CN111141695A - 一种非分散红外多组分氟利昂气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种非分散红外多组氟利昂气体检测系统，包括光源、直通式气室、光电转换装置、信号处理与分析模块及上位机，其中，该检测系统还包括位于所述直通式气室与光电转换装置之间的非成像聚光光锥；所述信号处理与分析模块，根据k时刻的测量值与k‑1时刻的预测值的差计算k时刻的预测值。本发明将长时间得到的浓度值，通过阿伦方差的方法估计测量精度，随积分时间的增大，检测精度可达0.01ppm。
Description
技术领域
本发明涉及一种非分散红外多组氟利昂气体检测系统，属于气体分析检测技术领域。
背景技术
红外气体检测技术是以朗伯比尔定律为理论基础，对气体浓度进行定量检测的。常见的红外气体检测技术有很多种，例如非分散红外技术、傅里叶红外技术、可调谐激光等。其中非分散红外技术以其成本低、体积小、稳定性好等优点，在各行各业得到了广泛的应用。但是这种技术也存在很多的缺点，例如：容易受到其他气体交叉干扰、测量精度不高、受温度、湿度影响较大等。
目前，采用非分散红外技术对某一种气体进行检测，已经成为较为普遍的现象。市场上也存在很多类似的产品。但是，市场上存在的非分散红外氟利昂气体检测系统只能对某一种氟利昂气体进行检测，无法同时对多种氟利昂气体进行检测，并且检测过程中容易受到其他氟利昂气体的干扰。
当下，使用较多的氟利昂气体的红外吸收波长集中在8-10um左右，不同种氟利昂气体在8-10um红外波长范围内，存在吸收波长的重叠。那么会存在一个问题，即采用非分散红外检测原理对某种氟利昂气体进行检测的系统，会受到其他某种或某多种氟利昂气体的干扰。例如：某款采用红外原理的氟利昂检测系统，对氟利昂气体A进行检测，氟利昂气体A的红外吸收波长范围为9.0um-9.3um，氟利昂气体B的红外吸收波长范围为8.9um-9.1um，那么氟利昂气体A与B存在红外吸收波长的重叠，如果检测过程中存在B气体，那么会对该检测系统对A气体的检测造成干扰与影响。即无法对氟利昂气体A与B进行辨别，更无法同时对氟利昂气体A与B进行检测。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非分散红外多组氟利昂气体检测系统，该系统对测量过程中气体浓度变化进行数学建模，采用卡尔曼滤波的方法，提高了系统测量的稳定性与重复性。
实现本发明的技术方案如下：
一种非分散红外多组氟利昂气体检测系统，包括光源、直通式气室、光电转换装置、信号处理与分析模块及上位机，其中，该检测系统还包括位于所述直通式气室与光电转换装置之间的非成像聚光光锥；
所述信号处理与分析模块，根据k时刻的测量值与k-1时刻的预测值的差计算k时刻的预测值，如式(14)所示
其中，
表示k-1时刻的预测值，x(k)表示k时刻的测量值，ε表示设定的测量误差，A表示系统状态矩阵，
表示状态误差。
进一步地，本发明所述非成像聚光光锥的长度为19mm。
进一步地，本发明所述ε采用该测量系统对标准气体多次测量得到。
附图说明
图1为多组分氟利昂气体红外检测系统结构示意图。
图2为非成像聚光光锥仿真效果图。
图3为多组分氟利昂气体红外检测系统结构连结图，其中包括电路板、光源、探测器、上位机等组成部分。
图4为整个系统工作流程。
图5为阿伦方差计算结果。
图6为算法执行流程图。
图7为卡尔曼滤波前后对比图。
图8为电路部分原理图设计。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
本实施例提供一种非分散红外多组氟利昂气体检测系统，如图1-3所示，主要包括6个部分：光源、气室、光锥、探测器(即光电转换器)、信号处理与分析模块及上位机，其中，
(1)光源
为了满足测量多组分氟利昂气体的需求，光源选用了一款可调制的黑体辐射光源，具有较宽的频率调制带宽，输出红外波长范围2-14μm，光源驱动信号采用10Hz方波恒流源驱动。
(2)直通式气室
直通式气室内部进行光滑与镀金处理，提高红外光线反射效率。
(3)非成像聚光光锥
非成像聚光光锥根据光源与探测器结构设计要求与长度要求，合理设计光锥的两端开口大小与长度，并进行镀金处理。将发散的红外光源发射的红外光线能量进行最大限度的汇聚，并将汇聚后的能量照射到探测器上，提高探测器输出信号的信噪比。
非成像聚光光锥，采用Tracepro软件进行仿真的效果如图2所示。由于采用发散光源，并且该类探测器窗口较小，如果不采用聚光的手段，光能的利用率较低。为了尽量将多的光线进行汇聚，并降低光线在光锥内的反射次数，通过计算得到光锥长度19mm。通过仿真，光能利用率达到了63％。其他不采用聚光光锥的仪器，光能利用率只能在10％左右。这样光能的利用率提高了约6倍。
(4)光电转换器
光电转换装置采用一款热释电探测器，该热释电探测器上加了一片法布里-帕罗干涉镜，可实现8-10.5um波长的任意切换。精度0.1um。
(5)信号处理与分析模块
信号处理与分析模块功能实现对光源驱动信号的生成，温度采集功能、探测器输出信号采集、数据打包传输、探测器供电与控制、数据通信等功能。电路板上采用一款STM32单片机作为MCU，对整个系统实现控制，如图8所示。
(6)上位机
上位机主要实现对探测器信号进行实时算法处理与结果显示。实现人机交互界面实现对整机功能控制。
如图4所示，整机工作流程为：上电初始化，上位机软件与电路板上单片机建立通信链接，根据用户设置的不同参数信息，通过上位机软件将参数信息下发到单片机，单片机将探测器所需要的参数信息配置给探测器，同时上位机将算法参数信息传递给算法部分；用户点击开始按钮后，单片机会实时采集探测器输出信号，并将数据传输到上位机，上位机调用算法部分对数据进行实时处理，解算得到不同氟利昂气体的浓度信息。并在上位机软件界面上进行数据显示与曲线显示。
为了提高系统的抗干扰能力，在探测器可调节的8-10.5um范围内选用了一个波长点作为整个系统测量的参考点波长，该波长点不存在氟利昂气体的吸收。通过待测气体吸收波长点与参考波长点的算法处理，可以有效的抵制测量气体中水蒸气以及颗粒物的影响，提高了系统的抗干扰能力。
由于光源的调制信号频率采用10Hz，探测器响应输出信号也为10Hz周期性信号，为了提高测量精度，尽量消除其他噪声影响，采用了数据积累、傅里叶级数的方法。数据积累即积累多个周期的数据，积累的周期数越多信噪比越高。同时也为后面傅里叶级数展开做铺垫。将得到的多周期的数据进行傅里叶级数展开，由于光源驱动信号与探测器响应信号的频率分量均为10Hz，只提取10Hz信号进行浓度反演计算，忽略其他频率成分，由于其他频率成分存在较大的噪声与干扰，从而信噪比得到有效的提高。
如图6所示，傅里叶级数公式，提取其中的V作为后续朗伯比尔定律浓度反演计算的输入电压。
红外氟利昂检测的基本原理为朗伯比尔吸收定律，其中I0为入射光强，I为透射光强，k为气体吸收系数，l为光程长度，x为气体浓度,则有
I＝I0e-klx (1)
对于有源检测器输出，存在相应的输出电压变化，电压与光强度成正比关系
其中，V0表示不存在目标气体时的输出，V表示存在目标气体的输出。
由(2)得到(3)，
FA＝1-e-klx (3)
为了降低噪声与干扰的影响，引入参考通道测量。
设参考通道输出电压为Vref。
即
成正比。
为了计算得到气体浓度数值，首先需要对公式中两个未知量I0、b＝kl进行标定计算。
气室通入低浓度目标气体与高浓度目标气，得到公式(5)、(6)。
(5)与(6)相比得到：
测试过程中，通入任意浓度的气体，得到探测器输出V与Vref。
以上计算公式只试用于恒温单组份气体浓度计算。
多种氟利昂检测的原理。多组分气体红外吸收，朗伯比尔定律可修改为
以氟利昂1301、R22、R410A检测为例。1301存在两个比较强的吸收峰分别在8.3um与9.2um左右。选取8.3um作为1301吸收测试波长点。同理，选取9.0um作为R22吸收测试波长点，选取9.3um作为R410A吸收测试波长点。由于8.3um处1301与R410A都有吸收，R22吸收较弱忽略不计。同理，9.0um与9.3um处三种氟利昂都有吸收。
通过对三个波长点的测试得到：
将(10)与(12)联立得到：
通过解线性方程组(13)，即可得到所有的未知浓度值。
通过实验，温度与电压幅度存在线性关系，通过线性拟合的方式，得到了温度随电压变化的函数关系式，不同温度条件下，补偿的数值通过计算即可得到。由于温度变量的引入，由温度的测量误差以及线性拟合的误差等原因，造成测量存在偏差。为了降低误差，提高测量的稳定性，这里创造性的采用卡尔曼滤波进行最后的数据滤波处理。
对气体浓度的状态进行数学建模。将气体浓度的变化分为两种数学模型：一种为气体浓度无变化，即
k-1时刻与k时刻的气体浓度几乎不变，只存在一个状态误差
另外一种为气体浓度有变化，即
k时刻气体浓度与k-1时刻存在浓度变化
并且也存在状态误差
如果不考虑过程噪声的影响可以令
也可以通过其他标准仪器测量得到。
判断k时刻的测量值与k-1时刻的预测值的差是否超过测量误差，作为判断标准与状态方程的补充，得到(14)式
其中,x(k)为k时刻的测量值，
为k-1时刻的预测值。如果x(k)-
系统认为待测气体浓度存在变化，需要对
进行修正，如果
则系统认为是正常的测量数据波动，不存在浓度变化，不需要修正。A为系统的状态参数矩阵，不妨设A＝1，ε可以采用系统对某种标准气体多次测量得到。
本发明将长时间得到的浓度值，通过阿伦方差的方法估计测量精度，随积分时间的增大，检测精度可达0.01ppm。示例图5为阿伦方差曲线。
多组分氟利昂气体(1301、R22、R410A)在8-10um存在不同频率的红外光谱吸收，根据其吸收红外光谱频率的不同，实现了对多组分氟利昂气体的鉴别。根据气体浓度与其特征吸收峰强度成正比关系，实现了红外吸收光谱的定量测量。通过聚光光锥的设计以及信号处理部分采用先进的算法，系统的稳定性、重复性、抗干扰性较好，测量精度较高。
通过对状态方程的修正，弥补了卡尔曼滤波无法应用到气体检测系统中的弊端(无法对待测气体浓度的突变做出快速响应)。达到了比较理想的稳定性测试结果。测试结果对比如图7所示。
《光谱学与光谱分析》2011年收录的《NDIR多组分气体分析的干扰修正方法研究》对多组分气体分析干扰修正提出了很好的解决方法，本发明中也采用了其中的部分技术。但是，本发明与该文献还是存在很大的区别，例如，整机功能结构设计有所不同，首先气室结构上，文献中采用的是多次反射吸收池，本发明采用的是直通式气室+非成像聚光光锥的形式。其次，在对光波长的选择上，文献中采用的是滤光轮的方法，本发明采用的是FPI的方法。最后，在提高系统测量的稳定性上，本发明创造性的采用了卡尔曼滤波的方法，而文献中并未提及该技术。
几乎没有现有技术将卡尔曼滤波的方法应用到非分散红外检测领域。是由于该方法并不能直接应用到气体检测领域，需要对测量过程中气体的浓度变化进行数学建模，但是气体的浓度变化无规律可循，无章法可依，更是无法提前得知，造成了数学建模的困难。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种非分散红外多组氟利昂气体检测系统，包括光源、直通式气室、光电转换装置、信号处理与分析模块及上位机，其特征在于，该检测系统还包括位于所述直通式气室与光电转换装置之间的非成像聚光光锥；
所述信号处理与分析模块，根据k时刻的测量值与k-1时刻的预测值的差计算k时刻的预测值，如式(14)所示
其中，
表示k-1时刻的预测值，x(k)表示k时刻的测量值，ε表示设定的测量误差，A表示系统状态矩阵，
表示状态误差。
2.根据权利要求1所述非分散红外多组氟利昂气体检测系统，其特征在于，所述非成像聚光光锥的长度为19mm。
3.根据权利要求1所述非分散红外多组氟利昂气体检测系统，其特征在于，所述ε采用该测量系统对标准气体多次测量得到。
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