CN110031510A

CN110031510A - 催化燃烧式甲烷浓度测量系统

Info

Publication number: CN110031510A
Application number: CN201910170935.7A
Authority: CN
Inventors: 许德发
Original assignee: Beijing Shi'an Kechuang Instrument Co Ltd
Current assignee: Beijing Shi'an Kechuang Instrument Co Ltd
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-07-19

Abstract

本发明涉及一种催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其包括测量电路及其应用于该测量电路上的甲烷测量的计算公式，所述测量电路包括甲烷传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一比较器；所述甲烷传感器具有四个端口，其1号端口接地设置，4号端口耦接电源；所述第一比较器的1号端口接地设置，其4号端口连接3V电源，其输出端连接有输出口A₀计算公式为：C=K*e[B*(A₀‑A_Z)‑1]其中：C是浓度；K是斜率；B是常数；A₀是相应浓度下的电压值；A_Z是零点浓度下的电压值。本发明具有甲烷传感器测量精度、客户的工作量不会增加的效果。

Description

催化燃烧式甲烷浓度测量系统

技术领域

本发明涉及甲烷气体检测的技术领域，尤其是涉及一种催化燃烧式甲烷浓度测量系统。

背景技术

催化燃烧式甲烷传感器是利用催化燃烧的热效应原理，在一定温度条件下，甲烷气体在检测元件表面通过催化剂的作用，发生无焰燃烧，使检测元件温度升高，检测元件的电阻值就会发生变化。检测元件电阻值的变化与甲烷气体浓度变化成正比，浓度越高，电阻变化越大。催化燃烧式甲烷传感器内部有2个元件，一个是检测元件，一个是参考元件。参考元件是不会有电阻值变化的。

目前的催化燃烧燃烧式甲烷传感器，在全量程范围内，并不是线性的，在浓度大于2.0％vol以后，信号输出有点偏弱，低于原来的斜率了。

原来浓度的计算方式是：

C＝K*(A0–AZ)。

其中：C是浓度；

K是斜率；

A0是相应浓度下的电压值；

AZ是零点浓度下的电压值。

通过这种计算出来的结果，在0-2％vol的范围内，误差是满足要求的。在2％vol以上的范围内，误差就开始大了，有可以能会超过基本误差。

对于误差太大了，需要就行补偿。补偿的办法有2种，一种是分段补偿；另外一种是进行分段校准。如果采用这2种方法的话，会给工作带来很多的困扰和麻烦。

A、对于便携式的仪表来说，客户在操作的时候，都是采用固定浓度：比如1％vol或者2％vol进行校准的。校准完毕后，K值就确定了。如果进行分段进行补偿的话，由于每个传感器的线性是有差异的。所以在分段补偿完毕之后，传感器的误差都不相同，会在误差范围内，但是同一批的仪器误差就会差异很多。比如说3.5％vol的甲烷气体，有的仪器显示3.32％vol，有的显示3.65％vol，虽然都在误差范围内，但是会给客户带来困扰。

B、客户都习惯了用1个固定的浓度来校准设备，如果让用2个到3个点来校准设备，设备的误差是小了，但是给客户带来的工作量是很大，客户也会很烦恼的。

C、另外一种方法就是对所有的传感器进行预先的筛选，对于线性相同的进行分类，然后使用。但是甲烷仪器本身就价格低廉，需要的就是工作效率，降低生产成本，增加市场竞争力。

这样，如何采取一种相应的方式去提高测量的精确度，同时不增加客户的工作量是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高目前甲烷传感器测量精度、客户的工作量不会增加的催化燃烧式甲烷浓度测量系统。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种催化燃烧式甲烷浓度测量系统，包括测量电路及其应用于该测量电路上的甲烷测量的计算公式，所述测量电路包括甲烷传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一比较器；所述甲烷传感器具有四个端口，其1号端口接地设置，4号端口耦接电源；所述第一电阻的一端与甲烷传感器的4号端口相连，另一端与第一比较器的正向输入端耦接；所述第二电阻的一端接地设置，另一端与第一比较器的正向输入端相连；所述第三电阻的一端的一端分别与甲烷传感器的第2端口和第4端口耦接，另一端与第一比较器的负向输入端耦接；所述第四电阻的一端与第一比较器的负向输入端，其另一端与第一比较器的输出端耦接；所述第一比较器的1号端口接地设置，其4号端口连接3V电源，其输出端连接有输出口A₀计算公式为：C＝K*e[B*(A₀-A_Z)-1]其中：C是浓度；K是斜率；B是常数；A₀是相应浓度下的电压值；A_Z是零点浓度下的电压值。

通过采用上述技术方案，催化燃烧式甲烷传感器通过电桥电路，将气体浓度信号转换成电压型号，然后通过AD芯片将电压信号转换成具体的数字信号并进行输出显示，通过甲烷传感器将测量电路在将A0值测出之后，如果测量的甲烷浓度在2.0vol以下，以现有的公司也能够测出准确的数值，在甲烷浓度在2.0vol以上时，通过该算法能够更加精确地得出甲烷的实际浓度。

本发明进一步设置为：所述测量电路还包括第一电容，所述第一电容的两端与第四电阻并联耦接。

通过采用上述技术方案，第一电容对测量电路进行滤波，以保证信号的稳定性。

本发明进一步设置为：所述测量电路还包括第二电容，第二电容的一端与第一比较器的4号端口耦接，其另一端接地设置。

通过采用上述技术方案，第二电容进一步对测量电路进行滤波，以提高输出信号的稳定性。

本发明进一步设置为：所述K通过计算甲烷在2.0vol以下的甲烷浓度的整体斜率而得到。

通过采用上述技术方案，由于在对2.0vol的甲烷测量时用现有的算法也能计算精确，故而通过现有的算法结合现有的数据能够比较方便快速地得出K的竖直。

本发明进一步设置为：所述A_Z为通过计算甲烷在2.0vol以下的电压变化曲线，而推导出零点浓度下的测量电路的输出电压值。

通过采用上述技术方案，由于在对2.0vol的甲烷测量时用现有的算法也能计算精确，故而通过现有的算法结合现有的数据能够比较方便快速地得出A_Z的竖直。

本发明进一步设置为：所述B的数值为通过计算甲烷在2.0vol以下的数据变化计算而得到。

通过采用上述技术方案，由于在对2.0vol的甲烷测量时用现有的算法也能计算精确，故而通过现有的算法结合现有的数据能够比较方便快速地得出B的数值。

本发明进一步设置为：在任意种类的甲烷传感器内该算法的计算精度相同。

通过采用上述技术方案，不需对传感器进行筛选即可直接使用，提高了效率。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1.本发明通过设置测量电路并通过新的算法来提高现有技术中甲烷浓度在2.0vol以上测量精度不足的问题；

2.本发明通过在测量电路内设置第一电容以对测量电路进行滤波，保证信号的稳定性；

3.本发明由于在任意种类的甲烷传感器内均能够使用以提高了使用的效率。

附图说明

图1是本发明的测量电路结构示意图。

图中，T1、甲烷传感器；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；T2、第一比较器；C1、第一电容；C2、第二电容。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，为本发明公开的一种催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其包括测量电路、斜率K、常数B、相应浓度下的电压值A0和零点浓度下的电压值AZ。计算公式为：C＝K*e[B*(A₀-A_Z)-1]

其中：C是浓度；

K是斜率；

B是常数；

A₀是相应浓度下的电压值；

A_Z是零点浓度下的电压值。

相应浓度下的电压值A0甲烷传感器配合其应用电路得出相应浓度下的电压值A0，其中，K通过计算甲烷在2.0vol以下的甲烷浓度的整体斜率而得到，A_Z为通过计算甲烷在2.0vol以下的电压变化曲线，而推导出零点浓度下的测量电路的输出电压值。B的数值为通过计算甲烷在2.0vol以下的数据变化计算而得到。由于在对2.0vol的甲烷测量时用现有的算法也能计算精确，故而通过现有的算法结合现有的数据能够比较方便快速地得出K、A_Z、B的数值。

1、该种算法在任意甲烷传感器中均能够适用，不需对传感器进行筛选即可直接使用，提高了效率。

2、满量程的误差在±0.1％vol以内。

1.首先通过信号线的数学模型，因为要通过一个校准点来确定整个线性，因此只能在一个函数中出现一个变量。

2.参考函数曲线，并观察不同函数曲线的线性：

(1)Y＝kX；

(2)Y＝Xⁿ；

(3)Y＝x^-n；

(4)Y＝sin(X)；

(5)Y＝tan(X)；

(6)Y＝e^X；Y＝log_eX。

3、选中曲线模型分析，从(6)中可以看到实际的信号输出线与Y＝log_ex的曲线模型是相同的，也是在一定值范围内成直线，在一定值范围内慢慢弯曲，所以我们选取其中的一段进行模拟分析，Y＝log_ex的曲线与实际的信号输出相同，同样出现在大于某个x值后，x值的变化大，而y值的变化小，我们现在要的是函数变量x值变化小，而y值变化大些，这样就可以将实际的信号量转换成线性的，所以我们应该选择Y＝e^x来作为数学模型。

4、函数的变换与拓展

在Y＝e^x这个函数上，进行变换，Y＝k*e^x多了个k值，这个值可以调整y值的大小和部分曲度，但是X的值在电压值信号中又相对调大，所以在x的这个变量中需要加热1个定值，根据(7)Y＝e^2X，Y＝e^X，Y＝e^X/2，以此来平衡x值的大小，让其在一定数值范围内，所以函数变换为Y＝k*e^B*X，X为信号输出量变化量。

因为函数应该为坐标零点开始，所以函数再次变换成C＝K*e[B*(A₀-A_Z)-1]。X为信号采集量A₀，X₀零点信号采集量A_Z，最终算法公式确定为：

C＝K*e[B*(A₀-A_Z)-1]。

相比于原公式而言数据的对比如下

其采取的测量电路包括甲烷传感器T1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一比较器T2、第一电容C1和第二电容C2。甲烷传感器T1具有四个端口，其1号端口接地设置，4号端口耦接3V电源；第一第一电阻R1的一端与甲烷传感器T1的4号端口相连，另一端与第一比较器T2的正向输入端耦接；第二电阻R2的一端接地设置，另一端与第一比较器T2的正向输入端相连；第三电阻R3的一端的一端分别与甲烷传感器T1的第2端口和第4端口耦接，另一端与第一比较器T2的负向输入端耦接；第四电阻R4的一端与第一比较器T2的负向输入端，其另一端与第一比较器T2的输出端耦接。

第一比较器T2的型号为TLV324，第一比较器T2的1号端口接地设置，其4号端口连接3V电源，其输出端连接有输出口A0；第一电容C1的两端与第四电阻R4并联耦接，第二电容C2的一端与第一比较器T2的4号端口耦接，其另一端接地设置。在对甲烷的浓度进行测量时，第一比较器T2的负向输入端通过第三电阻R3而形成基准值，而甲烷传感器T1通过4号端口将测得的甲烷浓度其对应的电压值经过第一电阻R1传递到第一比较器T2的正向输入端内，当第一比较器T2正向输入端的电压值大于其负向输入端的电压值时，通过第一比较器T2的输出端进行输出，当并从输出口A0传输出去，而后通过AD芯片将电压信号转换成具体的数字信号，并进行显示屏显示出来。第一电容C1和第二电容C2均对电路起到滤波的作用，以保证电路在工作过程中其信号更为稳定。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种催化燃烧式甲烷浓度测量系统，包括测量电路及其应用于该测量电路上的甲烷测量的计算公式，其特征在于：所述测量电路包括甲烷传感器(T1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)和第一比较器(T2)；

所述甲烷传感器(T1)具有四个端口，其1号端口接地设置，4号端口耦接电源；

所述第一电阻(R1)的一端与甲烷传感器(T1)的4号端口相连，另一端与第一比较器(T2)的正向输入端耦接；

所述第二电阻(R2)的一端接地设置，另一端与第一比较器(T2)的正向输入端相连；

所述第三电阻(R3)的一端分别与甲烷传感器(T1)的第2端口和第4端口耦接，另一端与第一比较器(T2)的负向输入端耦接；

所述第四电阻(R4)的一端与第一比较器(T2)的负向输入端，其另一端与第一比较器(T2)的输出端耦接；

所述第一比较器(T2)的1号端口接地设置，其4号端口连接3V电源，其输出端连接有输出口A0

计算公式为：C= K*e[B*(A0-AZ)-1]

其中：C是浓度；

K是斜率；

B是常数；

A0是相应浓度下的电压值；

AZ是零点浓度下的电压值。

2.根据权利要求1所述的催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其特征在于：所述测量电路还包括第一电容(C1)，所述第一电容(C1)的两端与第四电阻(R4)并联耦接。

3.根据权利要求1所述的催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其特征在于：所述测量电路还包括第二电容(C2)，第二电容(C2)的一端与第一比较器(T2)的4号端口耦接，其另一端接地设置。

4.根据权利要求1所述的催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其特征在于：所述K通过计算甲烷在2.0vol以下的甲烷浓度的整体斜率而得到。

5.根据权利要求1所述的催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其特征在于：所述AZ为通过计算甲烷在2.0vol以下的电压变化曲线，而推导出零点浓度下的测量电路的输出电压值。

6.根据权利要求1所述的催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其特征在于：所述B的数值为通过计算甲烷在2.0vol以下的数据变化计算而得到。

7.根据权利要求1所述的催化燃烧式甲烷浓度测量系统，其特征在于：在任意种类的甲烷传感器(T1)内该算法的计算精度相同。