CN112730304B - 一种红外燃气报警及气体浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外燃气报警器及气体浓度检测方法，红外燃气报警器包括用于输出红外光的光源端和用于接收光源端发出的红外光并检测的探测端，还包括位于所述光源端和探测端之间的转盘，所述转盘上设有测试孔位和多个修正孔位，所述测试孔位上包括测试通道和参考通道，所述测试通道和参考通道上分别设有对应不同波长的滤光片；多个修正孔位上依次设置波长间隔相等的修正滤光片。本发明的红外燃气报警器及气体浓度检测方法，通过多个修正孔位对应探测器输出电压拟合得到的电压‑波长曲线，由于电压与光强的呈正比关系，因此光谱偏移导致的测试和参考通道光强变化可对应成输出电压的变化，进行修正后可得到更为准确的气体浓度值。

Description

一种红外燃气报警及气体浓度检测方法

技术领域

本发明属于气体浓度检测技术领域，尤其涉及一种红外燃气报警器及气体浓度检测方法。

背景技术

随着人民安全意思的提高，燃气作为危险源已经逐步受到人们的重视，各类燃气报警器也逐渐走进人们的生活中。然而报警器的光源若使用时间过长，其中心波长会发生偏移，导致光源光谱发生偏移，此时报警器检测通道气体对应波长和参考通道波长对应的光强发生改变，但是红外燃气报警器依然按照原先设定的比例系数进行计算，导致检测会出现偏差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种红外燃气报警器及气体浓度检测方法，解决现有的红外燃气报警器随着光源使用时间过长导致的检测结果出现偏差的问题。

为实现本发明的目的，本发明提供一种红外燃气报警器，包括用于输出红外光的光源端和用于接收光源端发出的红外光并检测的探测端，还包括位于所述光源端和探测端之间的转盘，所述转盘上设有测试孔位和多个修正孔位，所述测试孔位上包括测试通道和参考通道，所述测试通道和参考通道上分别设有对应不同波长的滤光片；

多个修正孔位上依次设置波长间隔相等的修正滤光片。

根据本发明的一个方面，所述光源端包括用于发出红外光的光源、用于汇聚所述红外光的第一反射罩以及位于所述第一反射罩之后与第一反射罩密封连接的第一窗口片。

根据本发明的一个方面，所述探测端包括用于检测所述红外光的探测器、用于汇聚接收到的红外光并传输至所述探测器的第二反射罩以及位于所述第二反射罩之前与所述第二反射罩密封连接的第二窗口片。

根据本发明的一个方面，所述修正孔至少设置有5个。

根据本发明的一个方面，所述测试孔位上的滤光片与所述修正滤光片分别对应待测气体的红外吸收波段和中、远红外的参考波段。

本发明还提供一种包含上述红外燃气报警器的气体检测方法，包括：

S1、利用所述红外燃气报警器进行零点标定；

S2、进行已知燃气浓度标定；

S3、通过零点标定和已知燃气浓度的标定计算所需的系数KL的值；

S4、实际状态下，进行初始气体浓度检测；

S5、转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压-波长曲线；

S6、根据拟合曲线求得气体吸收波段与参考波段的电压值，结合零点标定的电压求出修正系数，对测试孔位实际测得的电压进行修正，最终获得真实的气体浓度值。

根据本发明的一个方面，所述步骤S1包括光源发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₀＝K₁I₀

U₂₀＝K₂I₁。

根据本发明的一个方面，所述步骤S2，在已知燃气浓度条件下发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₁＝K₁I₀exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₁＝K₂I₁exp(-KΔCL)

上述两式相比消除误差，得到：

根据本发明的一个方面，所述步骤S3：将步骤S1中获得数据带入到步骤S2获得的数据中，可得：

据此公式可以计算出系数KL的值。

本发明的红外燃气报警器及气体浓度检测方法，通过多个修正孔位对应探测器输出电压拟合得到的电压-波长曲线，由于电压与光强的呈正比关系，因此光谱偏移导致的测试和参考通道光强变化可对应成输出电压的变化，进行修正后可得到更为准确的气体浓度值。

另一方面，经过拟合得到的电压-波长曲线，结合测试通道实际电压值，可查看光谱在气体吸收波段处的吸收效果，判断光源是否达到使用寿命，进而提醒用户进行更换。

附图说明

图1示意性表示根据本发明红外燃气报警器的结构示图；

图2示意性表示转盘结构示图；

图3示意性表示光谱发生偏移示图；

图4表示测试通道的电压-补偿拟合曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

本发明提供一种红外燃气报警器，包括用于输出红外光的光源端1和用于接收光源端发出的红外光并检测的探测端2。

根据本发明的一种实施方式，本发明的光源端1和探测端2均固定在固定座上。光源端1包括用于发出红外光的光源11、用于汇聚红外光的第一反射罩12以及位于第一反射罩12之后与第一反射罩12密封连接的第一窗口片13。探测端2包括用于检测红外光的探测器21、用于汇聚接收到的红外光并传输至探测器21的第二反射罩22以及位于第二反射罩22之前与第二反射罩22密封连接的第二窗口片23。

如图2所示，本发明的红外燃气报警还包括位于光源端1和探测端2之间的转盘3，转盘3上设有测试孔位31和多个修正孔位32，测试孔位31上包括测试通道311和参考通道312，测试通道311和参考通道312上分别设有对应不同波长的滤光片；多个修正孔位32上依次设置波长间隔相等的修正滤光片。其中，测试孔位31上的滤光片与所述修正滤光片分别对应待测气体的红外吸收波段和中、远红外的参考波段。

本发明还提供一种利用上述红外燃气报警的气体浓度检测方法，包括：S1、利用所述红外燃气报警器进行零点标定；S2、进行已知燃气浓度标定；S3、通过零点标定和已知燃气浓度的标定计算所需的系数KL的值；S4、实际状态下，进行初始气体浓度检测；S5、转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压-波长曲线；S6、根据拟合曲线求得气体吸收波段与参考波段的电压值，结合零点标定的电压求出修正系数，对测试孔位实际测得的电压进行修正，最终获得真实的气体浓度值。

具体来说，本发明的气体浓度检测方法在步骤S1包括：光源发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₀＝K₁I₀

U₂₀＝K₂I₁。

接着在步骤S2，在已知燃气浓度条件下发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₁＝K₁I₀exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₁＝K₂I₁exp(-KΔCL)

上述两式相比消除误差，得到：

然后在步骤S3：将步骤S1中获得数据带入到步骤S2获得的数据中，

可得：

据此公式可以计算出系数KL的值。

而由于光源1使用时间过长后，其特征光谱会发生如图3所示的变化，当光谱发生偏移后，对应的波长下的光强也会发生变化，探测器输出电压与光强成成比，则新光谱测试下和参考通道的电压也会发生变化：

U₁₂＝K₁I₂ exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₂＝K₂I₃ exp(-KΔCL)。

正因此，需要进行步骤S5和S6。以图2所示为例，在本实施方式，修正孔32设有9个，九个修正孔32上的修正滤光片的波长分别为2-10μm，相邻修正滤光片的波长间隔为1μm，当然根据本发明的构思，相邻修正滤光片的波长设置不具有局限性，可以根据需要来进行调整。此时转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压-波长曲线为f₁(λ)和f₂(λ)，如此则可得到未经气体吸收后的测试通道电压值和参考通道电压值，其中f₁(λ)曲线图如图4所示。根据本发明的构思，修正孔32的设置数量还可以更少，本发明的方法中，修正孔32至少设有5个，理论上，设置5个修正孔32即可获得相应曲线。

同时由于探测器输出电压正比于吸收光强，则设：

故将上述两个公式和电压便宜公式以及零点标定公式进行整合后，可得：

如此可将光源光谱偏移后的气体浓度值进行修正，使其更加接近真实值。

上述公式中字母所代表的含义如下：C-气体浓浓度、△C-其他因素造成的浓度误差、KL-气室固有属性，为定值、K1/K2-光强转换为电压的正比例系数、I0/I1-在氮气环境下接收到的初始光强。

本发明的红外燃气报警器及气体浓度检测方法，通过多个修正孔位对应探测器输出电压拟合得到的电压-波长曲线，由于电压与光强的呈正比关系，因此光谱偏移导致的测试和参考通道光强变化可对应成输出电压的变化，进行修正后可得到更为准确的气体浓度值。

另一方面，经过拟合得到的电压-波长曲线，结合测试通道实际电压值，可查看光谱在气体吸收波段处的吸收效果，判断光源是否达到使用寿命，进而提醒用户进行更换。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种红外燃气报警器，包括用于输出红外光的光源端(1)和用于接收光源端发出的红外光并检测的探测端(2)，其特征在于，还包括位于所述光源端(1)和探测端(2)之间的转盘(3)，所述转盘(3)上设有测试孔位(31)和多个修正孔位(32)，所述测试孔位(31)上包括测试通道(311)和参考通道(312)，所述测试通道(311)和参考通道(312)上分别设有对应不同波长的滤光片；

多个修正孔位(32)上依次设置波长间隔相等的修正滤光片；

所述测试孔位(31)上的滤光片与所述修正滤光片分别对应待测气体的红外吸收波段和中、远红外的参考波段；

利用所述红外燃气报警器的气体浓度检测方法，包括：

S1、利用所述红外燃气报警器进行零点标定；

S2、进行已知燃气浓度标定；

S3、通过零点标定和已知燃气浓度的标定计算所需的系数KL的值；

S4、实际状态下，进行初始气体浓度检测；

S5、转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔位，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压—波长曲线；

S6、根据拟合曲线求得气体吸收波段与参考波段的电压值，结合零点标定的电压求出修正系数，对测试孔位实际测得的电压进行修正，最终获得真实的气体浓度值；

所述步骤S1包括光源发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₀＝K₁I₀

U₂₀＝K₂I₁；

所述步骤S2，在已知燃气浓度条件下发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₁＝K₁I₀exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₁＝K₂I₁exp(-KΔCL)

上述两式相比消除误差，得到：

所述步骤S3：将步骤S1中获得数据带入到步骤S2获得的数据中，可得：

据此公式可以计算出系数KL的值，KL表示气室固有属性，为定值；

由于光源使用时间过长后，其特征光谱会发生变化，当光谱发生偏移后，对应的波长下的光强也会发生变化，探测器输出电压与光强成成比，则新光谱下测试通道和参考通道的电压也会分别发生如下变化：

U₁₂＝K₁I₂exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₂＝K₂I₃ exp(-KΔCL)；

正因此，需要进行步骤S5和S6，转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔位，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压—波长曲线为f₁(λ)和f₂(λ)，如此则可得到未经气体吸收后的测试通道电压值和参考通道电压值，由于探测器输出电压正比于吸收光强，则设：

将上述公式整合后得到

上述公式中，C表示气体浓度；△C表示其他因素造成的浓度误差；K₁和K₂表示光强转换为电压的正比例系数；I₀和I₁表示在氮气环境下接收到的初始光强。

2.根据权利要求1所述的红外燃气报警器，其特征在于，所述光源端(1)包括用于发出红外光的光源(11)、用于汇聚所述红外光的第一反射罩(12)以及位于所述第一反射罩(12)之后与第一反射罩(12)密封连接的第一窗口片(13)。

3.根据权利要求2所述红外燃气报警器，其特征在于，所述探测端(2)包括用于检测所述红外光的探测器(21)、用于汇聚接收到的红外光并传输至所述探测器(21)的第二反射罩(22)以及位于所述第二反射罩(22)之前与所述第二反射罩(22)密封连接的第二窗口片(23)。

4.根据权利要求1所述的红外燃气报警器，其特征在于，所述修正孔位(32)至少设置有5个。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述红外燃气报警器的气体浓度检测方法，包括：

S1、利用所述红外燃气报警器进行零点标定；

S2、进行已知燃气浓度标定；

S3、通过零点标定和已知燃气浓度的标定计算所需的系数KL的值；

S4、实际状态下，进行初始气体浓度检测；

S5、转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔位，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压—波长曲线；

S6、根据拟合曲线求得气体吸收波段与参考波段的电压值，结合零点标定的电压求出修正系数，对测试孔位实际测得的电压进行修正，最终获得真实的气体浓度值；

所述步骤S1包括光源发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₀＝K₁I₀

U₂₀＝K₂I₁；

所述步骤S2，在已知燃气浓度条件下发出红外光依次经过测试孔位上的测试通道和参考通道输出两个电压值：

U₁₁＝K₁I₀exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₁＝K₂I₁exp(-KΔCL)

上述两式相比消除误差，得到：

所述步骤S3：将步骤S1中获得数据带入到步骤S2获得的数据中，可得：

据此公式可以计算出系数KL的值，KL表示气室固有属性，为定值；

由于光源使用时间过长后，其特征光谱会发生变化，当光谱发生偏移后，对应的波长下的光强也会发生变化，探测器输出电压与光强成成比，则新光谱下测试通道和参考通道的电压也会分别发生如下变化：

U₁₂＝K₁I₂exp[-K(C₁+ΔC)L]

U₂₂＝K₂I₃ exp(-KΔCL)；

正因此，需要进行步骤S5和S6，转动转盘使光源发出的红外光依次穿过所有的修正孔位，探测器输出两组对应电压分别拟合成两条对应测试通道和参考通道的电压—波长曲线为f₁(λ)和f₂(λ)，如此则可得到未经气体吸收后的测试通道电压值和参考通道电压值，由于探测器输出电压正比于吸收光强，则设：

将上述公式整合后得到

上述公式中，C表示气体浓度；△C表示其他因素造成的浓度误差；K₁和K₂表示光强转换为电压的正比例系数；I₀和I₁表示在氮气环境下接收到的初始光强。

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