CN110411970B - 一种ndir甲烷气体传感器及其使用与温度补偿和标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NDIR甲烷气体传感器，所述的传感器包括半椭球气室，在半椭球气室内的两个焦点上分别安装发光二极管和光电二极管，其中发光二极管还与半椭球气室外的光源调制模块电连接，该光源调制模块可调整发光二极管的电流大小和方波占空比，光电二极管与半椭球气室外的信号采集模块电连接，该信号采集模块可将光电二极管的电流模拟量信号转换成数字量信号。本发明所公开的传感器，气室采用半椭球的波导结构，与传统平面反射式结构相比，安装更方便、具有更好的导光效果，能够减小红外光的损耗并降低光强损失，使得采样率大大提高。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器领域，特别涉及该领域中的一种NDIR甲烷气体传感器及其使用与温度补偿和标定方法。
背景技术
目前市场上的NDIR甲烷气体传感器通常采用：
(1)钨丝灯与热电堆接收器或热释电接收器搭配；
(2)MEMS光源与热电堆接收器或热释电接收器搭配。
以上两种解决方法都存在以下缺点：宽带光源，无法避免水汽干扰；采样频率在10Hz以内，对于流动环境检测精度较差。此外目前市面上的产品气室通常采用对射式或者平面反射式，对射式安装不方便，平面反射式则会损失一部分光能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种不受水汽干扰的NDIR甲烷气体传感器及其使用与温度补偿和标定方法。
本发明采用如下技术方案：
一种NDIR甲烷气体传感器，其改进之处在于：所述的传感器包括半椭球气室，在半椭球气室内的两个焦点上分别安装发光二极管和光电二极管，其中发光二极管还与半椭球气室外的光源调制模块电连接，该光源调制模块可调整发光二极管的电流大小和方波占空比，光电二极管与半椭球气室外的信号采集模块电连接，该信号采集模块可将光电二极管的电流模拟量信号转换成数字量信号，所述的传感器还包括MCU、通讯模块和温湿度采集模块，该MCU与光源调制模块电连接并控制其工作、与信号采集模块电连接并接收其发送的数字量信号、与温湿度采集模块电连接以便获取温湿度信号，MCU将采集数据进行拟合后转换成甲烷气体浓度值，通讯模块将该甲烷气体浓度值上传给外部上位机或采集器，电源模块为传感器内的各部件供电。
进一步的，所述的半椭球气室包括内置防静电网的不锈钢外壳，在外壳的底部安装一层50目与两层100目的不锈钢网，在外壳的顶部安装双层电路板绝缘密封层，在双层电路板绝缘密封层的下侧安装发光二极管和光电二极管，在双层电路板绝缘密封层的上侧安装对外接线端子。
进一步的，半椭球气室采用黄铜镀金材质。
进一步的，可将半椭球气室更换为常规圆柱体气室。
进一步的，发光二极管发出的是中心波长为3.4μm，半波宽300nm的中红外光。
进一步的，所述的信号采集模块包括依次电连接在一起的交流IV转换模块、半波整流模块、滤波电模块、高精度AD采集模块，其中交流IV转换模块的输入端与光电二极管电连接，高精度AD采集模块的输出端与MCU电连接。
进一步的，所述的交流IV转换模块通过电阻R1、R2、R3之间的匹配关系实现小电阻大增益，通过电容C1、C2取信号的交流量。
进一步的，通讯模块采用的是RS485接口或CAN接口；传感器采用RT-Thread操作系统进行各个任务调度。
一种使用方法，基于上述NDIR甲烷气体传感器，其改进之处在于，包括如下两种使用模式：
(1)单独使用模式：不带声光报警模块、显示模块、红外遥控模块和按键模块，仅包括传感器，将环境中的甲烷气体浓度数据通过通讯模块上传给主机端进行实时监控显示；
(2)组合使用模式：组合声光报警模块、显示模块、红外遥控模块或按键模块，既可做单独报警设备使用，同时也可将甲烷气体浓度数据通过通讯模块实时上传给主机端。
一种温度补偿和标定方法，基于上述NDIR甲烷气体传感器，其改进之处在于：
(1)将传感器放置在高低温试验箱中，以0.2℃/min的速度从-40℃到80℃变化，在此过程中每0.04℃记录一次输出电压值UM、温度UT，计算拟合函数其中a，b，c均为常数、取算术平均值；
(2)标定环境的搭建是采用流量计进行标准气体的混合，氮气作为背景气体与甲烷气体进行混合，两种气体纯度都达到99.999％，控制温度在20℃保持稳定即UT保持不变，记录浓度从0％VOL到5％VOL变化时的UM，则光信号的衰减值ΔS如下：
将光信号的衰减值ΔS和已知的甲烷浓度CCH4拟合得到：
CCH4＝d+eΔS+fΔS2，其中d，e，f均为常数；
(3)如果长期使用发生漂移，则只需要利用如下公式进行标定，修改参数a即可：
本发明的有益效果是：
本发明所公开的传感器，气室采用半椭球的波导结构，与传统平面反射式结构相比，安装更方便、具有更好的导光效果，能够减小红外光的损耗并降低光强损失；采用的发光二极管和光电二极管都能够满足最高5kHz的调制频率要求，是传统传感器的近500倍，使得采样率大大提高，保证了在空气流动速率较快时，传感器仍能捕捉到比较精确的瞬时浓度；选用中红外窄带光源，其发射波长范围不包含水汽的吸收波长，从原理上能够避免水汽干扰。
本发明所公开的使用方法，两种模式均使用方便，通过通讯模块设置好不同地址，再与工业现场预留布线相连即可，方便与室内主机进行“一主多从”形式的联通。
本发明所公开的温度补偿和标定方法，利用温湿度传感器(即温湿度采集模块)进行温湿度漂移的补偿，这使传感器能够适用于温度-40℃—80℃，湿度0％RH—95％RH的不同工业环境，具有更好的环境适应性。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开传感器的组成框图；
图2是本发明实施例1所公开传感器中半椭球气室的结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开传感器中交流IV转换模块的电路连接示意图；
图4是本发明实施例1所公开传感器的任务调度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种NDIR甲烷气体传感器，所述的传感器包括半椭球气室，半椭球气室利用了椭球的光学特性来进行导光：从一个焦点发出的光经过椭球内壁折射必到达另一个焦点。在半椭球气室内的两个焦点上分别安装发光二极管和光电二极管，其中发光二极管还与半椭球气室外的光源调制模块电连接，该光源调制模块可调整发光二极管的电流大小和方波占空比，以达到最佳光功率。光电二极管与半椭球气室外的信号采集模块电连接，该信号采集模块可将光电二极管的电流模拟量信号转换成数字量信号(具体的说是将光电二极管的微小电流信号进行放大等处理并转换成直流信号进行AD采集后输入MCU进行数据处理分析)，所述的传感器还包括MCU、通讯模块和温湿度采集模块，该MCU与光源调制模块电连接并控制其工作、与信号采集模块电连接并接收其发送的数字量信号、与温湿度采集模块电连接以便获取温湿度信号，MCU将采集数据进行拟合后转换成甲烷气体浓度值，通讯模块将该甲烷气体浓度值上传给外部上位机或采集器，电源模块负责整个传感器的供电稳压和电压转换及隔离。
如图2所示，所述的半椭球气室2包括内置防静电网的不锈钢外壳7，在外壳的底部安装一层50目与两层100目的不锈钢网1，在外壳的顶部安装双层电路板绝缘密封层4，在双层电路板绝缘密封层的下侧安装发光二极管6和光电二极管3，在双层电路板绝缘密封层的上侧安装对外接线端子5。
在本实施例中，因为金对于3.4μm的中红外光具有极高的反射率，故半椭球气室采用黄铜镀金材质，以便加强导光效果。可将半椭球气室更换为常规圆柱体气室。发光二极管发出的是中心波长为3.4μm，半波宽300nm的中红外光，其发射波长范围不包含水汽的吸收波长，从原理上避免了水汽干扰。所述的信号采集模块包括依次电连接在一起的交流IV转换模块、半波整流模块、滤波电模块、高精度AD采集模块，其中交流IV转换模块的输入端与光电二极管电连接，高精度AD采集模块的输出端与MCU电连接。
如图3所示，D1是光电二极管，所述的交流IV转换模块通过电阻R1、R2、R3之间的匹配关系实现小电阻大增益，通过电容C1、C2取信号的交流量，并实现交流放大功能。
进一步的，通讯模块采用的是RS485接口或CAN接口；如图4所示，传感器采用RT-Thread操作系统进行各个任务调度，在空闲线程中启动低功耗模式，保证MCU的利用率最大化。本实施例所公开的传感器同样适用于对二氧化碳等气体的检测，也可更换成其他结构的气室。
本实施例还公开了一种使用方法，基于上述NDIR甲烷气体传感器，包括如下两种使用模式：
(1)单独使用模式：不带声光报警模块、显示模块、红外遥控模块和按键模块，仅包括传感器，将环境中的甲烷气体浓度数据通过通讯模块上传给主机端进行实时监控显示；
(2)组合使用模式：组合声光报警模块、显示模块、红外遥控模块或按键模块，既可做单独报警设备使用，同时也可将甲烷气体浓度数据通过通讯模块实时上传给主机端。使用传统的变送器外壳做好组合，透明防爆视窗方便进行人机交互，便于在工业现场安装使用。
本实施例还公开了一种温度补偿和标定方法，基于上述NDIR甲烷气体传感器：
(1)将传感器放置在高低温试验箱中，以0.2℃/min的速度从-40℃到80℃变化，在此过程中每0.04℃记录一次输出电压值UM、温度UT，计算拟合函数其中a，b，c均为常数、取算术平均值；
(2)标定环境的搭建是采用流量计进行标准气体的混合，氮气作为背景气体与甲烷气体进行混合，两种气体纯度都达到99.999％，控制温度在20℃保持稳定即UT保持不变，记录浓度从0％VOL到5％VOL变化时的UM，则光信号的衰减值ΔS如下：
将光信号的衰减值ΔS和已知的甲烷浓度CCH4拟合得到：
CCH4＝d+eΔS+fΔS2，其中d，e，f均为常数；
(3)如果长期使用发生漂移，则只需要利用如下公式进行标定，修改参数a即可：
5％VOL是国标要求的甲烷最低爆炸下限，虽然欧洲标准为4.4％VOL，但本实施例所公开的传感器主要面向的是国内市场，故而选择最高浓度为5％VOL。
Claims (7)
1.一种温度补偿和标定方法，基于一种NDIR甲烷气体传感器，所述的传感器包括半椭球气室，在半椭球气室内的两个焦点上分别安装发光二极管和光电二极管，其中发光二极管还与半椭球气室外的光源调制模块电连接，该光源调制模块可调整发光二极管的电流大小和方波占空比，光电二极管与半椭球气室外的信号采集模块电连接，该信号采集模块可将光电二极管的电流模拟量信号转换成数字量信号，所述的传感器还包括MCU、通讯模块和温湿度采集模块，该MCU与光源调制模块电连接并控制其工作、与信号采集模块电连接并接收其发送的数字量信号、与温湿度采集模块电连接以便获取温湿度信号，MCU将采集数据进行拟合后转换成甲烷气体浓度值，通讯模块将该甲烷气体浓度值上传给外部上位机或采集器，电源模块为传感器内的各部件供电，其特征在于：
(1)将传感器放置在高低温试验箱中，以0.2℃/min的速度从-40℃到80℃变化，在此过程中每0.04℃记录一次输出电压值UM、温度UT，计算拟合函数其中a，b，c均为常数、取算术平均值；
(2)标定环境的搭建是采用流量计进行标准气体的混合，氮气作为背景气体与甲烷气体进行混合，两种气体纯度都达到99.999％，控制温度在20℃保持稳定即UT保持不变，记录浓度从0％VOL到5％VOL变化时的UM，则光信号的衰减值ΔS如下：
将光信号的衰减值ΔS和已知的甲烷浓度CCH4拟合得到：
CCH4＝d+eΔS+fΔS2，其中d，e，f均为常数；
(3)如果长期使用发生漂移，则只需要利用如下公式进行标定，修改参数a即可：
2.根据权利要求1所述温度补偿和标定方法，其特征在于：所述的半椭球气室包括内置防静电网的不锈钢外壳，在外壳的底部安装一层50目与两层100目的不锈钢网，在外壳的顶部安装双层电路板绝缘密封层，在双层电路板绝缘密封层的下侧安装发光二极管和光电二极管，在双层电路板绝缘密封层的上侧安装对外接线端子。
3.根据权利要求1所述温度补偿和标定方法，其特征在于：半椭球气室采用黄铜镀金材质。
4.根据权利要求1所述温度补偿和标定方法，其特征在于：可将半椭球气室更换为常规圆柱体气室。
5.根据权利要求1所述温度补偿和标定方法，其特征在于：发光二极管发出的是中心波长为3.4μm，半波宽300nm的中红外光。
6.根据权利要求1所述温度补偿和标定方法，其特征在于：所述的信号采集模块包括依次电连接在一起的交流IV转换模块、半波整流模块、滤波电模块、高精度AD采集模块，其中交流IV转换模块的输入端与光电二极管电连接，高精度AD采集模块的输出端与MCU电连接。
7.根据权利要求1所述温度补偿和标定方法，其特征在于：通讯模块采用的是RS485接口或CAN接口；传感器采用RT-Thread操作系统进行各个任务调度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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