CN115656087A - 一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道ndir光学平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于，包括光源、气室、检测器和中央处理器；光源、检测器设置在气室两端，且与气室之间设置透光材料；气室的侧面设置进气孔和出气孔，且分别靠近气室的两端；中央处理器和光源、检测器连接，并接收检测器采集的数据，控制光源的开关。本发明各通道滤光片，通过波长的红外光只能够被该通道被测气体吸收，但实际上其他通道的被测气体也能够吸收一部分，所以非被测气体会对测试气体通道造成干扰，此干扰通过本方案的补偿修正后，干扰以大大减小。

Description

一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台

技术领域

本发明涉及气体检测领域，更具体的说，它涉及一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台。

背景技术

目前已知成熟的基于热释电方式的多通道测量气体的NDIR技术最多可同时测量三种组分，而对于排放气体成分较多，需要多个探测器测量的检测领域，目前的单个探测器尚未有实现的，且难以能消除通道间的补偿。因此现在的此类企业都在积极研究如何适用排放气体成分较多的环境，以解决目前在多种气体成分下需要多个传感器的问题，从成本上大大降低。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了能测量多种气体成分，且低成本的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台。

本发明的技术方案如下：

一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，包括光源、气室、检测器和中央处理器；光源、检测器设置在气室两端，且与气室之间设置透光材料；气室的侧面设置进气孔和出气孔，且分别靠近气室的两端；中央处理器和光源、检测器连接，并接收检测器采集的数据，控制光源的开关；

具体检测气体步骤如下：

101）数据采集步骤：由中央处理器控制，向八通道NDIR平台的进气孔通入不同浓度的单组分待测气体，控制光源打开，将光源透过气室，再由检测器记录下检测到的气体组分、浓度和对应的传感器各通道信号值；

102）数据拟合步骤：根据传感器各个测量通道对不同浓度单组分待测气体响应的信号值，获取出各个测量通道中不同浓度单组分待测气体对光源的吸收率，并使用多项式对测试气体通道吸收率与非被测气体通道吸收率关系进行拟合；

具体吸收率计算公式如下：

其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，

为无吸收状态下时各通 道的信号值，V _{XX_YY} 表示对应的传感器各通道信号值，V _{XX_REF} 表示参考的信号值；这样每种待 测气体就得到一系列数据

，i表示第i次通入待测气体；

当

时，

为非补偿标准关系，进行n阶多项式拟合得到标准曲线

，其中

为标准曲线k次项系数；

当

时，

为干扰补偿关系，进行n阶多项式拟合得到干扰补偿曲线

，其中

为干扰补偿曲线k次项系数；

由于通入的均为单组分气体XX，因此对应XX通道吸收率未受其他气体的干扰，其 补偿后的真实吸收率

；而YY通道的真实吸收率则为

，其应补偿的 吸收率公式如下：

103）气体吸收率步骤：使用各个通道拟合的吸收率关系建立补偿气体吸收率关于实际测量吸收率的多元方程组，解非线性方程组，得到经过补偿的气体吸收率；

104）气体浓度步骤：经过补偿的气体吸收率根据校准关系多项式，即可得出气体浓度，具体公式如下：

关于实际测量吸收率

的多元方程组。

进一步的，八通道NDIR平台所选用的红外传感器滤光片，能测量7种气体的浓度， 待测气体使用XX表示，测量通道使用YY表示，待测气体浓度使用

表示，i表示第i次通 入待测气体，对应的红外传感器各通道信号值使用

表示，XX_YY表示XX气体在YY通道 的响应信号值。

进一步的，补偿气体吸收率公式如下：

。

进一步的，光源采用能发射不同波长的红外光。

进一步的，检测器与气室之间还设置滤波器，用于根据区别过滤不同波长特性不同气体成份的红外光。

进一步的，光源设置在光源板上，光源板上设置光源安装座，且光源安装座与气室之间设置光源密封座；

检测器设置在检测器板上，检测器板上设置检测器安装座，且检测器安装座与气室之间设置检测器密封座。

进一步的，进气孔设置在光源密封座上；出气孔设置在检测器密封座。

进一步的，透光材料采用镜片，且镜片与检测器安装座、光源安装座之间设置O型圈，且气室两端周围与检测器安装座、光源安装座之间也设置O型圈；

镜片采用3颗螺丝固定的方式压紧，保护镜片不裂。

进一步的，气室内壁镀金；光源板上的光源外表面涂上硅酮导热胶，确保和光源安装座接触紧密；检测器安装座采用塑料材质。

进一步的，光源、气室和检测器处于同一轴度。

本发明的优点在于：

本发明通过特别适用排放气体成分较多，需要多个探测器测量的领域，这样单个探测器就可以实现，且能消除通道间的补偿。解决了多种气体成分能需要多个传感器的问题，从成本上和体积上都有了很大的提升。

本发明探测器上还集成了温度探测器的通道，可以准确的用于各通道气体的温度补偿，无需外围再用温度探测器。

本发明各通道滤光片，通过波长的红外光只能够被该通道被测气体吸收，但实际上其他通道的被测气体也能够吸收一部分，所以非被测气体会对测试气体通道造成干扰，此干扰通过本方案的补偿修正后，干扰以大大减小。

本发明基于非线性相关、理想气体方程和展宽效应的多方位和多角度补偿修正算法，解决了不同气体间得到干扰和水汽的干扰，达到了各行业气体排放监测的标准要求。

附图说明

图1为本发明各通道对17.9%CO₂气体的响应图；

图2为本发明对17.9%CO2气体各通道补偿与未补偿计算结果对比图；

图3为本发明原理框图；

图4为本发明简易图；

图5为本发明整体结构图；

图6为图5的剖视图。

图中标识：光源1、气室2、检测器3、进气孔4、出气孔5、透光材料6、光源板7、光源安装座8、检测器板9、检测器安装座10、压力传感器11和O型圈12、检测器密封座13、光源密封座14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本方案中未明确具体电路设计的电路均采用常规设计，如中央处理器、滤波器等的详细设计。

如图1至图6所示，一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，包括光源1、气室2、检测器3和中央处理器；光源1、检测器3设置在气室2两端，且与气室2之间设置透光材料6；气室2的侧面设置进气孔4和出气孔5，且分别靠近气室2的两端；中央处理器和光源1、检测器3连接，并接收检测器3采集的数据，控制光源1的开关。本方案通过进气孔4、和出气孔5，将待检测气体引入气室2，并在气室2两端设置检测气体成分的光源1和检测器3。光源1和检测器3将受控中央处理器进行处理。

作为优选，进气孔4上可以设置压力传感器11，来辅助控制气体进入气室2。光源1采用能发射不同波长的红外光。是因为红外线更容易检测，且技术相对比较成熟，更容易使用。检测器3与气室2之间还设置滤波器（图中未示），用于区别过滤不同波长特性、不同气体成份的红外光。以此通过不同滤波效果来推测相应气体成分的浓度。

光源1设置在光源板7上，光源板7上设置光源安装座8，且光源安装座8与气室2之间设置光源密封座14。进气孔4设置在光源密封座14上。检测器3设置在检测器板9上，检测器板9上设置检测器安装座10，且检测器安装座10与气室2之间设置检测器密封座13。出气孔5设置在检测器密封座13。其中，检测器密封座13、光源密封座14下方设置垫块，以保证气室2和设置中央处理器的主板之间的绝缘和隔热。检测器密封座13、光源密封座14内含气笼结构，起到稳定气流，及引导气流方向的作用。光源安装座8起到压紧固定镜片作用，及作为光源板7的安装载体，并给光源的散热。检测器安装座10起到压紧固定镜片作用，及作为检测器板9的安装载体，并稳定检测器3端的温度。

如图4中透光材料6采用镜片，且镜片与检测器安装座10、光源安装座8之间设置O型圈12，且气室2两端周围与检测器安装座10、光源安装座8之间也设置O型圈12，加以保证整体的气密性。图4中a区为光源区，b区为检测区。镜片采用3颗螺丝固定的方式压紧，保护镜片不裂。气室2内壁镀金；光源板7上的光源1外表面涂上硅酮导热胶，确保和光源安装座8接触紧密，也便于进行高效导热。检测器安装座10采用塑料材质。

光源1、气室2和检测器3处于同一轴度，并且整体采用一体化结构时，则能更好的保持稳定性。另在气室2上设置八通道，八通道气体探测上，其中一通道为温度探测技术，以准确的用于各通道气体的温度补偿，无需外围再用温度探测器，从而降低整体复杂度，提升使用环境。另气室2作为优选采用镜面类的材质，内表面粗糙度＜Ra0.4，内壁需镀金，要求光滑且均匀，镀金厚度最薄处>0.3μm，均匀度<1。气室2要避免内壁水汽凝结、污染，通过内壁镀金。

具体检测包括如下步骤：

101）数据采集步骤：由中央处理器控制，向八通道NDIR平台的进气孔通入不同浓度的单组分待测气体，控制光源打开，将光源透过气室，再由检测器记录下检测到的气体组分、浓度和对应的传感器各通道信号值。

根据八通道NDIR平台所选用的为红外传感器滤光片，此最多可测量7种气体的浓 度，将待测气体使用XX表示（包括但不限于C₃H₈、CO₂、CO、NO₂、NO、SO₂、H₂O等），测量通道使用 YY表示（包括但不限于REF、C₃H₈、CO₂、CO、NO₂、NO、SO₂、H₂O等，其中必定存在REF参考通道），待 测气体浓度使用

表示，i表示第i次通入待测气体，对应的红外传感器各通道信号值 使用

表示，

表示XX气体在YY通道的响应信号值。通入10种不同浓度的待测气 体可以测得一系列数据

。

102）数据拟合步骤：根据传感器各个测量通道对不同浓度单组分待测气体响应的信号值，获取出各个测量通道中不同浓度单组分待测气体对光源的吸收率，并使用多项式对测试气体通道吸收率与非被测气体通道吸收率关系进行拟合。

具体吸收率计算公式如下：

其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，

为无吸收状态下时各通道 的信号值，V _{XX_YY} 表示对应的传感器各通道信号值，V _{XX_REF} 表示参考的信号值；这样每种待测 气体就得到一系列数据

，i表示第i次通入待测气体；具体测量通道以待测气 体进行命名。

当

时，

为非补偿标准关系，进行n阶多项式拟合得到标准曲线

，其中

为标准曲线k次项系数；

当

时，

为干扰补偿关系，进行n阶多项式拟合得到干扰补偿曲线

，其中

为干扰补偿曲线k次项系数；

由于通入的均为单组分气体XX，因此对应YY通道吸收率未受其他气体的干扰，其 补偿后的真实吸收率

；而YY通道的真实吸收率则为

，其应补偿 的吸收率公式如下：

；

103）气体吸收率步骤：使用各个通道拟合的吸收率关系建立，补偿气体吸收率关于实际测量吸收率的多元方程组，解非线性方程组，得到经过补偿的气体吸收率。

具体将未知成分和浓度的待测气体通入八通道NDIR平台中，测得红外传感器各通 道的信号值为

，由补偿的吸收率计算公式可以计算得到各通道的吸收率为

，假设各通道经过补偿后的真实吸收率为

，可以由此建立补偿气体吸收 率

关于实际测量吸收率

的多元方程组如下：

同一含义，

同一含义。八通道NDIR平台中，方程组中XX 和YY均可为上述列举的7种气体，因此方程组中有7个方程，具体如下：

104）气体浓度步骤：经过补偿的气体吸收率根据校准关系多项式，即可得出气体浓度，具体公式如下：

关于实际测量吸收率

的多元方程组。

如图2所示，以通入17.9%CO₂气体为例，除了检测CO₂通道外，其他通道计算的气体浓度应该都为零，由图2可以看到，未补偿前，HC（代表C₃H₈）、CO、SO₂、NO和H₂O通道都受到不同程度的干扰，经本方案补偿后，受干扰的程度均大大减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于，包括光源、气室、检测器和中央处理器；光源、检测器设置在气室两端，且与气室之间设置透光材料；气室的侧面设置进气孔和出气孔，且分别靠近气室的两端；中央处理器和光源、检测器连接，并接收检测器采集的数据，控制光源的开关；

具体检测气体步骤如下：

101）数据采集步骤：由中央处理器控制，向八通道NDIR平台的进气孔通入不同浓度的单组分待测气体，控制光源打开，将光源透过气室，再由检测器记录下检测到的气体组分、浓度和对应的传感器各通道信号值；

102）数据拟合步骤：根据传感器各个测量通道对不同浓度单组分待测气体响应的信号值，获取出各个测量通道中不同浓度单组分待测气体对光源的吸收率，并使用多项式对测试气体通道吸收率与非被测气体通道吸收率关系进行拟合；

具体吸收率计算公式如下：

其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，

为无吸收状态下时各通道的 信号值，V _{XX_YY} 表示对应的传感器各通道信号值，V _{XX_REF} 表示参考的信号值；这样每种待测气 体就得到一系列数据

，i表示第i次通入待测气体；

当

时，

为非补偿标准关系，进行n阶多项式拟合得到标准曲线

，其中

为标准曲线k次项系数；

当

时，

为干扰补偿关系，进行n阶多项式拟合得到干扰补偿曲线

，其中

为干扰补偿曲线k次项系数；

由于通入的均为单组分气体XX，因此对应XX通道吸收率未受其他气体的干扰，其补偿 后的真实吸收率

；而YY通道的真实吸收率则为

，其应补偿的吸收 率公式如下：

103）气体吸收率步骤：使用各个通道拟合的吸收率关系建立补偿气体吸收率关于实际测量吸收率的多元方程组，解非线性方程组，得到经过补偿的气体吸收率；

104）气体浓度步骤：经过补偿的气体吸收率根据校准关系多项式，即可得出气体浓度，具体公式如下：

关于实际测量吸收率

的多元方程组。

2.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台， 其特征在于：八通道NDIR平台所选用的红外传感器滤光片，能测量7种气体的浓度，待测气 体使用XX表示，测量通道使用YY表示，待测气体浓度使用

表示，i表示第i次通入待测 气体，对应的红外传感器各通道信号值使用

表示，XX_YY表示XX气体在YY通道的响应 信号值。

3.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：补偿气体吸收率公式如下：

。

4.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：光源采用能发射不同波长的红外光。

5.根据权利要求4所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：检测器与气室之间还设置滤波器，用于根据区别过滤不同波长特性不同气体成份的红外光。

6.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：光源设置在光源板上，光源板上设置光源安装座，且光源安装座与气室之间设置光源密封座；

检测器设置在检测器板上，检测器板上设置检测器安装座，且检测器安装座与气室之间设置检测器密封座。

7.根据权利要求6所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：进气孔设置在光源密封座上；出气孔设置在检测器密封座。

8.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：透光材料采用镜片，且镜片与检测器安装座、光源安装座之间设置O型圈，且气室两端周围与检测器安装座、光源安装座之间也设置O型圈；

镜片采用3颗螺丝固定的方式压紧，保护镜片不裂。

9.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：气室内壁镀金；光源板上的光源外表面涂上硅酮导热胶，确保和光源安装座接触紧密；检测器安装座采用塑料材质。

10.根据权利要求1所述的一种具有检测气体间浓度补偿方法的八通道NDIR光学平台，其特征在于：光源、气室和检测器处于同一轴度。

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