CN115839927B - 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

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：

其中，YY表示测量通道，XX为待测气体，V_{XX_REF_zero}和V_{XX_YY_zero}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Con_XX(i)，Fa_{XX_YY}(i)，i表示第i次通入待测气体；

当XX＝YY时，Con_XX(i)与Fa_{XX_YY}(i)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a_{XX_k}为标准曲线k次项系数；

当XX≠YY时，Con_XX(i)与Fa_{XX_YY}(i)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b_{XX_YY_k}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Fa_{XX_XX_real}＝Fa_{XX_XX}；而YY通道的真实吸收率则为Fa_{XX_YY_real}＝0，其应补偿的吸收率公式如下：

dFa_{XX_YY_real}＝Fa_{XX_YY_real}-Fa_{XX_YY}＝-Fa_{XX_YY}＝-f_{XX_YY}(Fa_{XX_XX_real})；

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：

fa_{XX_real}关于实际测量吸收率fa_XX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Con_XX(i)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V_{XX_YY}(i)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：

fa_{XX_real}＝fa_XX+∑dFa_{YY_XX_real}＝fa_XX-∑f_{YY_XX}(fa_{YY_real})。

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Con_XX(i)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V_{XX_YY}(i)表示，XX_YY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Con_XX(i)，V_{XX_YY}(i)，i＝0,1,...,10。

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，V_{XX_REF_zero}和V_{XX_YY_zero}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Con_XX(i)，Fa_{XX_YY}(i)，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XX＝YY时，Con_XX(i)与Fa_{XX_YY}(i)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a_{XX_k}为标准曲线k次项系数；

当XX≠YY时，Con_XX(i)与Fa_{XX_YY}(i)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b_{XX_YY_k}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Fa_{XX_XX_real}＝Fa_{XX_XX}；而YY通道的真实吸收率则为Fa_{XX_YY_real}＝0，其应补偿的吸收率公式如下：

dFa_{XX_YY_real}＝Fa_{XX_YY_real}-Fa_{XX_YY}＝-Fa_{XX_YY}＝-f_{XX_YY}(Fa_{XX_XX_real})；

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v_XX和v_REF，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fa_{XX_real}，可以由此建立补偿气体吸收率fa_{XX_real}关于实际测量吸收率fa_XX的多元方程组如下：

fa_{XX_real}＝fa_XX+vdFa_{YY_XX_real}＝fa_XX-∑f_{YY_XX}(fa_{YY_real})

Fa_{YY_XX_real}与Fa_{XX_YY_real}同一含义，f_{YY_XX}与f_{XX_YY}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：

fa_{XX_real}关于实际测量吸收率fa_XX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 (1)

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测量通道信号值；八通道NDIR平台选用红外传感器滤光片，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Con_XX(i)表示，i表示第i次通入待测气体，对应的红外传感器各测量通道信号值使用V_{XX_YY}(i)表示，XX_YY表示XX气体在YY通道的响应信号值；

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，并使用多项式对待测气体对应的测量通道的吸收率与非被测气体对应的测量通道的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，V_{XX_REF_zero}和V_{XX_YY_zero}为无吸收状态下时各测量通道的信号值，V_{XX_YY}表示对应的传感器各测量通道信号值，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Con_XX(i)，Fa_{XX_YY}(i)，i表示第i次通入待测气体；

当XX＝YY时，Con_XX(i)与Fa_{XX_YY}(i)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a_{XX_k}为标准曲线k次项系数；

当XX≠YY时，Fa_{XX_XX}(i)与Fa_{XX_YY}(i)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b_{XX_YY_k}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测量通道吸收率未受其他气体的干扰，其补偿后的真实吸收率Fa_{XX_XX_real}＝Fa_{XX_XX}；而YY测量通道的真实吸收率则为Fa_{XX_YY_real}＝0，其应补偿的吸收率公式如下：

dFa_{XX_YY_real}＝Fa_{XX_YY_real}-Fa_{XX_YY}＝-Fa_{XX_YY}＝-f_{XX_YY}(Fa_{XX_XX_real})；

103)气体吸收率步骤：使用各个测量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；补偿气体吸收率公式如下：

fa_{XX_real}＝fa_XX+∑dFa_{YY_XX_real}＝fa_XX-∑f_{YY_XX}(fa_{YY_real})；

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：