CN115839927A - 一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法 - Google Patents

一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法，其特征在于，包括如下步骤;数据采集步骤：向八通道NDIR平台通入不同浓度的单组分待测气体，记录下气体组分、浓度和对应的传感器各通道信号值；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。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

一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法
技术领域
本发明涉及气体检测领域，更具体的说，它涉及一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法。
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，且低成本的一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法，包括如下步骤：
101）数据采集步骤：向八通道NDIR平台通入不同浓度的单组分待测气体，记录下气体组分、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：
Figure SMS_1
公式（1）
其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，
Figure SMS_2
和
Figure SMS_3
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
Figure SMS_4
，i表示第i次通入待测气 体；
当
Figure SMS_5
时，
Figure SMS_6
与
Figure SMS_7
为非补偿标准关系，进行n阶多项式拟 合得到标准曲线
Figure SMS_8
，其中
Figure SMS_9
为标准曲线k 次项系数；
当
Figure SMS_10
时，
Figure SMS_11
与
Figure SMS_12
为干扰补偿关系，进行n阶多项式拟合得 到干扰补偿曲线
Figure SMS_13
，其中
Figure SMS_14
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
Figure SMS_15
；而YY通道的真实吸收率则为
Figure SMS_16
，其应补偿的吸收率公式如下：
Figure SMS_17
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：
Figure SMS_18
Figure SMS_19
关于实际测量吸收率
Figure SMS_20
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
Figure SMS_21
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
Figure SMS_22
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：
Figure SMS_23
。
本发明的优点在于：
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。
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。
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2所示，一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法，包括如下步骤：
101）数据采集步骤：向八通道NDIR平台通入不同浓度的单组分待测气体，记录下气体组分、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
Figure SMS_24
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
Figure SMS_25
表示，
Figure SMS_26
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
Figure SMS_27
。
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：
Figure SMS_28
其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，
Figure SMS_29
和
Figure SMS_30
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
Figure SMS_31
，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
Figure SMS_32
时，
Figure SMS_33
为非补偿标准关系，进行n阶多项式拟合得 到标准曲线
Figure SMS_34
，其中
Figure SMS_35
为标准曲线k次项系 数；
当
Figure SMS_36
时，
Figure SMS_37
为干扰补偿关系，进行n阶多项式拟合得到 干扰补偿曲线
Figure SMS_38
，其中
Figure SMS_39
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
Figure SMS_40
；而YY通道的真实吸收率则为
Figure SMS_41
，其应补偿的吸收率公式如下：
Figure SMS_42
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
Figure SMS_43
和
Figure SMS_44
，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
Figure SMS_45
，假设各通道经过补偿后的真实吸收率为
Figure SMS_46
，可以由此 建立补偿气体吸收率
Figure SMS_47
关于实际测量吸收率
Figure SMS_48
的多元方程组如下：
Figure SMS_49
Figure SMS_50
同一含义，
Figure SMS_51
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：
Figure SMS_52
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：
Figure SMS_53
Figure SMS_54
关于实际测量吸收率
Figure SMS_55
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 (3)

1.一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
101）数据采集步骤：向八通道NDIR平台通入不同浓度的单组分待测气体，记录下气体组分、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：
Figure 264828DEST_PATH_IMAGE001
公式（1）
其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，
Figure 710853DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 107199DEST_PATH_IMAGE003
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
Figure 777215DEST_PATH_IMAGE004
，i表示第i次通入待测气体；
当
Figure 157381DEST_PATH_IMAGE005
时，
Figure 938255DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure 657949DEST_PATH_IMAGE007
为非补偿标准关系，进行n阶多项式拟合得 到标准曲线
Figure 498866DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 100749DEST_PATH_IMAGE009
为标准曲线k次项 系数；
当
Figure 950893DEST_PATH_IMAGE010
时，
Figure 321832DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 536912DEST_PATH_IMAGE012
为干扰补偿关系，进行n阶多项式拟合得到干 扰补偿曲线
Figure 360512DEST_PATH_IMAGE013
，其中
Figure 14347DEST_PATH_IMAGE014
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
Figure 239792DEST_PATH_IMAGE015
；而YY通道的真实吸收率则为
Figure 625774DEST_PATH_IMAGE016
，其应补偿的吸收率公式如下：
Figure 202249DEST_PATH_IMAGE017
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：
Figure 128617DEST_PATH_IMAGE018
Figure 208568DEST_PATH_IMAGE019
关于实际测量吸收率
Figure 93347DEST_PATH_IMAGE020
的多元方程组。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方 法，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
Figure 891539DEST_PATH_IMAGE021
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
Figure 824860DEST_PATH_IMAGE022
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所述的一种基于非线性方程组解法的气体间浓度干扰补偿修正方法，其特征在于：补偿气体吸收率公式如下：
Figure 759318DEST_PATH_IMAGE023
。
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