CN109357699A

CN109357699A - 一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法

Info

Publication number: CN109357699A
Application number: CN201811308689.9A
Authority: CN
Inventors: 汪献忠; 李建国; 楚东月; 王三霞
Original assignee: Henan Relations Co Ltd
Current assignee: Henan Relations Co Ltd
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2019-02-19

Abstract

一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，括以下步骤：（1）采集传感器阵列中各传感器的一次信号；（2）根据各传感器的一次信号值、交叉干扰系数A和待求传感器真实信号值，得到各传感器真实信号值；（3）再由传感器真实信号值、温度系数B和待求传感器最终信号值，得到各传感器最终信号值；（4）最后由各传感器最终信号值，以及系统校准数据，计算出传感器测得的各组分气体浓度。本发明在求解过程中，通过两次求解变换，消除传感器交叉干扰以及温度变化带来的漂移问题，得到各传感器的真实信号。本发明方法灵活、快速，而且方便传感器阵列维数扩展。

Description

一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法

技术领域

本发明属于传感器检测技术领域，具体涉及一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法。

背景技术

气体检测技术无论是在工业技术领域，还是民用领域都有着极其广泛的应用。例如石油化工行业的可燃气体含量检测、成分分析，煤炭行业的瓦斯检测、氧气浓度监测等，电力行业的高压开关气体浓度检测、成分分析、成分监测，锅炉废气中氮氧化物、硫化物等气体浓度检测，日常生活中的天然气泄漏监测、甲醛含量检测等等。

电化学传感器因其具有检测气体种类多、浓度范围宽、测量精度高、体积小、价格较低等优点，在环境监测、安全生产、组分分析等领域具有非常广泛的应用。特别是甲烷、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物、氢气、氧气、氨气等可燃气体、有毒有害气体检测领域，大多通过电化学传感器进行检测。

但电化学传感器在测量混合气时，大多交叉干扰问题。例如：CO传感器不仅对CO气体有响应，也会对其中的H₂S、H₂等气体有正向交叉干扰反应，当待测气体中除含有CO外，还有H₂气体存在，就会导致测量结果偏大，造成误差。再例如，SO₂传感器会对NO₂气体有反向交叉干扰反应，即NO₂会产生与SO₂相反的信号，这样就会导致测量结果偏小。

解决交叉干扰最直接的方法就是在气路中放置内置化学过滤器，针对特定的应用环境，加装化学过滤器，将与传感器由交叉干扰的气体有选择行的吸收，如SF₆分解产物气体分析使用的CO传感器可以内置除去H₂、H₂S等干扰气体的过滤器；烟气分析使用的NO传感器可以内置除去SO₂的过滤器。但内置过滤器最大缺点是寿命比较短，特别是在某些恶劣条件下，过滤器的寿命大大缩减。

另一种方法是内置交叉干扰系数进行补偿，需要大量的实验数据支撑，即在传感器生产、校准过程中，通过特定浓度的标气求解交叉干扰系数，然后在测量时进行实时补偿。存在问题是不同型号传感器、甚至同一型号不同批次传感器，对某一干扰气体的交叉干扰系数都存在差异性，无法满足实际通用性需求。且交叉干扰系数求解公式繁琐，不方便扩充测量不同气体的传感器数量。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，该方法用以解决多传感器在气体分析领域，在计算交叉干扰系数过程计算繁琐、通用性差、不便于传感器维数扩展的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，包括以下步骤，

（1）采集传感器阵列中各传感器的一次信号，一次信号是由传感器直接输出的电流信号或电压信号，其中电流信号还需经过电流电压变换，然后放大得到各传感器的一次信号值；

（2）根据各传感器的一次信号值、交叉干扰系数A和待求传感器真实信号值，得到各传感器真实信号值；

（3）再由传感器真实信号值、温度系数B和待求传感器最终信号值，得到各传感器最终信号值；

（4）最后由各传感器最终信号值，以及系统校准数据，计算出传感器测得的各组分气体浓度。

步骤（2）中，交叉干扰系数A采用n维矩阵进行描述，构成求解传感器真实信号值方程组① 。

步骤（3）中，温度系数B采用n维矩阵进行描述，构成求解传感器最终信号值方程组② 。

步骤2）中，交叉干扰系数A为：

，其中为传感器1受待测气体各组分的影响系数；为传感器2受待测气体各组分的影响系数；为传感器n受待测气体各组分的影响系数。

步骤（2）中，由传感器一次信号值、交叉干扰系数A和待求传感器真实信号值，构成求解传感器真实信号值的线性方程组①，如下：

①

其中为各传感器真实信号值，A为交叉干扰系数矩阵，为各传感器一次信号值。

求解线性方程组①，采用全选主元高斯消去法求解；主要通过行变换、列变换、归一化、消元、回代等运算，求得为个传感器真实信号值。

步骤（3）中，由传感器真实信号值、温度系数，根据方程组②求解得到传感器最终信号值：

②

其中为个传感器真实信号值，B为温度系数矩阵，为各传感器最终信号值。

求解线性方程组①过程，采用全选主元高斯消去法求解，不仅将计算误差降到最小，且方便传扩展感器阵列维数，快速、准备的得到各传感器的真实信号值。

步骤（1）的具体过程为，待测气体由系统待测气体入口进入系统管路，经流量控制模块将流量控制到一定范围内，消除由于流量波动对测量结果带来的影响，然后气体进入传感器阵列，获得各传感器的一次信号值，一次信号值为电流信号或电压信号，同时在传感器阵列内部安装有温度传感器，将传感器的一次信号值和温度数据送入系统的控制单元。

采用上述技术方案，本发明在求解线性方程组①过程，采用全选主元高斯消去法求解，不仅将计算误差降到最小，且方便扩展传感器阵列维数，快速、准确的得到各传感器的真实信号值。

本发明的方法具体为：首先由各传感器电流信号或电压信号（电流信号还需经过电流电压变换），放大后得到各传感器一次信号；然后根据校准数据得到传感器阵列交叉干扰系数矩阵，由传感器一次信号值、交叉干扰系数矩阵A和待求传感器真实信号值，构成线性方程组，求解得到各传感器真实信号值；再根据实测温度及温度系数对各传感器真实信号值进行修正，得到各传感器的最终信号值；最后由各传感器最终信号值以及系统校准数据，计算出传感器阵列测得的各气体成分浓度值。

本发明在求解过程中，通过两次求解变换，消除传感器交叉干扰以及温度变化带来的漂移问题，得到各传感器的真实信号。求解方法灵活、快速，而且方便传感器阵列维数扩展。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面以某款便携式气体组分分析系统为例，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，主要包括系统待测气体入口1、流量控制模块2、四传感器阵列3、温度监测模块4、电流电压转换及控制单元5、显示屏6、存储器7及气体管路8组成，各模块或器件之间由通信线缆9实现电气连接。

系统待测气体入口1进入系统管路，经流量控制模块2将流量控制到一定范围内，消除由于流量波动对测量结果带来的影响。然后气体进入传感器阵列3，获得各传感器一次信号值（可以是电流信号、电压信号、温度等，不局限于某种特定形式），同时在传感器阵列3内部安装有温度传感器4，将传感器一次信号值和温度数据送入控制单元5，控制单元5经过采用本发明算法进行综合运算后，得到待测气体中各气体组分含量，测量结果在显示屏6上进行实时显示，并可存入存储器7中，可供后续导出、查看、分析。

便携式气体组分分析系统的具体实施细节，气路结构、硬件资源、通讯方式等与本发明方案无关，此处不再详细描述。

此实施例的传感器阵列交叉求解及其检测过程大概如下：

采集传感器阵列3中各传感器的一次信号，一次信号是由传感器直接输出的电流信号经过电流电压变换，然后放大得到。将电压信号送入控制单元5，经过AD转换将电压信号转换为数字信号，进行量化处理。

控制单元5从存储单元7中读取校准信息，综合运算得到交叉干扰系数矩阵A，由传感器一次信号值及待求传感器真实信号值，构成如下线性方程组；

由控制单元5，采用全选主元高斯消去法通过行变换、列变换、归一化、消元、回代等运算，求得各传感器真实信号值。

然后通过温度监测单元4，实时监测传感器阵列3所处环境温度，并从存储器7中读取各传感器温度特性参数，由控制单元5综合运算得到温度补偿系数B，综合各传感器真实信号值及各传感器最终待求信号值，构成如下方程组：

求解即可得到，各传感器最终信号值。

最后由控制单元5，根据各传感器最终信号值以及存储器7中的校准数据，计算出传感器阵列测得的各气体成分浓度值，并在显示屏6上进行实时显示，并可存入存储器7中，可供后续导出、查看、分析。

此传感器阵列交叉求解及检测方法，适用于任何具有类似交叉干扰特性的传感器阵列。应用领域也不限于便携式气体分析设备，还可以是任何形式的具有类似交叉干扰特性的多传感器检测、分析领域。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何变形模式、公式、参数简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：步骤（2）中，交叉干扰系数A采用n维矩阵进行描述，构成求解传感器真实信号值方程组① 。

3.根据权利要求1所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：步骤（3）中，温度系数B采用n维矩阵进行描述，构成求解传感器最终信号值方程组② 。

4.根据权利要求2所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：步骤2）中，交叉干扰系数A为：

5.根据权利要求4所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：步骤（2）中，由传感器一次信号值、交叉干扰系数A和待求传感器真实信号值，构成求解传感器真实信号值的线性方程组①，如下：

①

6.根据权利要求5所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：求解线性方程组①，采用全选主元高斯消去法求解；主要通过行变换、列变换、归一化、消元、回代等运算，求得为个传感器真实信号值。

7.根据权利要求5所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：步骤（3）中，由传感器真实信号值、温度系数，根据方程组②求解得到传感器最终信号值：

②

8.根据权利要求6所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：求解线性方程组①过程，采用全选主元高斯消去法求解，不仅将计算误差降到最小，且方便传扩展感器阵列维数，快速、准备的得到各传感器的真实信号值。

9.根据权利要求1所述的一种多传感器阵列交叉求解及其检测方法，其特征在于：步骤（1）的具体过程为，待测气体由系统待测气体入口进入系统管路，经流量控制模块将流量控制到一定范围内，消除由于流量波动对测量结果带来的影响，然后气体进入传感器阵列，获得各传感器的一次信号值，一次信号值为电流信号或电压信号，同时在传感器阵列内部安装有温度传感器，将传感器的一次信号值和温度数据送入系统的控制单元。