CN113567383B - 一种一氧化碳分析仪及分析电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一氧化碳分析仪，包括进光组件、反应室和出光组件；所述反应室内填充有待测气体；所述进光组件设置在光室的一侧，所述进光组件包括依次设置的光源和气体过滤相关轮；所述光源发出的光信号经气体过滤相关轮后射入所述反应室内，对待测气体中的一氧化碳浓度进行测量；所述出光组件设置在光室的另一侧，所述出光组件包括探测器，所述探测器接收射出所述反应室的光信号。其通过设置气体过滤相关轮，一氧化碳的测量精度较高，测量过程简单；一氧化碳分析仪的结构简单易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一氧化碳测量技术领域，尤其是指一种一氧化碳分析仪及分析电路。
背景技术
一氧化碳是一种大气污染物，在大气中数量最多、分布最广，是煤、石油等含碳物质不完全燃烧的产物。其主要来源于冶金工业中炼焦、炼铁等生产过程；化学工业中合成氨、甲醇等生产过程；矿井放炮和煤矿瓦斯爆炸事故；汽车等交通工具尾气的排放；锅炉中燃料的不完全燃烧；家庭居室中煤炉产生的煤气或液化气管道漏气以及火山爆发、森林火灾、地震等自然灾害中一氧化碳的释放。
一氧化碳的分析主要有电位法，汞置换法，气相色谱法和红外线分析法等。其中实现对空气质量的检测主要用红外线分析法。常见的一氧化碳分析仪通过红外吸收法检测CO浓度，但待测气体中还存在背景信号和其他信号产生的噪音，且待测气体中的一些干扰气体在该红外波段也存在一定的吸收，导致分析仪测量精度较低。
常见的通过红外吸收法检测CO浓度的一氧化碳分析仪未有提及实际用何种芯片和器件实现测量装置，技术方案不够清晰完整，无法在实际应用过程中为测量装置提供指导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种一氧化碳分析仪，其通过设置气体过滤相关轮，一氧化碳的测量精度较高，测量过程简单；一氧化碳分析仪的结构简单易于实现。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种一氧化碳分析仪，包括进光组件、反应室和出光组件；所述反应室内填充有待测气体；所述进光组件设置在光室的一侧，所述进光组件包括依次设置的光源和气体过滤相关轮；所述光源发出的光信号经气体过滤相关轮后射入所述反应室内，对待测气体中的一氧化碳浓度进行测量；所述出光组件设置在光室的另一侧，所述出光组件包括探测器，所述探测器接收射出所述反应室的光信号。
作为优选的，所述气体过滤相关轮上设置有用于遮挡红外光的掩膜；所述掩膜上嵌设有参考气室和测量气室；所述气体相关轮转动设置，以使光信号通过参考气室或测量气室。
作为优选的，所述参考气室内填充有一氧化碳，所述测量气室内填充有氮气。
作为优选的，所述的一氧化碳分析仪，还包括带通滤波器，所述带通滤波器设置在反应室与探测器之间。
一种一氧化碳分析电路，其应用于一氧化碳分析仪中，包括：微处理器、光电信号预处理电路、相关轮控制电路和信号放大处理电路；光源输出的信号与光电信号预处理电路的输入端连接，所述光电信号预处理电路的输出端与相关轮控制电路的输入端连接，所述相关轮控制电路的输出端与信号放大处理电路的输入端连接；信号放大处理电路的输出端与微处理器的输入端连接。
作为优选的，所述光电信号预处理电路包括运放芯片U40A、比较器U35A和逻辑非门芯片U44；所述光源发出的信号输入至所述运放芯片U40A的同向输入端，所述运放芯片U40A的反向输入端与比较器U35A的同相输入端连接，所述运放芯片U40A的同相输入端与比较器U35A的反向输入端连接；所述比较器U35A的输出端与逻辑非门芯片U44的输入端连接。
作为优选的，所述相关轮控制电路包括计数器芯片U8；所述逻辑非门芯片U44的输出端与所述计数器芯片U8的时钟端连接，所述计数器芯片U8的输出端依次输出气体过滤相关轮的参考位置信号、掩膜位置信号和测量位置信号。
作为优选的，所述相关轮控制电路还包括运放芯片U40B；所述逻辑非门芯片U44的输出端与所述运放芯片U40B的同相输入端连接，所述运放芯片U40B的输出端依次连接逻辑非门芯片U44C和逻辑非门芯片U44D，所述逻辑非门芯片U44D的输出端输出气体过滤相关轮的复位信号。
作为优选的，所述信号放大处理电路包括数字电位计U16、运放芯片U35B、电压跟随器U35C和电压跟随器U35D；所述光源发出的红外光信号输入至所述数字电位计U16，所述数字电位计U16对所述红外光信号进行分压；所数字电位计U16的输出端与运放芯片U35B的同相输入端连接，所述运放芯片U35B的反向输入端与网络端连接；所述运放芯片U35B的输出端与电压跟随器U35C的同相输入端连接，所述电压跟随器U35C的输出端与电压跟随器U35D的同向输入端连接。
作为优选的，所述信号放大处理电路还包括模拟开关U12和差分放大器U43D；所述电压跟随器U35D的输出端与模拟开关U12输入端连接，所述模拟开关芯片U12的输出端与差分放大器U43D的输入端连接，所述差分放大器U43D的输出端与所述微处理器的输入端连接。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明的一氧化碳分析仪包括进光组件、反应室和出光组件；一氧化碳的测量过程简单，结构易于实现。进光组件中包括气体过滤相关轮；通过使用上述气体过滤相关轮，能够对光信号进行调制，一氧化碳的测量精度会更高。
2、本发明的一氧化碳分析电路包括微处理器、光电信号预处理电路、相关轮控制电路和信号放大处理电路；其能够对光源发出的信号进行处理，对气体过滤相关轮进行控制，采集处理相关红外光信号并将信号输入至微处理器进行分析。对一氧化碳分析仪的实现提供硬件电路支持。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明气体过滤相关轮的结构示意图；
图3为本发明光电信号预处理电路的结构示意图；
图4为本发明相关轮控制电路的结构示意图；
图5-图10为本发明信号放大处理电路的电路连接示意图；
图11为本发明一氧化碳分析仪的气路原理示意图。
说明书附图标记说明：1-光源，2-气体过滤相关轮，3-反射镜片，4-反应室，5-带通滤波器，6-探测器；
运放芯片U40A，比较器U35A，逻辑非门芯片U44，计数器芯片U8，运放芯片U40B，逻辑非门芯片U44C、逻辑非门芯片U44D、数字电位计U16，运放芯片U35B、电压跟随器U35C、电压跟随器U35D，模拟开关U12，放大器U43C，放大器U43A，差分放大器U43D，可编程仪表放大器U13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-图11所示，本发明公开了一种一氧化碳分析仪及分析电路，包括：
一种一氧化碳分析仪，上述一氧化碳分析仪包括进光组件、反应室4和出光组件。
具体的，进光组件设置在光室的其中一侧。上述进光组件包括依次设置的光源1和气体过滤相关轮2，上述光源1优选为红外光源，能够发出红外光信号。
出光组件设置在光室的另外一侧，上述出光组件包括探测器6，其能够对红外光信号进行探测，在探测器6和反应室4之间增设有带通滤波器5。
上述红外光源发出的红外光信号经过气体过滤相关轮2后射入充满待测气体的反应室4内，上述红外光信号在反应室4内经过反射镜片3多次反射后射出，射出的红外光信号通过带通滤波器5后被探测器6接收，通过红外线分析法得出待测气体内的一氧化碳的含量。
优选的，上述气体过滤相关轮2可转动设置。在气体过滤相关轮2上设置有用于遮挡红外光的掩膜，在掩膜上嵌设有参考气室和测量气室。在参考气室内填充有40％的一氧化碳，其能够起到参比光束的作用，吸收已知强度的光。在上述测量气室内填充有100％的氮气，其能够对4.7微米的红光外具有吸收作用，其能够用于正常一氧化碳的测量。上述掩膜能够完全遮挡红外光，其能够用于计算背景信号和其他信号产生的噪音。
在上述气体过滤相关轮2转动时，光源1发出的红外光信号能够穿过参考气室：吸收已知强度的光；光源1发出的红外光信号能够穿过测量气室：用于待测气体中一氧化碳的测量；光源1发出的红外光信号能够射至掩膜：用于计算背景信号和其他信号产生的噪音。
优选的，在上述气体过滤相关轮2的轮边上开设有显示缺口，上述显示缺口能够对气体过滤相关轮2的具体位置进行指示。
选用卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器通过改变滤波时基变量来增强测量能力，时基长短取决于测量值的变化率。如果信号变化率很大，仪器将被允许快速响应。如果信号很稳定，滤波器将使用长的积分时间来降低噪声。系统会不间断地分析信号，然后选取合适的滤波时间。其为响应时间和减小噪声提供了一种更加理想的折中方法。
一种一氧化碳分析电路，上述一氧化碳分析电路应用在一氧化碳分析仪中。
上述一氧化碳分析电路包括：微处理器、光电信号与处理电路、相关轮控制电路和信号放大处理电路。
上述红外光源1输出的信号输入至光电预处理电路中，上述光电信号预处理电路的输出端与相关轮控制电路的输出端连接。相关轮控制电路的输出端与信号放大处理电路的输入端连接，上述信号放大处理电路的输出端与微处理器的输入端连接。
上述光电信号预处理电路包括运放芯片U40A、比较器U35A和逻辑非门芯片U44。
其中，气体过滤相关轮2的两侧均设置有光电传感器。气体过滤相关轮2的转动时，气体过滤相关轮2上的显示缺口转至光电开关处，光电开关输出高电平。
上述光源1发出的光信号经过光电传感器转换成光电信号，上述光电信号输入至运放芯片U40A的同向输入端。上述运放芯片U40A的反向输入端与比较器U35A的同相输入端连接，运放芯片U40A的同相输入端与比较器U35A的反向输入端连接，比较器U35A的输出端与逻辑非门芯片U44的输入端连接。
具体的，参照图3所示，光电信号OPTOSIG运放芯片U40A的同向输入端，接着滤波，再输入U35A构成的比较器的同相输入端，翻转电平并调整光电信号的幅值(后续复位电路需要8V以上的电平转换)，最后逻辑非门芯片U44，抬高波形输出。
逻辑非门芯片U44包括逻辑非门芯片U44A和逻辑非门芯片U44B。
相关轮控制电路包括运放芯片U40B。上述逻辑非门芯片U44的输出端与运放芯片U40B的同相输入端连接，运放芯片U40B的输出端依次连接逻辑非门芯片U44C和逻辑非门芯片U44D。逻辑非门芯片U44D的输出端输出气体过滤相关轮2的复位信号。
参照图4所示，上述相关轮控制电路还包括计数器芯片U8。上述逻辑非门芯片U44的输出端与计数器芯片U8的时钟端连接，计数器芯片U8的输出端依次输出气体过滤相关轮2的参考位置信号、掩膜位置信号和测量位置信号。
具体的，上述逻辑非门芯片U44A处理过的光电信号分3路，一路输出给产生RESET信号电路，只有在相关轮旋转到初始位置时，U44A反转输出的高电平时间足够长，运放芯片U40B能够滤除另外3个缺口位置，并输出对应的高电平，最后经过连接逻辑非门芯片U44C和逻辑非门芯片U44D，剔除负值部分，输出RESET信号。
另一路光电信号输出给计数器芯片U8的时钟端，计数器芯片U8是一个计数器。
当RESET信号为高电平，计数器芯片U8的Q0引脚输出为高电平，代表初始位置信号，其能够在相关轮旋转至初始位置时，复位计数器芯片U8。
当RESET信号为低电平，计数器芯片U8的时钟端拉高为上升电平，计数器芯片U8的Q1引脚输出为高电平，计数器芯片U8的时钟端再拉高一次，计数器芯片U8的Q2引脚输出为高电平，以此类推。
所以计数器芯片U8依次输出初始(掩膜)位置信号、参比位置信号、掩膜位置信号(未使用)、测量位置信号，当再往下计数到计数器芯片U8的Q4引脚时，Q4引脚的高电平接入RST复位计数器芯片U8，回到初始位置信号输出，一直循环。
参照图5-图10所示，上述信号放大处理电路包括数字电位计U16、运放芯片U35B、电压跟随器U35C和电压跟随器U35D。其中，光源1发出的红外光信号输入至数字电位计U16，数字电位计U16对红外光信号进行分压。数字电位计U16的输出端与运放芯片U35B的同相输入端连接，运放芯片U35B的反向输入端与网络端连接。上述运放芯片U35B的输出端与电压跟随器U35C的同相输入端连接，电压跟随器U35C的输出端与电压跟随器U35D的同向输入端连接。
上述信号放大处理电路还包括模拟开关U12、放大器U43C，放大器U43A和差分放大器U43D。
上述电压跟随器U35D的输出端与模拟开关U12输入端连接，模拟开关芯片U12的输出端与放大器U43C及放大器U43A的同相输入端连接。
放大器U43C及放大器U43A的输出端与差分放大器U43D的输入端连接，差分放大器U43D的输出端与数字可编程仪表放大器U13的输入端连接，数字可编程仪表放大器U13的输出端与微处理器的输入端连接。
进一步的，光源1输入的红外光强度信号PREAMP-OUT接至数字电位计U16，数字电位计U16由网络COPOTCS片选，网络POTCLOCK和POTDATA控制调压，对红外光信号PREAMP-OUT进行分压。分压后的红外光信号经过RC滤波器输出至运放芯片U35B的同相输入端运放芯片U35B的反向输入端来自网络ELECTST，网络ELECTST用于自检测试，当不启用测试功能时，网络ELECTST只由电阻下拉接地，构成一个一阶高通滤波电路处理COINPUT。再根据电阻比例，放大后的INPUTX2为INPUT的2.2倍。
优选的，高通滤波后的信号INPUTX2继续经过RC滤波，然后经过电压跟随器U35C，输出至电容C82，再经过一次电压跟随器U35D，将INPUTX2的波形抬高，输出DCRESTOR信号给模拟开关U12。当气体过滤相关轮2处于初始(掩膜)位置时，X连通X1；处于参比位置时，Y连通Y1；处于初始测量位置时，Z连通Z1。
气体过滤相关轮2在参比位置时，Y连通，Y口信号经过滤波送入放大器U43C构成的放大器，输出信号CO-REF；相关轮在测量位置时，Z连通，Z口信号经过滤波送入放大器U43A，输出信号COMEASDC。
两个信号接入差分放大器U43D构成的差分放大电路，输出信号9830DATA，其中：9830DATA＝(COMEASDC-(CO-REF))*6.04。
网络9830DATA送至数字可编程仪表放大器U13，数字可编程仪表放大器U13的A0-2可编程内部运放A的放大增益，由网络PK4-6控制，便于根据9830DATA的电平大小调整放大增益，能够针对不同量程下的采样值灵活调整信号大小，以扩大量程的同时还提高精度。运放A的输出又接入运放B构成的电压跟随器，输出信号CONCDATA给微处理器处理。
实施例二本发明一氧化碳分析仪的整体气路图参照图7所示。
在一氧化碳分析仪的废气口外接上抽气泵，给一氧化碳分析仪供电开机，在开机后会先进行预热处理，预热处理时不进行测量工作。预热过程中，分析仪会进行自检调整参比电压和零点，同时加热换热器至90℃，此过程需要20-30分钟。
预热完成后开始测量工作。
测量开始后，先测量背景值。通过分歧阀，关闭样气和校准口，先让背景气经过DFU空气过滤器进入一氧化碳洗涤器，反应掉背景气中的一氧化碳，再经过5微米聚四氟乙烯过滤器进入换热器加热背景气，最后进入测量单元测量背景值，供后续样气测量时扣除，测量完的背景气从废气口排出。
测量完背景值后连续测量一氧化碳样气，同样通过分歧阀，关闭背景气和校准口，使得样气经过5微米聚四氟乙烯过滤器进入换热器加热，再进入测量单元测量，测量出的值减去背景值为一氧化碳的瞬时值，在连续测量过程中计算出平均值，待平均值稳定后即得到样气中一氧化碳的浓度值。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种一氧化碳分析电路，用于一氧化碳分析仪中，所述一氧化碳分析仪包括进光组件、反应室和出光组件；
所述反应室内填充有待测气体；所述进光组件设置在反应室的一侧，所述进光组件包括依次设置的光源和气体过滤相关轮；所述光源发出的光信号经气体过滤相关轮后射入所述反应室内；
所述出光组件设置在反应室的另一侧，所述出光组件包括探测器，所述探测器接收射出所述反应室的光信号，对待测气体中的一氧化碳浓度进行测量，其特征在于，该分析电路包括：
微处理器、光电信号预处理电路、相关轮控制电路和信号放大处理电路；
光源输出的光信号经过光电传感器转化为光电信号，所述光电信号输入至光电信号预处理电路中，所述光电信号预处理电路的输出端与相关轮控制电路的输入端连接，所述相关轮控制电路的输出端与信号放大处理电路的输入端连接；信号放大处理电路的输出端与微处理器的输入端连接；
所述光电信号预处理电路包括运放芯片U40A、比较器U35A和逻辑非门芯片U44A；所述光电信号输入至所述运放芯片U40A的同相输入端，所述运放芯片U40A的反相输入端与比较器U35A的同相输入端连接，所述运放芯片U40A的同相输入端与比较器U35A的反相输入端连接；所述比较器U35A的输出端与逻辑非门芯片U44A的输入端连接；
所述相关轮控制电路包括计数器芯片U8；所述逻辑非门芯片U44A的输出端与所述计数器芯片U8的时钟端连接，所述计数器芯片U8的输出端依次输出气体过滤相关轮的参考位置信号、掩膜位置信号和测量位置信号；
所述信号放大处理电路包括数字电位计U16、运放芯片U35B、电压跟随器U35C和电压跟随器U35D；所述光电信号输入至所述数字电位计U16，所述数字电位计U16对所述光电信号进行分压；数字电位计U16的输出端与运放芯片U35B的同相输入端连接，所述运放芯片U35B的反相输入端接在电阻R93和电阻R94之间，电阻R93的另一端连接网络ELECTEST，网络ELECTEST为电子测试电压信号，电阻R94的另一端接地；所述运放芯片U35B的输出端与电压跟随器U35C的同相输入端连接，所述电压跟随器U35C的输出端与电压跟随器U35D的同相输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一氧化碳分析电路，其特征在于，所述相关轮控制电路还包括运放芯片U40B；所述逻辑非门芯片U44A的输出端与所述运放芯片U40B的同相输入端连接，所述运放芯片U40B的输出端依次连接逻辑非门芯片U44C和逻辑非门芯片U44D，所述逻辑非门芯片U44D的输出端输出气体过滤相关轮的复位信号。
3.根据权利要求1所述的一氧化碳分析电路，其特征在于，所述信号放大处理电路还包括模拟开关U12和差分放大器U43D；所述电压跟随器U35D的输出端与模拟开关U12输入端连接，所述模拟开关芯片U12的输出端与差分放大器U43D的输入端连接，所述差分放大器U43D的输出端与所述微处理器的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一氧化碳分析电路，其特征在于，所述气体过滤相关轮上设置有用于遮挡红外光的掩膜；所述掩膜上嵌设有参考气室和测量气室；所述气体相关轮转动设置，以使光信号通过参考气室或测量气室。
5.根据权利要求4所述的一氧化碳分析电路，其特征在于，所述参考气室内填充有一氧化碳，所述测量气室内填充有氮气。
6.根据权利要求1所述的一氧化碳分析电路，其特征在于，在所述一氧化碳分析仪中，还包括带通滤波器，所述带通滤波器设置在反应室与探测器之间。
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| CN2290850Y (zh) * | 1997-04-18 | 1998-09-09 | 张尧海 | 便携式红外线微量气体分析仪 |
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