CN114076743B - 基于ndir气体传感器的温度补偿方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于NDIR气体传感器的温度补偿方法、系统及计算机可读存储介质，其方法包括：S1、设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度；S2、各标准环境温度对应的电阻系数及各量程点的标准气体对应的光强补偿系数的计算；S3、对各量程点的标准气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准气体的标准补偿曲线；S4、光强补偿校正系数的计算；S5、利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号，并根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值。本发明综合考虑外界环境温度变化对红外光源、气室和红外探测器的影响，并直接对光强信号进行补偿，提升测量精度和效率。

Description

基于NDIR气体传感器的温度补偿方法、系统及计算机可读存 储介质

技术领域

本发明属于气体分析检测技术领域，具体涉及基于NDIR气体传感器的温度补偿方法、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

非分散性红外线（NDIR）气体传感器，是与光学气体传感器联系最紧密的商用传感器之一，可用于评估汽车尾气、空气质量以及探测气体泄漏情况等。NDIR气体传感器主要由红外光源、气室、红外探测器等部分组成，其主要依据气体对红外吸收的朗伯-比尔定律为理论基础。

然而，NDIR气体传感器在室外检测时容易出现温漂，这主要是因为红外光源、红外探测器以及气室受到外界环境温度变化的影响而导致测量数据不精确，最终出现线性变差、零点漂移的现象；因此，有必要对NDIR气体传感器的输出信号进行温度补偿。现有技术中温度补偿的方法大多是通过对红外光源的温度进行检测，然后对信号进行补偿，例如，公开号为CN107192685A的专利文献公开的红外气体传感器及其测量方法。但是，外界环境温度的变化，不仅会对红外光源产生影响，还会对气室及红外探测器产生不同程度的影响，从而影响NDIR气体传感器的测量精度。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的是提供满足前述需求的基于NDIR气体传感器的温度补偿方法、系统及计算机可读存储介质。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

基于NDIR气体传感器的温度补偿方法，NDIR气体传感器包括红外光源、气室和红外探测器，所述红外光源、气室和红外探测器分别设有热敏电阻；所述温度补偿方法包括以下步骤：

S1、设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度；

S2、分别采集基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值并计算得到基准总电阻和各标准总电阻；根据基准总电阻与标准总电阻的比值计算得到各标准环境温度对应的电阻系数；

分别采集基准环境温度和各标准环境温度下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值；根据基准环境温度对应的波峰波谷差值与标准环境温度对应的波峰波谷差值的比值计算得到各标准环境温度下各量程点的标准气体对应的光强补偿系数；

S3、分别对各量程点的标准气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准气体的标准补偿曲线；

S4、采集NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值，根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线，并根据匹配的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数；

S5、利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号，并根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值。

作为优选方案，所述步骤S2中，总电阻的计算公式为：

其中，R ₁、R ₂、R ₃分别为红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值。

作为优选方案，所述步骤S2中，根据总电阻的计算公式得到基准环境温度下的基准总电阻R ₀，

根据总电阻的计算公式得到各标准环境温度T _i 下的标准总电阻为

；i依次取值为1至N，N为标准环境温度的个数；

则各标准环境温度T _i 对应的电阻系数为

。

作为优选方案，所述步骤S2中，各量程点的标准气体包括满量程的20%、50%、80%和100%的标准气体。

作为优选方案，所述步骤S2中，基准环境温度下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

，各标准环境温度T _i 下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

；

则各量程点的标准气体对应的光强补偿系数为

，其中，w取值为20、50、80或100。

作为优选方案，所述步骤S3中，各量程点的标准气体的标准补偿曲线为：

其中，a、b、c、d、e分别为多项式拟合系数。

作为优选方案，所述步骤S4中，根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线，包括：

将实时输出的测量光谱的波峰波谷差值与各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值进行比较，若处于目标量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值的阈值范围之内，则匹配目标量程点对应的标准补偿曲线；

光强补偿校正系数为：

其中，

分别为目标量程点对应的标准补偿曲线对应的多项式拟合系数；

分别为实时环境温度下红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值。

作为优选方案，所述步骤S5中，校正后的光强信号为：

其中，

为NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值。

本发明还提供基于NDIR气体传感器的温度补偿系统，应用如上任一方案所述的温度补偿方法，所述温度补偿系统包括：

设定模块，用于设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度；

采集模块，用于分别采集基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值，还用于分别采集基准环境温度和各标准环境温度下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值；

计算模块，用于根据基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到基准总电阻和各标准总电阻，并根据基准总电阻与标准总电阻的比值计算得到各标准环境温度对应的电阻系数；还用于根据基准环境温度对应的波峰波谷差值与标准环境温度对应的波峰波谷差值的比值计算得到各标准环境温度下各量程点的标准气体对应的光强补偿系数；

拟合模块，用于对各量程点的标准气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准气体的标准补偿曲线；

所述采集模块还用于采集NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值；

匹配模块，用于根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线；

所述计算模块还用于根据匹配的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数；

校正模块，用于利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号；

所述计算模块还用于根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上任一项方案所述的温度补偿方法。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

（1）本发明综合考虑外界环境温度变化对红外光源、气室和红外探测器的影响，并直接对光强信号进行补偿，提升了NDIR气体传感器的测量精度和效率；

（2）本发明建立各量程点的标准气体的标准补偿曲线，可根据实测气体浓度匹配相应的标准补偿曲线，补偿的精度更高；

（3）本发明的温度补偿方法、系统及计算机可读存储介质，适用于CH₄、CO₂、N₂O、CO、SO₂等气体检测领域，应用范围广。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于NDIR气体传感器的温度补偿方法的流程图；

图2是本发明实施例1的基于NDIR气体传感器的温度补偿系统的模块组成图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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，并获得其他的实施方式。

实施例1：

NDIR气体传感器包括红外光源、气室和红外探测器，红外光源发出的光线穿过气室中的被测气体，接着透过滤波片后到达红外探测器。NDIR气体传感器的工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔定律）鉴别气体组分并确定其浓度。

本实施例在红外光源、气室和红外探测器的合适位置设置热敏电阻，通过热敏电阻测定红外光源、气室和红外探测器的温度。

另外，本实施例以甲烷（CH₄）气体检测为例进行详细说明。

如图1所示，本实施例的基于NDIR气体传感器的温度补偿方法，包括以下步骤：

S1、设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度。

其中，基准环境温度T ₀和各标准环境温度T _i 不相等，i依次取值为1至N，N为设定的标准环境温度的个数。

S2、各标准环境温度对应的电阻系数及各标准环境温度下各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数的计算。

具体地，各标准环境温度对应的电阻系数的计算过程包括：

分别采集基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值并计算得到基准总电阻和各标准总电阻，然后根据基准总电阻与标准总电阻的比值计算得到各标准环境温度对应的电阻系数。

其中，总电阻的计算公式为：

其中，R ₁、R ₂、R ₃分别为基准环境温度或标准环境温度下红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值。

根据上述总电阻的计算公式得到基准环境温度T ₀下的基准总电阻R ₀，

根据总电阻的计算公式得到各标准环境温度T _i 下的标准总电阻

；

根据上述基准总电阻R ₀和各标准环境温度T _i 下的标准总电阻

计算得到各标准环境温度T _i 对应的电阻系数为

。

另外，各标准环境温度下各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数的计算过程包括：

分别采集基准环境温度和各标准环境温度下各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值；根据基准环境温度对应的波峰波谷差值与标准环境温度对应的波峰波谷差值的比值计算得到各标准环境温度下各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数。

其中，各量程点的标准甲烷气体包括满量程的20%、50%、80%和100%的标准甲烷气体。

在基准环境温度T ₀下，测得各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

；

在各标准环境温度T _i 下，测得各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

；

进而得到各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数为

；其中，w取值为20、50、80或100。

S3、各量程点的标准甲烷气体的标准补偿曲线的拟合。

具体地，分别对各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准甲烷气体的标准补偿曲线。

各量程点的标准甲烷气体的标准补偿曲线为：

其中，a、b、c、d、e分别为多项式拟合系数。

最终得到分别对应于满量程的20%、50%、80%和100%的四条标准补偿曲线。

S4、光强补偿校正系数的计算。

具体地，采集NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值，根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线，并根据匹配的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数。

其中，根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线，包括：

将实时输出的测量光谱的波峰波谷差值与各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值进行比较，若处于目标量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值的阈值范围之内，则匹配目标量程点对应的标准补偿曲线。本实施例以实测气体浓度为参考，可确定四条标准补偿曲线的适用范围。

之后，根据匹配的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数为：

其中，

分别为目标量程点对应的标准补偿曲线对应的多项式拟合系数；

分别为实时环境温度下红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值。

S5、光强信号的校正。

具体地，利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号，并根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值，具体根据朗伯-比尔定律可得，在此不赘述。

具体地，校正后的光强信号为：

其中，

为NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值。

本实施例的上述温度补偿方法对光强信号直接进行温度补偿，方法简单且有效。

如图2所示，对应于本实施例的上述温度补偿方法，本实施例还提供基于NDIR气体传感器的温度补偿系统，包括设定模块、采集模块、计算模块、拟合模块、匹配模块和校正模块。

本实施例的设定模块用于设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度。

其中，基准环境温度T ₀和各标准环境温度T _i 不相等，i依次取值为1至N，N为设定的标准环境温度的个数。

本实施例的采集模块用于分别采集基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值；

本实施例的计算模块用于根据基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到基准总电阻和各标准总电阻，并根据基准总电阻与标准总电阻的比值计算得到各标准环境温度对应的电阻系数。

具体地，各标准环境温度对应的电阻系数的计算过程包括：

总电阻的计算公式为：

其中，R ₁、R ₂、R ₃分别为基准环境温度或标准环境温度下红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值。

根据上述总电阻的计算公式得到基准环境温度T ₀下的基准总电阻R ₀，

根据总电阻的计算公式得到各标准环境温度T _i 下的标准总电阻

；

根据上述基准总电阻R ₀和各标准环境温度T _i 下的标准总电阻

计算得到各标准环境温度T _i 对应的电阻系数为

。

本实施例的采集模块还用于分别采集基准环境温度和各标准环境温度下各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值；

本实施例的计算模块还用于根据基准环境温度对应的波峰波谷差值与标准环境温度对应的波峰波谷差值的比值计算得到各标准环境温度下各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数。

具体地，各量程点的标准甲烷气体包括满量程的20%、50%、80%和100%的标准甲烷气体。

在基准环境温度T ₀下，测得各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

；

在各标准环境温度T _i 下，测得各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

；

进而得到各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数为

；其中，w取值为20、50、80或100。

本实施例的拟合模块用于对各量程点的标准甲烷气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准甲烷气体的标准补偿曲线。

具体地，各量程点的标准甲烷气体的标准补偿曲线为：

其中，a、b、c、d、e分别为多项式拟合系数。

本实施例最终得到分别对应于满量程的20%、50%、80%和100%的四条标准补偿曲线。

在NDIR气体传感器实时检测过程中，本实施例的采集模块还用于采集NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值。

本实施例的匹配模块用于根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线。具体地，将实时输出的测量光谱的波峰波谷差值与各量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值进行比较，若处于目标量程点的标准甲烷气体的测量光谱的波峰波谷差值的阈值范围之内，则匹配目标量程点对应的标准补偿曲线。本实施例以实测气体浓度为参考，可确定四条标准补偿曲线的适用范围。

本实施例的计算模块还用于根据匹配的目标量程点的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数。

具体地，光强补偿校正系数的计算公式为：

其中，

分别为目标量程点对应的标准补偿曲线对应的多项式拟合系数；

分别为实时环境温度下红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值。

本实施例的校正模块用于利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号。

具体地，校正后的光强信号为：

其中，

为NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值。

本实施例的计算模块还用于根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值，具体根据朗伯-比尔定律可得，在此不赘述。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行本实施例的温度补偿方法，实现智能温度补偿。

实施例2：

本实施例的基于NDIR气体传感器的温度补偿方法与实施例1的不同之处在于：

标准补偿曲线的拟合并不限于实施例1所限定的四次多项式拟合，还可以选用三次多项式拟合、五次多项式拟合、六次多项式拟合等，具体可根据实际应用需求进行确定。

相应地，本实施例的基于NDIR气体传感器的温度补偿系统中的拟合模块作相应的调整；

本实施例的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行本实施例的温度补偿方法，实现智能温度补偿。

温度补偿方法的其他步骤以及温度补偿系统的其他模块组成可以参考实施例1。

实施例3：

本实施例的基于NDIR气体传感器的温度补偿方法与实施例1的不同之处在于：

量程点数量的选择不限于实施例1所限定的四个量程点，且量程点的浓度值也不限于实施例1所限定的浓度值，具体可根据实际应用需求进行调整。

相应地，本实施例的基于NDIR气体传感器的温度补偿系统中的相应模块作相应的调整；

本实施例的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行本实施例的温度补偿方法，实现智能温度补偿。

温度补偿方法的其他步骤以及温度补偿系统的其他模块组成可以参考实施例1。

实施例4：

本实施例的基于NDIR气体传感器的温度补偿方法、系统及计算机可读存储介质与实施例1的不同之处在于：

应用于CO₂、N₂O、CO、SO₂等气体检测的补偿，适用范围广。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于NDIR气体传感器的温度补偿方法，NDIR气体传感器包括红外光源、气室和红外探测器，其特征在于，所述红外光源、气室和红外探测器分别设有热敏电阻；所述温度补偿方法包括以下步骤：

S1、设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度；

S2、分别采集基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值并计算得到基准总电阻和各标准总电阻；根据基准总电阻与标准总电阻的比值计算得到各标准环境温度对应的电阻系数；

分别采集基准环境温度和各标准环境温度下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值；根据基准环境温度对应的波峰波谷差值与标准环境温度对应的波峰波谷差值的比值计算得到各标准环境温度下各量程点的标准气体对应的光强补偿系数；

S3、分别对各量程点的标准气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准气体的标准补偿曲线；

S4、采集NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值，根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线，并根据匹配的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数；

S5、利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号，并根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值；

所述步骤S2中，总电阻的计算公式为：

其中，R ₁、R ₂、R ₃分别为红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值；

所述步骤S2中，根据总电阻的计算公式得到基准环境温度下的基准总电阻R ₀，

根据总电阻的计算公式得到各标准环境温度T _i 下的标准总电阻为

；i依次取值为1至N，N为标准环境温度的个数；

则各标准环境温度T _i 对应的电阻系数为

；

所述步骤S2中，各量程点的标准气体包括满量程的20%、50%、80%和100%的标准气体；

所述步骤S2中，基准环境温度下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

，各标准环境温度T _i 下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值分别为

；

则各量程点的标准气体对应的光强补偿系数为

，其中，w取值为20、50、80或100；

所述步骤S3中，各量程点的标准气体的标准补偿曲线为：

其中，a、b、c、d、e分别为多项式拟合系数；

所述步骤S4中，根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线，包括：

将实时输出的测量光谱的波峰波谷差值与各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值进行比较，若处于目标量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值的阈值范围之内，则匹配目标量程点对应的标准补偿曲线；

光强补偿校正系数为：

其中，

分别为目标量程点对应的标准补偿曲线对应的多项式拟合系数；

分别为实时环境温度下红外光源、气室、红外探测器对应的热敏电阻的电阻值；

所述步骤S5中，校正后的光强信号为：

其中，

为NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值。

2.基于NDIR气体传感器的温度补偿系统，应用如权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于，所述温度补偿系统包括：

设定模块，用于设定基准环境温度和数个不同的标准环境温度；

采集模块，用于分别采集基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值，还用于分别采集基准环境温度和各标准环境温度下各量程点的标准气体的测量光谱的波峰波谷差值；

计算模块，用于根据基准环境温度和各标准环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到基准总电阻和各标准总电阻，并根据基准总电阻与标准总电阻的比值计算得到各标准环境温度对应的电阻系数；还用于根据基准环境温度对应的波峰波谷差值与标准环境温度对应的波峰波谷差值的比值计算得到各标准环境温度下各量程点的标准气体对应的光强补偿系数；

拟合模块，用于对各量程点的标准气体对应的光强补偿系数与电阻系数进行多项式拟合，得到各量程点的标准气体的标准补偿曲线；

所述采集模块还用于采集NDIR气体传感器实时输出的测量光谱的波峰波谷差值和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值；

匹配模块，用于根据实时输出的测量光谱的波峰波谷差值匹配相应量程点的标准补偿曲线；

所述计算模块还用于根据匹配的标准补偿曲线和实时环境温度下三个热敏电阻的电阻值计算得到光强补偿校正系数；

校正模块，用于利用光强补偿校正系数对实时输出的测量光谱的波峰波谷差值进行校正以得到校正后的光强信号；

所述计算模块还用于根据校正后的光强信号计算得到气体浓度值。

3.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的温度补偿方法。

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