CN111721736B - 气体浓度测量装置的校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的气体浓度测量装置的校正方法防止由于使用不适当的校正式而使测量误差变大。该矫正方法包括如下步骤：读取基于对浓度不同的多种标准气体进行实际测量的结果而生成的校正式(S1)；对于该校正式进行一阶微分计算出一阶微分式(S2)。另外对于校正式进行二阶微分计算出二阶微分式(S4)。在一阶微分式的微分值变成负值(在S3中为“是”)或者二阶微分式的微分值变成负值(在S5中为“是”)的任一情况时，判断为校正式异常并输出该结果(S7)。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度测量装置的校正方法。
背景技术
测量CO、CO2、CH4等特定的气体成分的浓度的便携式气体浓度测量装置多采用构成比较简单、稳定性优越的非分散型红外线吸收(Non-Dispersive Infrared：NDIR)法作为测量方法(参照专利文献1等)。在使用NDIR法的气体浓度测量装置中有单光束方式与双光束方式，不管哪种方式，都使试样气体流入在两端形成有供光透过的窗口的筒状的试样池。然后，将红外光从其中一个窗口射入试样池内，并使被该试样池中的试样气体中的成分吸收后的红外光从另一个窗口射出并射入光检测器，从而测量光的强度。然后，根据具有目标成分的情况与不具有目标成分的情况下的光强度的差求出光吸收量。
众所周知，试样池中的气体对光的吸收根据朗伯-比尔(Lambert–Beer)定律，该吸收量相对于试样气体的浓度呈对数关系。因此，从根据测量求得的光吸收量求出试样气体浓度时，使用将光吸收量转换成浓度的校正式(示出校正曲线的计算式)。
但是，在实际的装置中，在射入检测器的光中不仅包括直线性地通过试样池中而来的光，而且也包括由于在试样池的内壁反射了一次或多次，因此通过更长光路长度而来的光。因此，光吸收量与试样气体浓度经常不形成对数关系。因此，作为校正式，通常使用高阶的多项式。这种情况下，校正式的曲线的形状由高阶多项式的系数决定，该曲线形状根据试样池的内壁的反射率、试样池的长度、光检测器的特性等装置固有的因素以及测量范围而改变。因此，气体浓度测量装置的制造商通常在工厂出货时使用标准气体对每1台装置进行实际测量，从而确定多项式的系数并存储在内部的存储器中。
作为上述标准气体，通常使用通过分割量程气体而制备成的气体。例如，将量程气体的浓度作为1时，制备出浓度为1、0.8、0.6、0.4、0.2以及0的标准气体，通过相对于对浓度不同的各标准气体进行实际测量而得到的多个检测器输出应用最小二乘法，从而计算出表示校正式的多项式的系数。为了如上所述地分割量程气体而得到多种浓度的标准气体，利用了如非专利文献1中所述的标准气体分割器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-274393号公报
非专利文献
非专利文献1:“标准气体分割器SGD-SC series”、[联网]、HORIBA STEC股份有限公司、[2019年02月25日检索]、网页链接：<URL:http://www.horiba.com/uploads/media/87314_SG-DJ_01.pdf>
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，由于在实际测量标准气体时产生的各种因素，存在校正式变得不正确的情况。例如，如果由于在用于制备标准气体的标准气体分割器存在故障、准备的成分气体或稀释气体的剩余量较少或者标准气体分割器的操作不适当等，使标准气体的浓度偏离规定的浓度，则无法得到正确的校正式。在由于负责校正作业的负责人的操作失误等原因而该负责人注意到该失误的情况下，能够重新进行标准气体的测量等应对，但是在负责人没有注意到的情况下，基于不正确的校正式将实施误差较大的测量。
虽然在使用装置的用户侧能够基于对标准气体进行实际测量的结果检查校正式是否适当，但是用户准备浓度不同的多种标准气体的成本负担较大且不实用。
本发明是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种气体浓度测量装置的校正方法，在用于校正的校正式异常的情况下，无需实际地执行气体测量就能够检测出至少一部分的异常。
用于解决上述技术问题的方案
本发明的一方案的气体浓度测量装置的校正方法，对气体浓度测量装置进行校正，所述气体浓度测量装置具备：试样池，收纳有试样气体；检测器，使光通过该试样池中并对该通过试样池的光进行检测；运算部，基于该检测器的输出求出所述试样气体的浓度，
所述气体浓度测量装置的校正方法具有：
测量步骤，对具有彼此不同的浓度的多种标准气体重复执行如下动作：将具有规定的浓度的标准气体从气体供给源供给至所述试样池中，使光通过该试样池中并利用检测器对该通过的光进行检测；
校正式生成步骤，通过多项式拟合而拟合出所述检测器的输出与所述标准气体的浓度的二维曲线图，从而生成校正式；
一阶微分步骤，对所述校正式进行一阶微分从而计算出一阶微分式；
二阶微分步骤，对所述校正式进行二阶微分从而计算出二阶微分式；
判定步骤，在所述一阶微分式中值变成负值或者所述二阶微分式中值变成负值的任一情况时，判断为所述校正式异常。
发明效果
气体成分进行的光吸收是物理现象，表示以气体成分浓度为横轴、检测器输出为纵轴时的两者关系的曲线的弯曲是平滑且向下的凸状，并且随气体成分浓度的增加，其倾斜度变大。因此，在用校正式表示的曲线的形状与此相反的情况下，可以判断为该校正式异常。在本发明的一方案中，通过使用对于校正式的一阶微分式以及二阶微分式来判定如上所述的曲线有无异常。
根据本发明的一方案的气体浓度测量装置的校正方法，仅通过对于校正式的运算处理与对于该运算结果的判定处理就能够检测该校正式的异常。当然，虽然通过本发明的一方案的方法能够检测的异常状态是可能发生的异常的一部分，但如后所述是相比较经常发生，即频次比较高的异常。因此，如果根据本发明的一方案的校正方法，则能够减少由于使用不适当的校正式而得到误差较大的测量结果这样的状况。
附图说明
图1是实施本发明的校正方法的气体浓度测量装置的一实施方式的概略构成图。
图2是示出本实施方式的气体浓度测量装置中的校正式异常检测的步骤的流程图。
图3是示出正常的校正式的一例的图。
图4是示出异常的校正式的一例的图。
图5是示出如图3所示的校正式的一阶微分以及二阶微分的图。
图6是示出如图4所示的校正式的一阶微分以及二阶微分的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的气体浓度测量装置的校正方法的一实施方式进行说明。
本实施方式的装置的构成
图1是实施本发明的校正方法的气体浓度测量装置的一实施方式的概略构成图。该气体浓度测量装置是通过单光束方式的NDIR法对试样气体中的特定的气体成分的浓度进行测量的装置。但是，用双光束方式替代单光束方式对本领域技术人员而言是容易且明显的。
该气体浓度测量装置包括光源1、旋转扇2、滤光器3、试样池4、检测器5、信号处理部6、操作部7与显示部8。旋转扇2对从光源1射出的光进行周期性遮蔽。滤光器3是使与作为目标气体成分的吸收波长对应的特定的波长带宽的光透过的带通滤波器。但是，在使用仅对特定波长具有灵敏度的气体封闭型等检测器作为检测器5的情况下，有时不包括滤光器。信号处理部6作为功能块，包括校正式生成部61、校正式检查部62、校正式存储部63以及光量-浓度换算部64等。此外，信号处理部6能够以包括CPU、ROM、RAM等的微型计算机为中心而构成，也能够通过例如数字信号处理器(DSP)等专用的硬件来实现其功能的一部分或全部。
另外，在图1中记载的标准气体产生部9在生成校正式时使用，包括稀释气体储存部91、成分气体储存部92以及标准气体分割部93。在本实施方式的气体浓度测量装置中不包括标准气体产生部9。
<本实施方式的装置中的测量动作>
对本实施方式的气体浓度测量中的特征性的测量动作进行概略性说明。在此时，校正式存储部63存储有用于对气体成分浓度与检测器输出的关系进行校正的校正式。
从光源1射出的光通过旋转扇2间歇性地射入滤光器3以及试样池4。例如，在目标成分为CO的情况下，CO的吸收波长附近的波长带宽的光被滤光器3选择并射入试样池4。在试样池4流通有试样气体，导入试样池4的光被该试样气体中所含的目标成分(CO)吸收。由此，光量衰减后的光到达检测器5，并且检测器5对与该光量对应的检测信号进行输出。此外，由于在红外线检测器中通常相对于入射光的强度变化而输出检测信号，因此使用旋转扇2来进行光调制。
另外，在测量包含目标成分的试样气体之后，对不包含(去除)目标成分的试样气体也进行相同的测量，并获取与光量对应的检测信号。在信号处理部6中，光量-浓度换算部64根据对于具有目标成分的试样气体的测量结果与对于不具有目标成分的试样气体的测量结果，计算出目标成分的光吸收量。光量-浓度换算部64进而使用存储在校正式存储部63的校正式，根据光吸收量计算出目标成分的浓度。然后将该结果输出至显示部8。
<本实施方式的装置中的校正式>
图3是示出表示存储在校正式存储部63的校正式的曲线(校正曲线)的一例的图。在对校正式进行计算时，将标准气体产生部9连接至试样池4，并将目标成分的量程气体(储存在成分气体储存部92的气体)稀释到1、0.8、0.6、0.4、0.2的气体作为标准气体按顺序进行测量。然后获取与各浓度对应的检测器输出。校正式生成部61将导入的气体的浓度(“1”为量程气体的浓度，“0”为浓度0)设为x，将与气体浓度“1”对应的检测器输出设为“1”，与气体浓度“0”对应的检测器输出为“0”时的相对的检测器输出设为y，并将实际测量的检测器输出绘制在图3所示的图表上。然后，基于多个(6个)绘制点通过最小二乘法确定规定的阶数的多项式的系数，并将该多项式作为校正式。
气体成分吸收光是物理现象，如图3所示，校正曲线的弯曲是平滑且向下的凸形状，并且随气体浓度增加，其倾斜度变大。然而，在用于生成校正式的标准气体的实际测量时，浓度应该为0.4的标准气体的浓度实际上偏离0.4而其他浓度的标准气体适当的情况下，校正曲线变成如图4所示的那样。这是仅有浓度应该为0.4的标准气体的实际的浓度比0.4大的情况。
例如，在非专利文献1中所记载的标准气体分割器通过毛细管式流量比混合法来调整浓度，但例如若特定的毛细管破损或堵塞，从而在选择了特定的浓度时稀释气体的流量减小，则如上所述，实际的浓度会偏离设定值。如上所述，通常气体浓度变得不正确这样的故障的频次虽然不是很高，但是这样的故障的原因多是分割器本身的故障的情况。另外，在标准气体的测量中途成分气体或稀释气体耗尽而更换气瓶、或者重新进行压力调整的情况下，也可能会产生相同的异常。
当然，如图4所示的例子那样，若校正式不适当，则即使光吸收量的测量本身适当，也无法避免浓度的误差变大。对此，在本实施方式的装置中，具备对如上所述那样生成的校正式进行检查的功能。
<校正式的异常检测方法>
图2是示出在校正式检查部62中实施的校正式异常检测处理的步骤的流程图。
首先，校正式检查部62从校正式存储部63读取处理对象的校正式(步骤S1)。该校正式为表示图3、图4所示的校正曲线的多项式。然后，将该校正式相对于x进行一阶微分从而计算出一阶微分式y′(步骤S2)。
然后，对一阶微分式y′中在x＝0附近的微分值是否存在负值进行判定(步骤S3)。在x＝0附近的微分值存在负值表示校正曲线在x＝0附近没有单调增加，作为校正曲线这是异常的。此外，在步骤S3中，也可以对在x＝0～1的全体范围内的微分值是否存在负值进行判定，但因为实际上仅在x＝0附近微分值才有可能变成负值，所以只要仅在x＝0附近的规定的范围内进行判定即可。
在步骤S3中判定为“是”的情况下，进入后述的步骤S7。另一方面，在步骤S3中判定为“否”的情况下，将上述校正式相对于x进行二阶微分计算出二阶微分式y″(步骤S4)。然后，对二阶微分式y″中在x＝0～1的全体范围内的二阶微分值是否存在负值进行判定(步骤S5)。在x＝0～1的全体范围内的二阶微分值存在负值表示校正曲线的倾斜度没有单调增加，即在中途存在拐点，作为校正曲线这也是异常的。
因此，在步骤S5中判定为“是”的情况下与在上述步骤S3中判定为“是”的情况同样地进入步骤S7，并判定为校正式异常，将该判定结果输出至显示部8。另一方面，在步骤S5中判定为“否”的情况下，至少在该检查中判定为正常，并将该判定结果输出至显示部8(步骤S6)。
图5是示出图3所示的正常的校正式的一阶微分以及二阶微分的图。另外，图6是示出图4所示的异常的校正式的一阶微分以及二阶微分的图。如图5所示，在校正曲线为正常的情况下，步骤S3以及S5的任一个的判定处理都为正常。相对于此，如图6所示，在校正曲线如图4所示地为异常的情况下，一阶微分的微分值在x＝0的极附近变成负值。另外，二阶微分的微分值有很大的部分变成负值。因此，在步骤S3以及S5的任一个的判定处理中判定为异常。
此外，通常校正曲线的倾斜度根据测量范围而相差很大，如果扩大测量范围，则校正曲线的倾斜度变陡。在校正曲线的倾斜度像那样较陡的情况下，若某种浓度下通过实际测量得到的绘制点的位置不适当，则校正曲线在x＝0附近容易下降。
此外，图4示出的例子为0～1的范围的6个点的浓度中1个浓度不适当的情况的例子，不言自明地，在多个浓度不适当的情况下，也能够通过上述方法进行检测。
另外，上述实施方式是本发明的一例，不言自明地，即使在本发明的主旨的范围内进行适当的修改、变更或追加，也包含在本申请的权利要求书的范围内。
例如，在上述说明中以装置的制造商进行校正式的检查作为前提，但很明显，也可以在用户侧进行相同的检查。另外，不言自明地，在标准气体分割部93中使用了质量流量控制器式气体稀释器的情况下，也可以得到相同的效果。
<本发明的各种方案的说明>
以上，参照附图对本发明中的各种实施方式进行了说明，最后对本发明的各种方案进行说明。
本发明的第一方案的气体浓度测量装置的校正方法，对气体浓度测量装置进行校正，所述气体浓度测量装置具备：试样池，收纳有试样气体；检测器，使光通过该试样池中并对该通过的光进行检测；运算部，基于该检测器的输出求出所述试样气体的浓度，
所述气体浓度测量装置的校正方法具有：
测量步骤，对具有彼此不同的浓度的多种标准气体重复执行如下动作：将具有规定的浓度的标准气体从气体供给源供给至所述试样池中，使光通过该试样池中并利用检测器对该通过的光进行检测；
校正式生成步骤，通过多项式拟合而拟合出所述检测器的输出与所述标准气体的浓度的二维曲线图，从而生成校正式；
一阶微分步骤，对所述校正式进行一阶微分从而计算出一阶微分式；
二阶微分步骤，对所述校正式进行二阶微分从而计算出二阶微分式；
判定步骤，在所述一阶微分式中值变成负值或者所述二阶微分式中值变成负值的任一情况时，判断为所述校正式异常。
根据第一方案，仅根据对于校正式的运算处理与对于该运算结果的判定处理，能够对该校正式的异常进行检测。由此，能够减少由于使用不适当的校正式而得到误差较大的测量结果这样的状况。
在第二方案的气体浓度测量装置的校正方法中，在第一方案中，
所述气体供给源具有标准气体分割器，
还包括调整步骤，在所述判定步骤中判断为所述校正式异常时，对所述标准气体分割器进行调整。
根据第二方案，在校正式为异常的情况下对标准气体分割器进行调整，在此基础上，能够再次实施标准气体的测量并尝试生成校正式。由此，在标准气体分割器为异常而通过对标准气体分割器进行调整从而恢复正常状态的情况下，能够得到正确的校正式。
在第三方案的气体浓度测量装置的校正方法中，在第一方案或第二方案中，
所述气体浓度测量装置具备显示所述校正式的显示部，
在所述判定步骤中判断为所述校正式异常时，能够在所述显示部进行警告显示。
根据第三方案，在校正式异常的情况下，用户能够通过警告显示立刻掌握异常。另外，也能够确认此时的校正式。
在第四方案的气体浓度测量装置的校正方法中，在第一～第三方案的任一个中，
所述气体浓度测量装置能够通过NDIR法对试样气体中的特定的气体成分的浓度进行测量。
附图标记说明
1 光源
2 旋转扇
3 滤光器
4 试样池
5 检测器
6 信号处理部
61 校正式生成部
62 校正式检查部
63 校正式存储部
64 光量-浓度换算部
7 操作部
8 显示部
9 标准气体产生部
91 稀释气体储存部
92 成分气体储存部
93 标准气体分割部。
Claims (4)
1.一种气体浓度测量装置的校正方法，对气体浓度测量装置进行校正，所述气体浓度测量装置具备：试样池，收纳有试样气体；检测器，使光通过该试样池中并对该通过的光进行检测；运算部，基于该检测器的输出求出所述试样气体的浓度，
所述气体浓度测量装置的校正方法具有：
测量步骤，对具有彼此不同的浓度的多种标准气体重复执行如下动作：将具有规定的浓度的标准气体从气体供给源供给至所述试样池中,使光通过该试样池中并利用检测器对该通过的光进行检测；
校正式生成步骤，通过多项式拟合而拟合出所述检测器的输出与所述标准气体的浓度的二维曲线图，从而生成校正式；
一阶微分步骤，对所述校正式进行一阶微分计算出一阶微分式；
二阶微分步骤，对所述校正式进行二阶微分计算出二阶微分式；
判定步骤，判断所述一阶微分式及所述二阶微分式中各自的值是否变成负值；
异常判定步骤，在所述判定步骤中的所述一阶微分式中值变成负值或者所述二阶微分式中值变成负值的任一情况时，判断为所述校正式异常。
2.如权利要求1所述的气体浓度测量装置的校正方法，其特征在于,所述气体供给源具有标准气体分割器；
还包括调整步骤，在所述异常判定步骤中判断为所述校正式异常时，对所述标准气体分割器进行调整。
3.如权利要求1或2所述的气体浓度测量装置的校正方法，其特征在于，
所述气体浓度测量装置具备显示所述校正式的显示部，
在所述异常判定步骤中判断为所述校正式异常时，在所述显示部进行警告显示。
4.如权利要求1或2所述的气体浓度测量装置的校正方法，其特征在于，
所述气体浓度测量装置通过NDIR法对试样气体中的特定的气体成分的浓度进行测量。
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