CN115112593A - 一种多通道冗余型可燃气体浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，在传感器的红外热释电元件端，接收到的红外信号在其特征频域内做频谱细化，并将细化频点上的特征模值求和；将各浓度测量通道与各参考通道组合形成冗余浓度计算组合，并计算出各组合的比值浓度系数；通过对各组计算结果的分析，判断传感器是否出现故障；当判定为发生故障时，输出光路故障信号；当判定为没有故障或故障情况不影响检测精度时，输出可燃气体检测结果；本发明检测方法能够输出光路故障信号。该检测方法有效提高了对可燃气体浓度的检测极限、检测精度，也提高可燃气体浓度传感器的可靠性、鲁棒性和抗误报警能力。

Description

一种多通道冗余型可燃气体浓度检测方法

技术领域

本发明是一种多通道冗余型的可燃气体浓度检测方法，用于多通道冗余型可燃气体浓度传感器对可燃气体的浓度进行检测。

背景技术

可燃气体浓度传感器广泛应用于石油化工厂、天然气田及天然气管路传输等场所，用于对可燃气体浓度进行实时监测。防止因可燃气体泄露引起的燃烧、爆炸等危险情况的发生。

有效的检测方法对可燃气体浓度传感器的检测极限、检测精度、可靠性及抗误报警能力至关重要。现有的可燃气体浓度传感器检测方法，大多是利用敏感元件随可燃气体浓度变化而变化的特征，在时域上直接将敏感元件输出的电学信号值，直接作为可燃气体浓度检测的结果进行输出。一方面，当传感器受到噪声干扰时将直接影响检测结果；另一方面，这种方法无法保证检测传感器是否出现故障，当传感器出现故障时将输出错误的检测结果，甚至会引起误报警。极大程度的限制了可燃气体浓度传感器的检测精度、可靠性及抗误报警能力。

发明内容

本发明的目的是为提高可燃气体浓度传感器的检测极限、检测精度、可靠性及抗误报警能力。本发明针对多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，提供了一种多通道冗余型可燃气体浓度检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种多通道冗余型可燃气体浓度的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：在传感器的红外热释电元件端，接收到的红外信号在其特征频域内做频谱细化，并将细化频点上的特征模值求和，用于定量浓度检测通道，所述浓度检测通道为可燃气体对红外光信号吸收强度；

步骤二：将各浓度测量通道与各参考通道组合形成冗余浓度计算组合，并计算出各组合的比值浓度系数；

步骤三：通过对各组计算结果的分析，判断传感器是否出现故障；

步骤四：当判定为发生故障时，输出光路故障信号；

步骤五：当判定为没有故障或故障情况不影响检测精度时，输出可燃气体检测结果。

进一步的，步骤一中各通道在细化频点上的特征模值之和的计算公式为：

式中：M_i为第i信号通道在特征频域内细化频点上的特征模值之和；f_s为系统采样频率；f₀为信号特征频域的下限值；f_L为信号特征频域的上限值；M为信号特征频域频谱细化的点数；x(i)为第i信号通道离散采样电压值。

进一步的，步骤二具体为：将各路用于对可燃气体浓度进行检测的检测通道与各路作为参考的参考通道，相互组合形成若干个可燃气体浓度计算组合，将各冗余浓度计算组合中，可燃气体浓度检测通道与参考通道在特征频域频谱细化点上的模值和做比值，来计算可燃气体的比值浓度系数，其计算公式为：

式电Q_j为第j组冗余计算组的比例浓度系数；M_j为组成第j组冗余计算组的浓度检测通道，在特征频域频谱细化点上的模值和；R_j为组成第j组冗余计算组的参考通道，在特征频域频谱细化点上的模值和。

进一步的，步骤三具体为：通过比较浓度系数方差

与故障方差阈值

来确定是否发生光路故障：当

判定为发生光路故障；当

判定为未发生光路故障；

根据可燃气体浓度传感器的检测极限来确定；

的计算公式为：

式中Q₁、Q₂…Q_n为1至n组冗余计算组合的比例浓度系数，

为各冗余组合的比例浓度系数的均值，n为冗余计算组合的数量。

进一步的，步骤五具体为：根据各冗余通道组合计算出的比例浓度系数，来确定可燃气体浓度检测结果COL的方法，其中COL的计算公式为：

即，最终确定的可燃气体浓度COL为各冗余组合比例浓度系数Q₁、Q₂…Q_n的均值的百分数形式。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，该检测方法能够精确的计算出可燃气体的浓度，且能够判断出传感器光路是否出现故障。在光路出现故障但不影响对可燃气体浓度的计算时，该检测方法仍能计算出高精度可燃气体浓度。当检测出光路出现严重故障影响对可燃气浓度的计算时，该检测方法能够输出光路故障信号。该检测方法有效提高了对可燃气体浓度的检测极限、检测精度，也提高可燃气体浓度传感器的可靠性、鲁棒性和抗误报警能力。

附图说明

下面结合附图1-附图7对本发明的具体实施方式进一步说明。

图1是多通道红外热释电元件内部结构示意图；

图2是多通道冗余型可燃气体浓度检测方法总流程图；

图3是多通道冗余型可燃气体浓度计算方法流程图；

图4是红外光源两端电压时序图；

图5是参考通道1与浓度检测通道1信号时序示例图；

图6是参考通道1与浓度检测通道1频谱分布示例图；

图7是参考通道1与浓度检测通道1在信号特征频域内频谱细化示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附件图1所示，以四通道冗余结构为例介绍了多通道红外热释电元件内部结构，图中以四通道冗余结构为例介绍了多通道红外热释电元件的内部结构，其中两个通道为检测波段用于检测可燃气体浓度、其余两通道为参考波段用于给检测波段做参考。多通道红外热释电元件由元件窗口11、元件引脚14、金字塔分光镜矩阵15、四个红外光学滤光片(A1、A2、B1、B2)及红外热释电敏感元件(12、13、16、17)、内部红外反射镜18组成。内部红外反射镜18位于元件窗口11内侧，对由元件入口11射向多通道红外热释电元件内部的红外光信号19具有高通过性，对由金字塔分光镜矩阵15及四个红外光学滤光片(A1、A2、B1、B2)反射的信号具有全光谱高反射性。红外光信号19是由红外光源4受PWM控制信号20控制产生的周期性脉冲红外光信号，红外光源两端电压的时序图如附图4所示，图中以半波周期为250ms,频率为4Hz的方波为实例。

如附件图2所示，是多通道冗余型可燃气体浓度检测方法的总流程图。其执行过程如下：

(1)、首先执行步骤101启动可燃气体浓度检测，进行光学元件预热等初始化工作；

(2)、之后执行步骤102启动PWM控制信号20，控制红外光源脉冲式发射红外光信号。在红外光源两端将形成如附件图4所示的电压时序，实例中的时序为半波周期为250ms，频域为4Hz的方波；

(3)、随后执行步骤103，启动接收端的红外热释电元件的各通道接收红外光信号；

(4)、随后执行步骤104，启动多通道冗余型可燃气体浓度计算方法；

(5)、随后执行步骤105，对步骤104产生的计算结果进行输出(可燃气体浓度值或光路故障信号)；

(6)、随后执行判断条件106：判断步骤105是否输出光路故障信号；

(7)、当判断为输出光路故障信号时，执行步骤107将光路故障信号进行输出给上位机；

(8)、当判断没有输出光路故障信号时，则执行判断条件108，将步骤104计算出的可燃气体浓度与可燃气体的报警阈值进行比较；

(9)、当计算出的可燃气体浓度高于可燃气体的报警阈值时，执行步骤109，输出报警信号、上传可燃气体浓度值给上位机。

(10)、当计算出的可燃气体浓度小于可燃气体的报警阈值时，返回步骤103，并重新执行过程(3)-(10)。

如附件图3所示，是多通道冗余型可燃气体浓度计算方法流程图，该流程图是附件图2总流程图中的步骤104的细化。其具体过程如下：

(1)、首先执行步骤201，启动信号采集；

(2)、之后执行步骤202，以采样频率f_s采集各红外热释电敏感元件通道的离散电压值。

(3)、随后执行判断条件203，判断各通道是否完成数据采样。当判定为未完成采样时，继续执行步骤202，进行数据采样直到完成采样；

(4)、当判定为完成采用后执行步骤204，对各通道离散数据进行特征频域的频谱细化；

(5)、随后执行步骤205，分别求解各通道在细化频点上的特征模值之和。例如在四通道冗余结构实例中，分别计算出可燃气体检测通道1、可燃气体检测通道2、参考通道1、参考通道2特征模值和M₁、M₂、R₁、R₂，其中M₁、M₂、R₁、R₂的计算公式如式(1)所示：

式(1)中，x(MesCha1)、x(MesCha2)、x(RefCha1)、x(RefCha2)分别为可燃气体浓度检测通道1离散采样电压值、浓度检测通道2离散采样电压值、参考通道1离散采样电压值、参考通道2离散采样电压值；f_s为系统采样频率；f₀为信号特征频域的下限值；f_L为信号特征频域的上限值；M为信号特征频域频谱细化的点数；M₁、M₂、R₁、R₂分别对应可燃气体浓度检测通道1在特征频域频谱细化点上的模值和、浓度检测通道2在特征频域频谱细化点上的模值和、参考通道1在特征频域频谱细化点上的模值和、参考通道2在特征频域频谱细化点上的模值和。

(6)、随后执行判断条件206，各参考通道特征模值之和是否都大于光路故障阈值AlamCztSumz。例如在四通道冗余结构实例中，参考通道R₁、R₂是否均大于光路故障阈值AlamCztSumz。当判断条件206不成立时执行步骤207输出光路故障信号。其中光路故障阈值AlamCztSumz等于无可燃气体时各通道模值和的均值。

(7)、当判断条件206成立时执行步骤208，计算各测量通道与各参考通道的冗余组合的比值浓度系数。如在四通道冗余实例中，计算四组冗余组合的比例浓度系数分别为Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，其中Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的计算如公式(2)所示：

(8)、随后执行步骤209计算各冗余组合浓度系数的方差。如四通道冗余组合实例中，计算浓度系数方差为

其计算如公式(3)所示：

式中

为四组冗余组合的比例浓度系数分别为Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的均值。

(9)、随后执行判断条件210判断计算出浓度系数方差是否小于故障方差阈值

其中

根据可燃气体浓度传感器的检测极限来确定。例如当传感器的检测极限为PPM级时：

当判断条件201不成立时，执行步骤207输出光路故障信号。

(10)、当判断条件210成立时执行步骤211确定可燃气体浓度。如四通道冗余组合实例中，最终确定的可燃气体浓度为COL，其计算如公式(4)所示：

即，最终确定的可燃气体浓度COL为各冗余组合比例浓度系数Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的均值的百分数形式。

如附件图4所示，是红外光源两端电压的时序图，为半波周期为250ms，频率为4Hz的方波的实例。

如附件图5-7所示，是四通道冗余组合实例中以参考通道1和浓度检测通道1为例，进行两通道时域信号的测量如附件图5所示、两通道频谱分布分析如附件图6所示、两通道在信号特征频域内的频谱细化如附件图7所示。可以看出：

(1)、由附件图5可以看出，两通道时域信号呈周期性波形变化，且在传感器腔内有一定浓度的可燃气体时，参考通道1的时域信号不发生变化。这是因为参考通道1对应波段的红外光信号不会被可燃气体吸收，无信号损失；而浓度检测通道1受可燃气体吸收该通道对应波段的红外光信号的影响，使该通道时域信号的电压幅度明显变小。

(2)、由附件图6可以看出，两通道在时域中的周期性信号能量主要分布在频谱中的4-5HZ区间内。原因在于由红外光源发出的红外光信号的频率为4HZ，而信号接收端的红外热释电元件受其前端放大电路的阻容特性影响，接收到的信号发生了一定程度的频率转移，因此接收端接收到的信号能量主要集中在4-5HZ。由此可以确定两通道的信号特征频域为4-5HZ。

(3)、由附件图7可以看出，对两通道信号在特征频域(4-5HZ)内做频谱细化，浓度检测通道1受可燃气体吸收该通道对应波段的红外光信号的影响，使该通道在每一个小数频点上的模值都比参考通道1对应的模值要小很多。

Claims (5)

1.一种多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：在传感器的红外热释电元件端，接收到的红外信号在其特征频域内做频谱细化，并将细化频点上的特征模值求和，用于定量浓度检测通道，所述浓度检测通道为可燃气体对红外光信号吸收强度；

步骤二：将各浓度测量通道与各参考通道组合形成冗余浓度计算组合，并计算出各组合的比值浓度系数；

步骤三：通过对各组计算结果的分析，判断传感器是否出现故障；

步骤四：当判定为发生故障时，输出光路故障信号；

步骤五：当判定为没有故障或故障情况不影响检测精度时，输出可燃气体检测结果。

2.根据权利要求1所述的多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，其特征是，步骤一中各通道在细化频点上的特征模值之和的计算公式为：

式中：M_i为第i信号通道在特征频域内细化频点上的特征模值之和；f_s为系统采样频率；f₀为信号特征频域的下限值f_L为信号特征频域的上限值M为信号特征频域频谱细化的点数；x(i)为第i信号通道离散采样电压值。

3.根据权利要求1所述的多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，其特征是，步骤二具体为：将各路用于对可燃气体浓度进行检测的检测通道与各路作为参考的参考通道，相互组合形成若干个可燃气体浓度计算组合，将各冗余浓度计算组合中，可燃气体浓度检测通道与参考通道在特征频域频谱细化点上的模值和做比值，来计算可燃气体的比值浓度系数，其计算公式为：

式中：Q_j为第j组冗余计算组的比例浓度系数；M_j为组成第j组冗余计算组的浓度检测通道，在特征频域频谱细化点上的模值和；R_j为组成第j组冗余计算组的参考通道，在特征频域频谱细化点上的模值和。

4.根据权利要求1所述的多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，其特征是，步骤三具体为：通过比较浓度系数方差

与故障方差阈值

来确定是否发生光路故障：当

判定为发生光路故障；当

判定为未发生光路故障；

根据可燃气体浓度传感器的检测极限来确定；

的计算公式为：

式中Q₁、Q₂…Q_n为1至n组冗余计算组合的比例浓度系数，

为各冗余组合的比例浓度系数的均值，n为冗余计算组合的数量。

5.根据权利要求1所述的多通道冗余型可燃气体浓度检测方法，其特征是，步骤五具体为：根据各冗余通道组合计算出的比例浓度系数，来确定可燃气体浓度检测结果COL的方法，其中COL的计算公式为：

即，最终确定的可燃气体浓度COL为各冗余组合比例浓度系数Q₁、Q₂…Q_n的均值的百分数形式。

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