，底部用盖板(15)封住；

双通道红外探测器(12)前面设置有参比滤光片(16)和测量滤光片(17)，分别通过气室壁Ⅲ(6)上的参比透光孔(19)、测量透光孔(20)接收红外光强信号，所述的参比滤光片(16)和测量滤光片(17)均为窄带干涉滤光片，可通过选择不同波长的滤光片对不同的气体进行测量；

气室壁Ⅰ(4)、气室壁Ⅱ(5)和气室壁Ⅲ(6)形成一个无焦点多次反射气室(22)，气室壁Ⅰ(4)形成气室的顶面，其上有进气孔(21)允许气体进入气室，气室壁Ⅱ(5)形成气室的侧壁并提供气室空间，气室壁Ⅲ(6)形成气室的底面和提供红外光进入和射出气室的孔，气室内壁面全部镀金反射膜以增加反射率，中红外光源(11)通过气室壁Ⅲ(6)上的光源孔(18)伸入无焦点多次反射气室(22)内，双通道红外探测器(12)的参比滤光片(16)和测量滤光片(17)的前面分别有参比透光孔(19)和测量透光孔(20)形成参比通道和测量通道；

电路板Ⅰ(8)和电路板Ⅱ(9)上包括信号放大滤波、A/D转换、数据处理、光源驱动功能电路，电路板Ⅰ(8)还包含一个温度探测器，两块电路板之间通过电子连接件(13)相互联系，电路板Ⅱ(9)上配备6个电路引脚，分别为Vd、GND、TX、RX、OC1、OC2，Vd、GND是提供电源接入的引脚，TX、RX为发送和接收数字信号的引脚，能够对外输出被测气体浓度的数值和写入温度补偿和零点修正参数，OC1、OC2为开路集电极输出的引脚，分别提供气体浓度的预报警和报警信号，预报警值和报警值可以在连接TX、RX引脚后根据实际使用需求写入；

所述的测量滤光片(17)和参比滤光片(16)均为窄带干涉滤光片，针对CH4选择的测量滤光片(17)的中心波长为3.4μm±70nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片(16)的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm；针对CO2选择的测量滤光片(17)的中心波长为4.26μm±50nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片(16)的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm；

被监测的气体，经自然扩散进入所述的微型中红外气体浓度监测装置，经过防水透气膜(1)除去水分，再经过过滤网(3)过滤，进入无焦点多次反射气室(22)，无焦点多次反射气室(22)由三部分构成，气室壁Ⅰ(4)，气室壁Ⅱ(5)，气室壁Ⅲ(6)构成一个微型空间，中红外光源(11)发出红外光通过气室壁Ⅲ(6)的光源孔(18)进入气室，在无焦点多次反射气室(22)的镀金反射膜的内表面上经过多次反射后，被被测气体吸收后到达双通道红外探测器(12)上，双通道红外探测器(12)的参比滤光片(16)和测量滤光片(17)分别选择对应波长的光，输出与光强有关的电压信号，电路板Ⅰ(8)和电路板Ⅱ(9)上的信号处理电路通过分析电压信号的强弱变化，得到一个反映气体浓度的吸收变量D，就可以得到气体浓度信息并对外输出数字信号；

为了避免温度所带来的测量误差，建立温度补偿模型，对电压信号随温度的变化关系进行补偿，以消除这种误差，所建立的温度补偿模型通过采集不同温度下，参比电压和测量电压随温度的变化情况，得到吸收变量D随温度变化的关系，采用多项式拟合得到温度补偿模型，根据所建立的温度补偿模型，结合温度探测器测得的实时温度修正吸收变量D后，通过选择几个标准浓度测量点作为标定点，建立吸收变量D与浓度的对应关系，采用查表法得到具体的气体浓度值，根据实际监测的需要，设定预报警值和报警值，在被测气体浓度超过设定值时，通过两个开路集电极输出OC1和OC2输出预报警或报警信号。