CN104764693B - 带自动量程校准的便携式红外气体分析仪及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪,包括预处理单元、分析单元、主监控单元、标定单元和校正单元，所述分析单元包括光源、吸收气室和接收气室，所述光源产生红外线光并射入所述吸收气室，所述标定单元进行零点校正和量程标定并将标定完成后的气体送入所述接收气室，所述校正单元通过计算实际环境变化导致的偏移增量对样气浓度的测量接管进行自动修正；本发明可以对测量结果进行自动校正，不仅克服了测量环境对测量的影响，确保了系统的测量精度，无需另配置预处理单元的情况下就可长时间分析，节省成本、便于携带。
Description
技术领域
本发明涉及测控领域，尤其涉及一种带自动量程校准的便携式红外气体分析仪及校准方法。
背景技术
气体分析仪是一种测量气体成分的流程分析仪表。在很多生产过程中，特别是在存在化学反应的生产过程中，仅仅根据温度、压力、流量等物理参数进行自动控制常常是不够的。由于被分析气体的千差万别和分析原理的多种多样，气体分析仪的种类繁多。常用的气体分析方法主要有：红外吸收法、紫外吸收法和傅里叶红外法。
傅里叶红外法测量仪器属于高温测量原理需要进行其实的保温处理且需要提供外部辅助计算装置，因此体积大、重量轻，不适合用在便携式测量仪中；紫外吸收法仪器虽然精度较高但其中的关键部件(紫外光灯)不适合时断时续的工作且体积大、发热量高也不太适合便携式携带。因此目前使用的便携式分析仪大多采用电化学原理的传感器，但其缺点十分明显：一方面，其监测范围受限；监测范围不能超过其暴露能力范围；不能负荷超载，否则影响它的准确性，传感器也相应地时常处于饱和状态；另一方面，当气体浓度低于常规范围，会削弱反映的信号，加上环境噪声干扰，使仪器读数不准确，从而降低了仪器的准确性和分辨率。
另外，利用氧化还原反应产生电流是电化学传感器的基本工作原理，而这种原理对于绝大多数气体都是成立的，而现实检测环境中几乎不存在单一气体，因此必然导致待测气体交叉影响。这种交叉影响目前只能通过实验室数据进行固定修正，而没有根本的解决方法，从而导致其精度真实性降低。其次，由于设备采用氧化还原反应原理，待测气体浓度越大，氧化反应越剧烈，设备消耗相应也就越大。如果经常检测高浓度气体，传感器每次只能分析几分钟后就失效，大大影响了整体工作进度，并提高检测成本。再次，由于传感器以前曝光的时间和温度(Arrhenius Law)相互交叉影响，从而导致NO传感器的零点漂移，而这种零点漂移，不能单一通过温度补偿来解决，从而降低了NO气体的检测精度。特别是浓度较高的一氧化碳对二氧化硫的影响，高浓度二氧化硫对一氧化氮的测量影响非常大，从而导致这两种气体的检测精度较低。
传统的电化学传感器只能通过外供被测气体通过消耗传感器实现标定，无法自动标定。而现场标定需要提供各种标准气体，不便于使用。而红外吸收法的分析仪器，作为气体分析设备，工业烟气(样气)不能直接进入分析仪器，需要外部提供预处理装置和仪器标定装置。这样的外置标定装置一般体积庞大，且需要组装调试，不利于携带。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种带自动量程校准的便携式红外气体分析仪及校准方法，用于解决目前采用电化学分析原理的便携式分析仪器,仪器的准确性和分辨率较低、使用成本高、不便于携带的问题。
本发明提供的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪的校准方法，包括
c.构建不同指定浓度的气体环境，并获取对应浓度下的输出电压值；
d.利用如下公式获取环境变化导致的偏移增量：
其中，a、b为线性化修正系数；vm为在指定气体浓度下，便携式红外气体分析仪的输出电压值；vc0为目标气体的浓度c＝0时,参考标定状态下的参考电压值；vm0为目标气体的浓度c＝0时，便携式红外气体分析仪的输出电压值；vc为在指定浓度下，参考标定状态下的参考电压值；c为气体浓度；Δd为因实际环境变化导致的偏移增量；e.根据偏移增量对测量结果进行自动校准。
进一步，步骤d包括将步骤c中的各指定浓度及相应指定浓度下的输出电压值分别代入步骤d中的公式，确定所述偏移增量和修正系数。
进一步，所述指定气体浓度包括气体浓度为零，并在测量前将偏移增量设置为零。
进一步，在步骤c前包括
b.将气体非待测成份气体进行过滤。
进一步，在步骤b之前还包括
a.将日常空气作为零点气体并在仪器开始测量前完成零点校正和量程标定。
进一步，根据朗伯特—比尔定律测量出气体吸收前后的能量差，获取被测样气的浓度并根据所述偏移增量对测量结果自动进行校准。
一种带自动量程校准的便携式红外气体分析仪，包括预处理单元、分析单元、主监控单元、标定单元和校正单元，
所述分析单元包括光源、吸收气室和接收气室，所述光源产生红外线光并射入所述吸收气室，所述标定单元进行零点校正和量程标定并将标定完成后的气体送入所述接收气室，所述校正单元通过计算实际环境变化导致的偏移增量对样气浓度的测量结果进行自动修正。
进一步，所述预处理单元包括样气预处理单元和信号预处理单元，所述样气预处理单元用于对待检气体进行处理，使待检气体满足气体分析时所需达到的指标要求，所述信号预处理单元将被测样气浓度信号进行处理并提供给主监控单元。
进一步，所述校正单元在仪器使用前将偏移增量设置为零，并构建指定的不同浓度的气体环境，获取相应气体浓度下的输出电压值。
进一步，所述接收气室中设置有转换装置，所述转换装置将被测气体浓度变化转换为电信号并传递给信号预处理单元。
进一步，所述信号预处理单元包括电荷放大器、放大电路、整形电路和滤波电路，所述电信号变化通过电荷放大器处理后，经过所述放大电路、整形电路和滤波电路处理后将信号传递至主监控单元。
本发明的有益效果：本发明可以对测量结果进行自动校正，不仅克服了测量环境造成的如光源电压波动、电子器件噪声、光学镜片老化、气体吸收峰值交叉干扰以及零点气体不纯等情况对测量的影响，确保了系统的测量精度，而且实现了真正意义上的零点、量程全自动标定，同时还减少了现场标定所需的各种标准气体，并且分析仪内置了简单有效的预处理单元，以保证分析仪可以在现场直接使用，在无需另配置预处理单元的情况下就可长时间分析，节省成本、便于携带。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明的样气与处理单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的结构示意图，图3是本发明的样气与处理单元的结构示意图。如图1、2、3所示
本实施例中的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪，包括预处理单元、分析单元、主监控单元4、标定单元11和校正单元，
所述分析单元包括光源7、吸收气室10和接收气室12，所述光源7产生红外线光并射入所述吸收气室10，所述标定单元11进行零点校正和量程标定并将标定完成后的气体送入所述接收气室12，所述校正单元通过计算实际环境变化导致的偏移增量对样气浓度的测量结果进行自动修正。本发明的便携式气体分析仪器采用红外吸收法原理，提高了气体分析仪器的测量精度。并添加了内置校正单元，实现了真正意义上的零点、量程全自动标定，减少了现场标定所需的各种标准气体(瓶)。分析仪内置了简单有效的预处理单元，以保证分析仪可以在现场直接就可长时间分析，而无需外置预处理装置。本实施例中的便携式红外气体分析仪全部重量大约20公斤，长、宽、高大约都在450mm至500mm，体积小巧，便于携带，操作简便，测量精度高。
如图1所示，本实施例中的便携式红外气体分析仪预处理单元包括样气预处理单元和信号预处理单元3，所述样气预处理单元用于对待检气体进行处理，使待检气体满足气体分析时所需达到的指标要求，所述信号预处理单元3将被测样气浓度信号进行处理并提供给主监控单元。所述样气预处理单元对待检气体进行处理，使待检气体达到气体分析时所需要的温度、压力、流量及洁净度等指标；
如图3所示，为达到气体分析对温度、压力、流量、洁净度等技术指标的需要，样气(待检气体)由A口被抽气泵101抽入，输入气体压力为：-3KPa至20Kpa),样气进入冷凝器102(冷却温度至：3至5℃)，然后通过气路切换阀103进入过滤器104(过滤的颗粒直径<0.5μ)，在经过流量调节单元105调整流量至40-60升/小时，经过预处理的样气由流量调节单元105的C口进入红外线气体分析单元的吸收室进行分析；冷凝器102通过管道连接排液装置106，处理过程中的水分经由排液装置106的B口直接排到仪器外。另外在气路切换阀103上设置D口，D口可方便通入第三方标准气体对仪器进行精度检验。如图1所示，信号预处理单元3通过电荷放大器可以将高内阻的电荷变化转换为低内阻的电压变化，并经过放大、整形和滤波处理后将信号(电压值)提供给主监控单元4。
在本实施例中，本实施例中的标定单元11主要由标定池及其附属控制部件组成，其内部结构分为上半区A以及下半区，下半区又分为左B、右C两个半区。上半区A内充浓度为99.999％的高纯氮气，下半区B内部充装一定浓度的被测气体，如NO；下半区C内部充装另外一种一定浓度的被测气体,如SO2。当气体分析仪开机工作时，首先应完成零点标定：由内置抽气泵抽取空气，在便携式仪器中，将日常空气代替纯氮气作为零点气体，进入图1中的样品气室，标定单元将在传动电机13的带动下，将标定单元11的上半区移到气室与检测器接收气室12之间。由于在参比气室中的高浓度氮气基本不吸收红外线，所以将此时接受的电信号作为仪器零点，从而完成零点标定，当样品气室充入空气时，由传动电机带动下，将标定单元的下半区移到气室与检测器接收气室12之间，由于下半区充满一定浓度的待检测气体所充气体浓度和仪器量程相关，通常为待测气体浓度的80％—99％，将此时接受的电信号作为仪器的量程，从而完成量程标定，标定完成后进行待测气体检测和分析，为避免干扰，标定单元的上半部分位于气室与检测器接收气室之间。
在本实施例中，接收气室中设置有转换装置，所述转换装置将被测气体浓度变化转换为电信号并传递给信号预处理单元。接收气室12中，设置薄膜电容15对气体进行检测，由于样品气室与参比气室红外线能量即红外线辐射能的不同，将导致接收气室内的气体压力的微弱变化，通过压力平衡毛细管16感应后推动薄膜电容中的动片，相对于定片移动，从而把被测样气浓度变化转变成电容变化，薄膜电容15输出电信号提供给信号预处理单元3，信号预处理单元3通过电荷放大器将高内阻的电荷变化转换为低内阻的电压变化，并经过放大、整形和滤波处理后将信号传送至主监控单元4，主监控单元4根据朗伯特—比尔定律测量出红外光被气体吸收前后的能量差，计算得出样气的浓度。
在本实施例中，还包括输入/显示单元5和电源管理单元6，输入/显示单元5可以将主监控单元4的处理结果显示出来。电源管理单元6对样气预处理单元、分析单元、信号预处理单元3、主监控单元4、输入/显示单元5进行供电管理，电源可以采用体积较小的电池，使之便于携带，在本实施例中，分析单元还设置有干涉滤光片轮14，用于将气体非待测成份气体过滤掉，以减少干扰，提高检测精度。
本实施例中的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪的校准方法，包括
c.构建不同指定浓度的气体环境，并获取对应浓度下的输出电压值；
d.利用如下公式获取环境变化导致的偏移增量：
其中，a、b为线性化修正系数；vm为在指定气体浓度下，便携式红外气体分析仪的输出电压值；vc0为目标气体的浓度c＝0时,参考标定状态下的参考电压值；vm0为目标气体的浓度c＝0时，便携式红外气体分析仪的输出电压值；vc为在指定浓度下，参考标定状态下的参考电压值；c为气体浓度；Δd为因实际环境变化导致的偏移增量；e.根据偏移增量对测量结果进行自动校准。
步骤d包括将步骤c中的各指定浓度及相应指定浓度下的输出电压值分别代入步骤d中的公式，确定所述偏移增量和修正系数。
所述指定气体浓度包括气体浓度为零，并在测量前将偏移增量设置为零。
在步骤c前包括：
b.将气体非待测成份气体进行过滤。
在步骤b之前还包括：
a.将日常空气作为零点气体并在仪器开始测量前完成零点校正和量程标定。
在本实施例中，为了确定公式(1)中的线性化修正系数和偏移增量，需要在仪器使用前，设置偏移增量为零，本实施例中依次构建浓度为0％、0.5％、1％的SO2环境，以得到在指定浓度下的vm0及vc0、vm0.5及vc0.5、vm1及vc1。将其代入公式(1)，将所得到的方程组求解，公式中e为自然对数中的常数底数，由此确定公式(1)中的a、b以及Δd，本实施例中由单片机实现这一计算过程并存储a、b以及Δd用于样气浓度C的计算。
在本实施例中，气体分析仪采用红外吸收法原理，由于非单元素气体分析会对红外辐射进行选择性吸收，并且这种吸收一般遵循朗伯特—比尔定律
I＝I0e-KCL (2)
式中：I为红外辐射被气体吸收后的能量；I0红外辐射被气体吸收前的能量；K为气体的吸收系数(消光系数)；C为吸收气体的浓度；L为红外辐射经过吸收气体层的长度。
根据朗伯特—比尔定律测量出红外光被气体吸收前后的能量差，计算得出样气的浓度。
在本实施例中，在接收气室中设置薄膜电容15对气体进行检测，由于红外线能量即红外线辐射能的不同，将导致接收气室内的气体压力的微弱变化，通过压力平衡毛细管16感应后推动薄膜电容中的动片，相对于定片移动，从而把被测样气浓度变化转变成电容变化，薄膜电容15从而输出电信号提供给信号预处理单元3，所述薄膜电容检测原理为：
其中C0为初始电容值，Δd为板间缩小的极距值，d为板间间距。
信号预处理单元3通过电荷放大器将电容变化，即高内阻的电荷变化转换为低内阻的电压变化，并经过放大、整形和滤波处理后将电压信号提供给主监控单元4。
所述电荷放大器的原理为：
其中U为电荷放大器输出电压；Ue为反馈电容两端的电压；Q为电荷放大器输入电荷；Cf为反馈电容
根据公式(2)(3)(4)将样气浓度结果转换为电压值进行显示，并根据公式(1)所确定的偏移增量对结果进行校准，以保证测量的精度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种带自动量程校准的便携式红外气体分析仪的校准方法，其特征在于：包括
a.将日常空气作为零点气体并在仪器开始测量前完成零点校正和量程标定；
b.将气体非待测成份气体进行过滤；
c.构建不同指定浓度的气体环境，并获取对应浓度下的输出电压值；
d.将步骤c中的各指定浓度及相应指定浓度下的输出电压值分别代入公式
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<mo>+</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>d</mi>
<mo>,</mo>
</mrow>
获取环境变化导致的偏移增量和修正系数；
其中，a、b为线性化修正系数；vm为在指定气体浓度下，便携式红外气体分析仪的输出电压值；vc0为目标气体的浓度c＝0时,参考标定状态下的参考电压值；vm0为目标气体的浓度c＝0时，便携式红外气体分析仪的输出电压值；vc为在指定浓度下，参考标定状态下的参考电压值；c为气体浓度；Δd为因实际环境变化导致的偏移增量；
e.根据偏移增量对测量结果进行自动校准。
2.根据权利要求1所述的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪的校准方法，其特征在于：所述指定气体浓度包括气体浓度为零，并在测量前将偏移增量设置为零。
3.根据权利要求1所述的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪的校准方法，其特征在于：根据朗伯特—比尔定律测量出气体吸收前后的能量差，获取被测样气的浓度并根据所述偏移增量对测量结果自动进行校准。
4.一种带自动量程校准的便携式红外气体分析仪，用于实现根据权利要求1所述的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪的校准方法，其特征在于：包括预处理单元、分析单元、主监控单元、标定单元和校正单元，
所述分析单元包括光源、吸收气室和接收气室，所述光源产生红外线光并射入所述吸收气室，所述标定单元进行零点校正和量程标定并将标定完成后的气体送入所述接收气室，所述校正单元通过计算实际环境变化导致的偏移增量对样气浓度的测量结果进行自动修正；
所述接收气室中设置有转换装置，所述转换装置将被测气体浓度变化转换为电信号并传递给信号预处理单元；
所述信号预处理单元包括电荷放大器、放大电路、整形电路和滤波电路，所述电信号变化通过电荷放大器处理后，经过所述放大电路、整形电路和滤波电路处理后将信号传递至主监控单元。
5.根据权利要求4所述的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪，其特征在于：所述预处理单元包括样气预处理单元和信号预处理单元，所述样气预处理单元用于对待检气体进行处理，使待检气体满足气体分析时所需达到的指标要求，所述信号预处理单元将被测样气浓度信号进行处理并提供给主监控单元。
6.根据权利要求4所述的带自动量程校准的便携式红外气体分析仪，其特征在于：所述校正单元在仪器使用前将偏移增量设置为零，并构建指定的不同浓度的气体环境，获取相应气体浓度下的输出电压值。
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