CN111398203B - 低功耗甲烷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低功耗甲烷检测装置，所述装置包括：LED驱动电路、与所述LED驱动电路输出端连接的测量发光二极管、与所述LED驱动电路输出端连接的参考发光二极管、将所述测量发光二极管和参考发光二极管的光转换为电信号的光敏元件、与所述光敏元件的输出端连接的光敏信号放大电路、用于测量检测装置内部温度的温度测量元件、电源和微处理器。本申请采用中红外波长的发光二极管‑光电二极管或者发光二极管‑光敏电阻设计甲烷检测装置，将红外甲烷检测装置的功耗降低至10mW以内，延长了采用电池供电的甲烷检测装置的续航时间，促进无线和便携式甲烷检测装置的推广应用。

Description

低功耗甲烷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及红外气体浓度检测领域，尤其涉及一种低功耗甲烷检测装置及方法。

背景技术

目前，现有甲烷检测装置的检测原理大多采用的是载体催化原理、热导原理、红外或激光光学检测原理。采用上述原理的甲烷检测装置均实现了实用化，但存在以下缺陷：载体催化原理容易中毒且功耗较高，热导原理无法实现全量程准确测量；激光光学检测原理检测精度高，但是存在成本高、功耗高的问题；传统基于白炽灯-滤光片-探测器结构的红外甲烷检测装置其功耗高。甲烷检测装置的功耗直接决定了甲烷检测装置的续航能力，一般功耗大的甲烷检测装置电池续航的免维护周期不大于48小时，如此短的维护周期对于大规模使用的区域往往伴随这巨大的人力维护成本。此外，因白炽灯发射波长覆盖水汽红外吸收区，因此，基于白炽灯-滤光片-探测器结构的红外甲烷检测装置存在无法克服的水汽测量干扰影响，限制了相关技术的推广应用。

因此，亟需一种低功耗且能克服上述缺陷的甲烷检测装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供低功耗甲烷检测装置及方法，以解决现有技术的不足。

本申请提供一种低功耗甲烷检测装置，其特征在于：包括：LED驱动电路、与所述LED驱动电路输出端连接的测量发光二极管、与所述LED驱动电路输出端连接的参考发光二极管、将所述测量发光二极管和参考发光二极管的光转换为电信号的光敏元件、与所述光敏元件的输出端连接的光敏信号放大电路、用于测量检测装置内部温度的温度测量元件、电源和微处理器，所述微处理器用于接收所述光敏放大电路和温度测量元件的信号，同时控制所述LED驱动电路的工作状态，所述电源用于为微处理器、LED驱动电路、光敏信号放大电路和温度测量元件提供工作用电。

进一步，所述测量发光二极管发出的峰值波长需位于甲烷气体的主吸收带；所述参考发光二极管发出的峰值波长需避开甲烷气体的主吸收带。

进一步，所述光敏元件包括光电二极管和光敏电阻。

相应地，本发明还提供一种低功耗甲烷检测方法，其特征在于：用于权利要求1至权利要求3所述的低功耗甲烷检测装置，所述方法包括以下步骤：

S1：获得所述检测装置的测量零点数值X₀和参考零点数值R₀，初始化LED驱动电路的工作频率和脉冲宽度，以及预设故障阈值ε；

S2：清零计时器，并开始计时；

S3：控制测量发光二极管和参考发光二极管在预设时间内交替发光，测量获得测量发光二极管发光时，微处理器的测量输入值X，测量获得参考发光二极管发光时，微处理器的参考输入值R；

S4：通过所述检测装置的测量输入值X，确定气体浓度值V₀的值，

V₀＝A₁X²+B₁X+C (1)；

其中，V₀表示标准甲烷气体浓度值，A₁表示二次系数，B₁表示一次系数，C表示常数；

S5：通过所述温度测量元件的温度，确定温度补偿值δ,

δ＝A₀T+B₀ (2)；

其中，δ表示温度补偿值，T表示实际测量的温度值，A₀和B₀表示温度补偿系数；

S6：确定甲烷气体浓度值S，

其中，S表示甲烷气体浓度值，V₀表示标准气体浓度值，δ表示温度补偿值；

S7：判断计时器的计时是否小于所述预设时间，若是，则记录S的值并进入步骤S3；若否，则确定所述预设时间内甲烷气体浓度值的平均值并将所述平均值作为甲烷检测值；

S8：确定所述预设时间内所述参考输入值R的平均值，并判断所述参考数值R的平均值与参考零点值R₀的差值是否小于所述预设故障阈值ε，若是，则输出甲烷检测值，同时微处理器控制LED驱动电路断开大于1倍的所述预设时间的时间；若否，则输出所述检测装置故障，同时微处理器控制LED驱动电路断开N倍所述预设时间的时间，N为整数且大于1。

进一步，所述测量零点数值X₀和参考零点数值R₀采用如下方法确定：在没有甲烷气体的恒温环境下，所述光敏元件将测量发光二极管、参考发光二极管光强信号分时转换为电流信号，经光敏信号放大电路处理后进入微处理器A/D通道转换，得到空气环境下甲烷传感器的测量零点数值X₀和参考零点数值R₀。

进一步，步骤S4所述标准甲烷气体浓度值V₀采用如下方法确定：

S41：依次向所述甲烷检测装置中通入0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL浓度的标准甲烷气体；

S42：获得所述0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL浓度的标准甲烷气体分别对应的测量数值与测量零点数值的差值分别记为测量输入值X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈；

S42：将所述标准甲烷气体0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL与所述测量输入值X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈进行拟合获得测量输入值X与标准甲烷气体浓度值V₀的函数关系。

进一步，所述温度补偿值δ采用如下方法确定：

S51：获得不同温度条件下同一标准甲烷气体浓度的测量值；

S52：根据δ＝S/V₀和δ＝A₀T+B₀，联立确定A₀和B₀的值，从而确定温度补偿值。

本发明的有益技术效果：本申请采用中红外波长的发光二极管-光电二极管或者发光二极管-光敏电阻设计甲烷检测装置，将红外甲烷检测装置的功耗降低至10mW以内，延长了采用电池供电的甲烷检测装置的续航时间，促进无线和便携式甲烷检测装置的推广应用。

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为本发明的甲烷检测装置的结构示意图。

图2是本发明的甲烷检测方法的原理流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供的一种低功耗甲烷检测装置，其特征在于：包括：LED驱动电路、与所述LED驱动电路输出端连接的测量发光二极管、与所述LED驱动电路输出端连接的参考发光二极管、将所述测量发光二极管和参考发光二极管的光转换为电信号的光敏元件、与所述光敏元件的输出端连接的光敏信号放大电路、用于测量检测装置内部温度的温度测量元件、温度测量元件紧贴布置在检测装置的电路板，测量载体催化甲烷元件的实时温度值T，电源和微处理器，所述微处理器用于接收所述光敏放大电路和温度测量元件的信号，同时控制所述LED驱动电路的工作状态，所述电源用于为微处理器、LED驱动电路、光敏信号放大电路和温度测量元件提供工作用电。上述元件均采用现有产品，测量发光二极管、参考发光二极管是基于(镓铟砷锑)GaInAsSb固溶物异质结生长定量技术的高速响应中红外光谱范围的窄带隙发光二极管；光敏器件是用于光强信号检测的光电二极管或光敏电阻；测量发光二极管、参考发光二极管、光敏器件、电源电路、LED驱动电路、光敏信号放大电路、温度测量元件、微处理器等器件布置在电路板上，电路板放置于光学气室内固定安装；测量发光二极管、参考发光二极管与光敏器件组成光学组件，光程由光学气室球面镜反射结构决定；本申请的甲烷检测装置利用甲烷气体的红外吸收光谱为检测机制，即测量发光二极管发出的红外光经过一定浓度的待测的甲烷气体吸收后，与气体浓度成正比的光线强度会发生变化，因此，求出光线光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度；此外，本申请将一个检测周期划分为检测时段和休息时段，在保证检测精度的前提下，充分发挥发光二极管高速响应的特性，将检测装置的能耗降低至10mW以内，延长了采用电池供电的甲烷检测装置的续航时间，促进无线和便携式甲烷检测装置的推广应用。

所述测量发光二极管发出的峰值波长需位于甲烷气体的主吸收带；所述参考发光二极管发出的峰值波长需避开甲烷气体的主吸收带。甲烷气体的主吸收带在3200～3400nm，因此测量发光二极管选型原则为发射峰值波长位于甲烷气体3200～3400nm主吸收带，参考发光二极管发射峰值波长应不在3200～3400nm主吸收带及附近，而光敏元件最大灵敏度波长范围位于甲烷气体3200～3400nm主吸收带或附近，且在参考发光二极管发射峰值波长处有较强吸收，根据上述原则完成光学器件选型。

在本实施例中，所述光敏元件包括光电二极管和光敏电阻。

相应地，本发明还提供一种低功耗甲烷检测方法，其特征在于：用于权利要求1至权利要求3所述的低功耗甲烷检测装置，所述方法包括以下步骤：

S1：获得所述检测装置的测量零点数值X₀和参考零点数值R₀，初始化LED驱动电路的工作频率和脉冲宽度，以及预设故障阈值ε；本实施例中，测量发光二极管、参考发光二极管工作频率f范围为0.5～16kHz，脉冲宽度τ为31～1000μs(准连续模式，占空比为50％或25％，使发光二极管获得最大平均光学功率)或0.6～20μs(脉冲模式，使发光二极管获得最大峰值光学功率)；所述预设故障阈值ε则根据实际检测精度需要进行设置。

S2：清零计时器，并开始计时；

S3：控制测量发光二极管和参考发光二极管在预设时间内交替发光，测量获得测量发光二极管发光时，微处理器的测量输入值X，测量获得参考发光二极管发光时，微处理器的参考输入值R；

S4：通过所述检测装置的测量输入值X，确定气体浓度值V₀的值，

V₀＝A₁X²+B₁X+C (1)；

其中，V₀表示标准甲烷气体浓度值，A₁表示二次系数，B₁表示一次系数，C表示常数；

S5：通过所述温度测量元件的温度，确定温度补偿值δ,

δ＝A₀T+B₀ (2)；

其中，δ表示温度补偿值，T表示实际测量的温度值，A₀和B₀表示温度补偿系数；

S6：确定甲烷气体浓度值S，

其中，S表示甲烷气体浓度值，V₀表示标准气体浓度值，δ表示温度补偿值；

S7：判断计时器的计时是否小于所述预设时间，若是，则记录S的值并进入步骤S3；若否，则确定所述预设时间内甲烷气体浓度值的平均值并将所述平均值作为甲烷检测值；所述预设时间本领域技术人员可根据实际工况需要进行设置，在本实施例中，所述预设时间为5毫秒；在本实施例中，通过数字通讯方式将甲烷浓度值传输至其他外部智能处理器设备。

S8：确定所述预设时间内所述参考输入值R的平均值，并判断所述参考数值R的平均值与参考零点值R₀的差值是否小于所述预设故障阈值ε，若是，则输出甲烷检测值，同时微处理器控制LED驱动电路断开大于1倍的所述预设时间的时间；若否，则输出所述检测装置故障，同时微处理器控制LED驱动电路断开N倍所述预设时间的时间，N为整数且大于1。所述N的取值本领域技术人员可根据实际工况需要进行设置，在本实施例中，所述N的取值为99；步骤S1的设置如没有修正，在非初次测量时，直接中步骤S2开始。

在本实施例中，所述测量零点数值X₀和参考零点数值R₀采用如下方法确定：在没有甲烷气体的恒温环境下，所述光敏元件将测量发光二极管、参考发光二极管光强信号分时转换为电流信号，经光敏信号放大电路处理后进入微处理器A/D通道转换，得到空气环境下甲烷传感器的测量零点数值X₀和参考零点数值R₀。

在本实施例中，步骤S4所述标准甲烷气体浓度值V₀采用如下方法确定：

S41：依次向所述甲烷检测装置中通入0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL浓度的标准甲烷气体；

S42：获得所述0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL浓度的标准甲烷气体分别对应的测量数值与测量零点数值的差值分别记为测量输入值X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈；

S42：将所述标准甲烷气体0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL与所述测量输入值X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈进行拟合获得测量输入值X与标准甲烷气体浓度值V₀的函数关系。

在本实施例中，所述温度补偿值δ采用如下方法确定：

S51：获得不同温度条件下同一标准甲烷气体浓度的测量值；

S52：根据δ＝S/V₀和δ＝A₀T+B₀，联立确定A₀和B₀的值，从而确定温度补偿值。

低功耗中红外发光二极管，测量发光二极管型号为LED34，峰值波长为3300～3440nm，参考发光二极管型号为LED27，峰值波长为2700～2790nm，光敏元件采用型号为PD36的光电二极管，最大灵敏度波长范围为2200～3400nm截止波长为3600～3700nm，温度测量元件采用0603封装6.8kΩ的NTC型的热敏电阻，微处理器采用内置12位及以上A/D转换器和UART通讯接口的小封装ARM芯片。

微处理器按照准连续模式逻辑，通过电源电路、LED驱动电路控制LED34、LED27按照频率f为2kHz、脉冲宽度τ为250μs进行错峰上电工作，驱动电流为150mA。PD36将LED34、LED27的光信号转换为电流信号，光敏信号放大电路将电流信号转换为线性电压信号输入到微处理器A/D输入引脚IN1，温度测量元件电压信号输入到微处理器A/D输入引脚IN2，传感器通过UART通讯接口将检测值传输至外部智能设备。

其控制逻辑为微处理器控制LED34上电工作250μs，同时LED27断电，通过PD36检测测量光信号强度，微处理器由采集到IN1引脚的A/D数值x，从而计算出甲烷气体浓度值V₀，然后根据实时温度检测值修正浓度，从而计算出真实气体浓度值S，然后LED34断电、LED27上电工作250μs，通过PD36检测参考光信号强度，从而计算出参考光信号对应A/D数值R_x，然后依次如前述逻辑LED34、LED27交替上电工作9次，总工作时长5ms，然后LED34、LED27均断电495ms，从而极大降低传感器功耗。微处理器对10次浓度值S进行平均值处理后作为一次传感器浓度检测值，10次R_x平均值与R₀差值的绝对值小于ε，判定传感器状态正常，通过UART通讯接口传输检测值及状态至外部智能设备，从而完成一次传感器测量过程；而后传感器按照上述测量过程逻辑循环工作。

低功耗中红外发光二极管，测量发光二极管型号为LED34，峰值波长为3400nm，参考发光二极管型号为LED27，峰值波长为2700nm，光敏元件采用型号为PR36的光敏电阻，峰值波长为3600nm，温度测量元件采用0603封装6.8kΩ的NTC型的热敏电阻，微处理器采用内置12位及以上A/D转换器和UART通讯接口的小封装ARM芯片。

微处理器按照脉冲模式逻辑，通过电源电路、LED驱动电路控制LED34、LED27按照频率f为2kHz、脉冲宽度τ为5μs进行错峰上电工作，驱动电流为2A。PR36将LED34、LED27的光信号转换为电流信号，光敏信号放大电路将电流信号转换为线性电压信号输入到微处理器A/D输入引脚IN1，温度测量元件电压信号输入到微处理器A/D输入引脚IN2，传感器通过UART通讯接口将检测值传输至外部智能设备。

其控制逻辑为微处理器控制LED34上电工作5μs，同时LED27断电，通过PR36检测测量光信号强度，微处理器由采集到IN1引脚的A/D数值x，从而计算出甲烷气体浓度值V₀，然后根据实时温度检测值修正浓度，从而计算出真实气体浓度值S，然后LED34断电495μs内LED27上电工作5μs，通过PR36检测参考光信号强度，从而计算出参考光信号对应A/D数值Rx，然后LED27断电495μs,然后依次如前述逻辑LED34、LED27交替上电工作9次，总工作时长5ms，然后LED34、LED27均断电495ms，从而极大降低传感器功耗。微处理器对10次浓度值S进行平均值处理后作为一次传感器浓度检测值，10次Rx平均值与R0差值的绝对值小于ε，判定传感器状态正常，通过UART通讯接口传输检测值及状态至外部智能设备，从而完成一次传感器测量过程；而后传感器按照上述测量过程逻辑循环工作。

本发明针对低功耗甲烷传感器，采用中红外波长的发光二极管-光电二极管/光敏电阻测量原理设计，通过选用适合甲烷气体吸收峰值波长的测量发光二极管及配套的参考发光二极管，结合LED驱动电路、光敏信号放大电路设计，将红外甲烷传感器的功耗降低至10mW内，同时克服了因白炽灯发射波长覆盖水汽红外吸收区，导致传统红外甲烷传感器无法克服的水汽测量干扰影响的原理性缺陷，在提高甲烷检测准确性的同时大大延长了采用电池供电的甲烷传感器的电池使用时间，为无线式和便携式甲烷检测仪表的开发提供了更好的技术方案。

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 (4)

1.一种低功耗甲烷检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：获得检测装置的测量零点数值X₀和参考零点数值R₀，初始化LED驱动电路的工作频率和脉冲宽度，以及预设故障阈值ε；所述检测装置包括LED驱动电路、与所述LED驱动电路输出端连接的测量发光二极管、与所述LED驱动电路输出端连接的参考发光二极管、将所述测量发光二极管和参考发光二极管的光转换为电信号的光敏元件、与所述光敏元件的输出端连接的光敏信号放大电路、用于测量检测装置内部温度的温度测量元件、电源和微处理器，所述微处理器用于接收所述光敏信号放大电路和温度测量元件的信号，同时控制所述LED驱动电路的工作状态，所述电源用于为微处理器、LED驱动电路、光敏信号放大电路和温度测量元件提供工作用电；

S2：清零计时器，并开始计时；

S3：控制测量发光二极管和参考发光二极管在预设时间内交替发光，测量获得测量发光二极管发光时，微处理器的测量输入值X，测量获得参考发光二极管发光时，微处理器的参考输入值R；

S4：通过所述检测装置的测量输入值X，确定气体浓度值V₀的值，

V₀＝A₁X²+B₁X+C(1)；

其中，V₀表示标准甲烷气体浓度值，A₁表示二次系数，B₁表示一次系数，C表示常数；

S5：通过所述温度测量元件的温度，确定温度补偿值δ,

δ＝A₀T+B₀ (2)；

其中，δ表示温度补偿值，T表示实际测量的温度值，A₀和B₀表示温度补偿系数；

S6：确定甲烷气体浓度值S，

其中，S表示甲烷气体浓度值，V₀表示标准气体浓度值，δ表示温度补偿值；

S7：判断计时器的计时是否小于所述预设时间，若是，则记录S的值并进入步骤S3；若否，则确定所述预设时间内甲烷气体浓度值的平均值并将所述平均值作为甲烷检测值；

S8：确定所述预设时间内所述参考输入值R的平均值，并判断所述参考输入值R的平均值与参考零点值R₀的差值是否小于所述预设故障阈值ε，若是，则输出甲烷检测值，同时微处理器控制LED驱动电路断开大于1倍的所述预设时间的时间；若否，则输出所述检测装置故障，同时微处理器控制LED驱动电路断开N倍所述预设时间的时间，N为整数且大于1。

2.根据权利要求1所述低功耗甲烷检测方法，其特征在于：所述测量零点数值X₀和参考零点数值R₀采用如下方法确定：在没有甲烷气体的恒温环境下，所述光敏元件将测量发光二极管、参考发光二极管光强信号分时转换为电流信号，经光敏信号放大电路处理后进入微处理器A/D通道转换，得到空气环境下甲烷传感器的测量零点数值X₀和参考零点数值R₀。

3.根据权利要求1所述低功耗甲烷检测方法，其特征在于：步骤S4所述标准甲烷气体浓度值V₀采用如下方法确定：

S41：依次向所述甲烷检测装置中通入0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL浓度的标准甲烷气体；

S42：获得所述0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL浓度的标准甲烷气体分别对应的测量数值与测量零点数值的差值分别记为测量输入值X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈；

S42：将所述标准甲烷气体0.5％VOL、2％VOL、3.5％VOL、8.5％VOL、20％VOL、35％VOL、60％VOL、85％VOL与所述测量输入值X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈进行拟合获得测量输入值X与标准甲烷气体浓度值V₀的函数关系。

4.根据权利要求1所述低功耗甲烷检测方法，其特征在于：所述温度补偿值δ采用如下方法确定：

S51：获得不同温度条件下同一标准甲烷气体浓度的测量值；

S52：根据δ＝S/V₀和δ＝A₀T+B₀，联立确定A₀和B₀的值，从而确定温度补偿值。

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