CN116626235A - 全自动气体检测装置的控制方法、数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全自动气体检测装置的控制方法、数据采集方法，该装置包括气室，气泵，进气口，出气口，温控系统，湿控系统等；控制方法包括控制气泵开启，基于温控系统及湿控系统对气室的温度及湿度进行实时采集与监控，达到温度预设范围及湿度预设范围并保持；分阶段通入参照气体、待测气体并控制气体传感器进行实时数据采集；待测气体排空后，控制气泵关闭；数据采集方法包括同时采集上述温度、湿度、响应信号等信息用于计算和校准；本发明通过持续主动地获取待检气体，并通过控制温控与湿控系统降低环境温湿度对检测过程和结果的影响，结合数据采集方法降低气体检测装置功耗并提高检测速度与准确性。
Description
技术领域
本发明属于系统控制及数据采集领域，尤其涉及基于可以主动进行气体交换的全自动气体检测装置的控制方法、数据采集方法。
背景技术
随着智能化设备在工业、生活、健康、质检等领域的普及，基于传感器的智能化设备层出不穷。在智能化嗅觉领域，检测气体的传感器也得以进一步发展，主要包括催化燃烧式、电化学式、热导式、红外吸收式和半导体式气体传感器等。由于检测的对象是气体、汽化的液体或气化的固体，检测结果通常受环境影响较大，通常的方法是控制气体在封闭的气室中不流动地进行静态检测，或控制设备所处的环境在一种相对稳定的状态。在不同的状态情况下，对于数据采取何种采集方法也会影响分析结果或数据的应用，对于识别气体种类还是识别浓度这两种不同目的的数据采集侧重点也会不同。
在基于气体检测装置的控制和数据采集方面，现有技术存在以下几种问题：
1.气体传感器响应信号受环境温度、湿度影响较大，降低检测结果的准确性；
2.随着实用时间的推移，气体传感器会产生基线漂移，使测得的响应信号不具有重复性；
3.检测后残气无法快速排出（常发生于被动式气体检测装置，例如目前市面上的家用烟雾感测，即通过在装置上开设气孔使空气自行扩散进出装置），目标气体容易残留在装置内部，造成误报，或环境情况减弱、解除后无法快速恢复，持续警报，对气体传感器材料或下一次结果产生影响，降低其准确度。另外，基于被动式的检测装备的检测方法无法在短时间内获取环境中更多的气体做快速的检测，获取的检测信息也会更少、更慢。
发明内容
本发明的一个方面，提供了一种全自动气体检测装置实现的控制方法，解决气体传感器响应信号受环境温度、湿度影响较大，导致降低检测结果的重复性和准确性的问题。
一种全自动气体检测装置实现的控制方法，其中，全自动气体检测装置包括气室，位于气室内的气体传感器，控制气体交换和气体流量的气泵，与气室连通的进气口，与气室连通的排气口，气泵设置在进气口与气室之间或设置在气室与排气口之间，还包括用于监控气室温度的温控系统及用于监控气室内湿度的湿控系统，所述控制方法，包括以下步骤:
S1、控制气泵开启并从进气口通入参照气体，基于温控系统及湿控系统对气室的温度及湿度进行实时采集与监控，达到温度预设范围及湿度预设范围并保持；控制气体传感器对参照气体进行实时检测并采集第一组响应信号；
S2、停止通入参照气体，切换为通入待测气体，控制气体传感器对待测气体进行实时检测，并采集第二组响应信号；
S3、停止通入待测气体，再次通入参照气体，并使得参照气体将气室内残留待测气体排空后，控制气泵关闭。
作为一种可实施方式，该控制方法还包括以下步骤：
执行S1时，判断气泵的运行时间是否达到第一预设工作时间，若未达到则继续执行S1，若达到则执行S2；
执行S2时，判断气泵的运行时间是否达到第二预设工作时间，若未达到则继续执行S2，若达到则执行S3；
执行S3时，判断气泵的运行时间是否达到第三预设工作时间，若未达到则继续执行S3，若达到则控制气泵关闭。
作为一种可实施方式，控制该装置循环执行上述控制方法的步骤。
作为一种可实施方式，所述温控系统包括与气室外壳耦连的第一温度传感器和温控组件；
控制第一温度传感器实时监测气室外壳温度并与温控组件形成反馈，进而控制温控组件进行加热或制冷，使得气室外壳温度维持在温度预设范围。
进一步地，所述温控系统包括位于气室内的第二温度传感器；
控制第二温度传感器实时测得气室内部温度并且与气室外壳耦连的温控组件形成反馈，进而控制温控组件进行加热或制冷，使气室内部维持在温度预设范围。
作为一种可实施方式，所述湿控系统包括位于气室内部的湿度传感器、连通气室与进气口之间的可以调控流经气体湿度的湿度控制组件；
控制湿度传感器实时监测气室内部的湿度，与湿度控制组件形成反馈，进而控制湿度控制组件进行湿度调节，使得气室内部的湿度保持在湿度预设范围。
作为一种可实施方式，所述进气口包括第一进气口和第二进气口；
所述第一进气口用于通入参照气体，所述第二进气口用于通入待测气体。
进一步地，所述全自动气体检测装置还包括控制第一进气口与气室之间气体通断的第一控制阀、控制第二进气口与气室之间气体通断的第二控制阀，通入参照气体时，控制第一控制阀打开，控制第二控制阀关闭，使第一进气口与气室处于连通状态；通入待测气体时，控制第一控制阀关闭，控制第二控制阀打开，使第二进气口与气室处于连通状态。
作为一种可实施方式，所述全自动气体检测装置还包括三通控制阀；
所述三通控制阀分别与第一进气口、第二进气口及气室三条气体流通通道连通，通过控制三通控制阀，进而控制各气体流通通道的通断，实现气室与第一进气口连通或与第二进气口连通之间的切换。
作为一种可实施方式，所述第一进气口与气室之间设有湿度控制组件；
所述湿度控制组件包括吸附材料，用于吸附气体中的水分。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
降低环境温度因素对响应信号的干扰，具体分为两种方式：较简单的是通过调控气室外壳的温度可以粗略认为气室外的环境保持稳定；为了更精确的保证气体检测准确度，在气室内增加温度传感器，可以通过调整气室外壳温度通过热传导作用调控气室内的温度保持稳定。
降低环境或气体湿度对响应信号的干扰，具体可以通过位于气室与进气口之间的湿度控制组件调控流经气体的湿度。
通过气泵控制持续的气体流动，可以在短时间内检测更多的待测气体，得到更广泛的检测数据，有助于提升大范围的气体检测效率。
此外，残气不排出会对气体传感器材料产生影响，降低其准确度，每次检测完成后都进行排气有助于保护气体传感器和降低前次待测气体对下次待测气体的影响，对于加热型的气体传感器还能有效散热。
本发明的另一个方面，提供了一种全自动气体检测装置实现的数据采集方法，解决气体传感器响应信号受环境温度、湿度影响较大，和单位时间内收集的响应信号数据信息少的问题，技术方案如下。
一种全自动气体检测装置的数据采集方法，所述全自动气体检测装置包括气室，位于气室内的气体传感器，控制气体交换和气体流量的气泵，与气室连通的进气口，与气室连通的排气口，所述气泵设置在进气口与气室之间或设置在气室与排气口之间，其特征在于，还包括用于监控气室温度的温控系统及用于监控气室内湿度的湿控系统，所述温控系统包括与气室外壳耦连的第一温度传感器和温控组件，位于气室内的第二温度传感器，所述湿控系统包括位于气室内部的湿度传感器，所述数据采集方法为：开启气泵并持续工作，实时分别采集第一温度传感器、第二温度传感器测得的温度值，实时采集湿度传感器测得的湿度值；分段实时采集气体传感器对于参考气体、待测气体的响应信号。
进一步地，基于实时采集到的温度值及湿度值对响应信号进行校准。
作为一种可实施方式，将参考气体和待测气体的响应信号作为参数进行函数计算得到待测气体响应值，基于实时采集到的温度值及湿度值对响应值进行校准。
以上技术方案的有益效果在于：降低气体传感器响应信号受环境温度、湿度的影响，降低气体传感器基线漂移对响应信号的影响，实时采集并校准信号或信号值可以使后续利用其进行进一步的数据分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 是反映本发明其中一种控制方法逻辑的流程图。
图2 是适用于本发明中技术方案的一种全自动气体检测装置的结构示例。
图中各附图标记为：
1-气泵；2-背板；3-盖壳；4-气体传感器；5-三通控制阀；6-湿度控制组件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例一：
一种全自动气体检测装置的控制方法，全自动气体检测装置包括气室（由气室外壳包围形成的一个相对密封的可容纳气体的空中结构），位于气室内的气体传感器，控制气体交换和气体流量的气泵，与气室连通的进气口，与气室连通的排气口，所述气泵设置在进气口与气室之间（与气室连通）或设置在气室与排气口之间（与气室连通），当气泵设置在进气口与气室之间时，气泵使空气的流通轨迹为从进气口进入，经气泵后进入气室中，从排气口流出（一般为利用气泵加压抽气）；当气泵设置在排气口与气室之间时，气泵使空气的流通轨迹为从进气口进入气室中，经气泵后，从排气口流出（一般为利用气泵负压抽气）；还包括用于监控气室温度的温控系统及用于监控气室内湿度的湿控系统，该控制方法，包括以下步骤:
S1、控制气泵开启并从进气口通入参照气体，基于温控系统及湿控系统对气室的温度及湿度进行实时采集与监控，达到温度预设范围及湿度预设范围并保持；控制气体传感器对参照气体进行实时检测并采集第一组响应信号；
S2、停止通入参照气体，切换为通入待测气体，控制气体传感器对待测气体进行实时检测，并采集第二组响应信号；
S3、停止通入待测气体，再次通入参照气体，并使得参照气体将气室内残留待测气体排空后，控制气泵关闭。
其中，参照气体是区别于待测气体的气体，在常规状况下可以为空气，不一定要使用洁净的空气或单一气体，只要对同种气体传感器在相同检测条件下的响应信号能与待测气体存在区分即可，目的在于作为待测气体响应信号的对比基准。
根据生产实际产品时不同的尺寸需求，为了让气体传感器能检测到气室内的待测气体，在气室外壳的一侧开设供传感探头伸入并暴露于其中的孔，也可以将气室设计为由背板2和盖壳3配合形成的空腔，由气体传感器所在的电路板作为气室的背板，将气室的盖壳（视为气室外壳）罩住具有气体传感器及其他需要暴露于气室内的电子元器件的部分电路板共同形成气室。
对于体型较大，或适用于大场地的装置，进气口与气室之间可以由进气通道连通，排气口与气室之间可以由排气通道连通，这样进气位置和排气位置可以实现异地设置，只要气泵的动力足够，就可以实现抽气和排气。
如果在户外使用该装置，可能会遭受阴雨或大风天气，将排气通道和/或进气通道设置为走势向下的鹅颈形状，可以防止侧方向的雨水灌入气室，同时能遮挡一部分风及风中携带的异物吹入，排气口可以设置为蜂窝状或在排气口处增设滤网，进一步防止异物被风吹入装置中。
在上述控制过程中，无论是参照气体还是待测气体都是在气泵的作用下持续的流经气室，可以在短时间内检测更多的待测气体，还可以控制该装置循环执行上述步骤，得到更广泛的检测数据，有助于提升大范围的气体检测效率。另外，可以通过控制气泵的功率控制气体的流动速度和流量以满足实际检测需求。
为了节约能耗和采集信号的算例，可以通过预设时间控制上述各步骤的执行和切换，例如按图1所示的流程逻辑，在执行S1时，判断气泵的运行时间是否达到第一预设工作时间，若未达到则继续执行S1，若达到则执行S2；执行S2时，判断气泵的运行时间是否达到第二预设工作时间，若未达到则继续执行S2，若达到则执行S3；执行S3时，判断气泵的运行时间是否达到第三预设工作时间，若未达到则继续执行S3，若达到则控制气泵关闭。
在实际应用中如果需要持续监控待测气体，可以对上述步骤进行间歇性的循环。
在实际应用中，装置如果是长期放置在某处，会经历季节的变换，或者放置环境受天气或人为影响会发生变化，尤其在温度和湿度上的变化常常会影响气体传感器的灵敏度和精确度，也会对响应信号造成干扰，为了降低环境温度因素对气体传感器及响应信号的干扰，具体分为两种方式：
一种方式是温控系统包括与气室外壳耦连的的第一温度传感器和温控组件；控制第一温度传感器实时监测气室外壳温度并与温控组件形成反馈，进而控制温控组件进行加热或制冷使得气室外壳温度维持在温度预设范围（例如可以将传感器及温控组件设置在贴近外壳的位置，通过加热或制冷与气室外壳形成热传导从而实现调控气室外壳温度），可以粗略认为气室外的环境保持稳定。
为了更精确的保证气体检测准确度，另一种方式是在温控系统中设置位于气室内的第二温度传感器；控制第二温度传感器实时测得气室内部温度并且与温控组件形成反馈，进而控制温控组件进行加热或制冷，使气室内部维持在温度预设范围。这种方案下，第二温度传感器测得的数据可以单独与温控组件反馈，也可以结合气室外壳上的第一温度传感器的测得数据一起进行计算耦合，再与温控组件发生反馈。任一温控组件可以为半导体组件或其他具有制冷和加热功能的组件。温控组件也可以为加热丝或其它可提供同等制冷或加热功能的组件。在现有技术中，温控组件的选择范围较广，不再赘述。
当使用的是加热型的气体检测芯片，由于芯片加热会使气室内的温度较高，此时为了简化装置降低能耗，温控组件可以只具有降温功能，例如使用包括风扇和散热片的风冷装置，此时气室的外壳可以选择热传导性较好的材料，例如金属材料，温控组件通过热传导作用调控气室内或气室外壳的温度保持稳定，例如保持在室温25±0.5℃、28±0.5℃等。
为了降低环境或气体湿度对响应信号的干扰，装置中可以设置湿控系统包括位于气室内部的湿度传感器、连通气室与进气口之间的可以调控流经气体湿度的湿度控制组件；
控制湿度传感器实时监测气室内部的湿度与湿度控制组件形成反馈，进而控制湿度控制组件进行湿度调节使得气室内部的湿度保持在湿度预设范围。
通常，对于湿度的调整比较难，高成本的方案湿控组件可以具有加湿和除湿双重功能，为了降低设备成本很少会加装加湿设备，一般会选择装除湿组件，例如吸附水分子的材料过滤器等，例如活性炭、4A分子筛、变色硅胶等，通过吸附装置的作用，使气室内的湿度保持在预设范围，当湿度传感器监测发现气室内的湿度过高，则可能是吸附装置失效，此时应则提醒用户更新更换吸附装置。
实施例二：
有时，待测气体中含有水分子，且水分子对待测气体的检测有特征作用，此时则不能在进气时把待测气体进行除湿，当然也存在其他原因使对待测气体不要做过多的预处理（例如过滤吸附等），但是对参考气体一般需要做这些预处理以保持其稳定性，此时需要将进气口进行调控，本申请中提供以下方案：
一种是把进气口分为第一进气口和第二进气口，第一进气口用于通入参照气体，第二进气口用于通入待测气体。为了便于装置自动控制气体通断，还可加设控制第一进气口与气室之间气体通断的第一控制阀、控制第二进气口与气室之间气体通断的第二控制阀，通入参照气体时，控制第一控制阀打开，控制第二控制阀关闭，使第一进气口与气室处于连通状态；通入待测气体时，控制第一控制阀关闭，控制第二控制阀打开，使第二进气口与气室处于连通状态。
为了简化结构，如图2所示，还选择使用三通控制阀5，三通控制阀分别与第一进气口、第二进气口及气室三条气体流通通道连通，通过控制三通控制阀，配合气泵1（在此实施例中气泵设置在气室与排气口之间，通过负压作用将气体从进气口吸入气室）的工作，进而控制各气体流通通道的通断，实现气室（由背板2和盖壳3组合形成，背板3为安装有气体传感器4的电路板）与第一进气口连通或与第二进气口连通之间的切换。这样可以只在第一进气口与气室之间设有湿度控制组件6。
实施例三：
在气体检测领域，尤其是使用金属氧化物的半导体气体传感器方面，温度和湿度对响应信号的显著影响是公知的，为了降低环境温湿度的影响，同时还要对测得信号进行校准，收集实时的温湿度值是十分有必要的。本实施例提供一种上述全自动检测装置的数据采集方法，目的在于在检测过程中获得更多的信息以便于对气体传感器响应信号的AI算法处理与分析。
其中全自动气体检测装置包括气室，位于气室内的气体传感器，控制气体交换和气体流量的气泵，与气室连通的进气口，与气室连通的排气口，所述气泵设置在进气口与气室之间或设置在气室与排气口之间，还包括用于监控气室温度的温控系统及用于监控气室内湿度的湿控系统，所述温控系统包括位于气室外壳上的第一温度传感器和温控组件和位于气室内的第二温度传感器，所述湿控系统包括位于气室内部的湿度传感器，所述数据采集方法为：开启气泵并持续工作，实时分别采集第一温度传感器测得的温度值、第二温度传感器测得的温度值，实时采集湿度传感器测得的湿度值；分段实时采集气体传感器对于参考气体、待测气体的响应信号；
由于气体传感器漂移（或基线漂移）的存在，使得通过控制变量法在相同条件下测得的响应信号很难具有重复性或一致性，但每一次测试前都先测基线（即对参考气体测试得到的响应信号），再测目标气体响应信号，将两组信号作为参数进行函数计算（例如进行比值计算，第一组响应信号比第二组响应信号或第二组响应信号比第一组响应信号都是可以根据实际情况选择的方案），获得的对同种气体的响应值会趋于稳定或呈现较明显的可识别特征，有助于后续应用数据做定性或定量的判断。
为了进一步提高响应信号或响应值特征的准确性，基于实时采集到的温度值及湿度值对响应信号或响应值进行校准也是好的办法。
当使用的是加热型的气体传感器时，该传感器的加热温度也是需要采集的数据，一般会由气体传感器自带的温控或测温功能实现。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种全自动气体检测装置的控制方法，所述全自动气体检测装置包括气室，位于气室内的气体传感器，控制气体交换和气体流量的气泵，与气室连通的进气口，与气室连通的排气口，所述气泵设置在进气口与气室之间或设置在气室与排气口之间，其特征在于，还包括用于监控气室温度的温控系统及用于监控气室内湿度的湿控系统，所述控制方法，包括以下步骤:
S1、控制气泵开启并从进气口通入参照气体，基于温控系统及湿控系统对气室的温度及湿度进行实时采集与监控，达到温度预设范围及湿度预设范围并保持；控制气体传感器对参照气体进行实时检测并采集第一组响应信号；
S2、停止通入参照气体，切换为通入待测气体，控制气体传感器对待测气体进行实时检测，并采集第二组响应信号；
S3、停止通入待测气体，再次通入参照气体，并使得参照气体将气室内残留待测气体排空后，控制气泵关闭。
2.根据权利要求1中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
执行S1时，判断气泵的运行时间是否达到第一预设工作时间，若未达到则继续执行S1，若达到则执行S2；
执行S2时，判断气泵的运行时间是否达到第二预设工作时间，若未达到则继续执行S2，若达到则执行S3；
执行S3时，判断气泵的运行时间是否达到第三预设工作时间，若未达到则继续执行S3，若达到则控制气泵关闭。
3.根据权利要求1或2所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：控制该装置循环执行所述控制方法的步骤。
4.根据权利要求1中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述温控系统包括与气室外壳耦连的第一温度传感器和温控组件；
控制第一温度传感器实时监测气室外壳温度并与温控组件形成反馈，进而控制温控组件进行加热或制冷，使得气室外壳温度维持在温度预设范围。
5.根据权利要求1 或4中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述温控系统包括位于气室内的第二温度传感器；
控制第二温度传感器实时测得气室内部温度并且与气室外壳耦连的温控组件形成反馈，进而控制温控组件进行加热或制冷，使气室内部维持在温度预设范围。
6.根据权利要求1中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述湿控系统包括位于气室内部的湿度传感器、连通气室与进气口之间的可以调控流经气体湿度的湿度控制组件；
控制湿度传感器实时监测气室内部的湿度，与湿度控制组件形成反馈，进而控制湿度控制组件进行湿度调节，使得气室内部的湿度保持在湿度预设范围。
7.根据权利要求1中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述进气口包括第一进气口和第二进气口；
所述第一进气口用于通入参照气体，所述第二进气口用于通入待测气体。
8.根据权利要求7中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述全自动气体检测装置还包括控制第一进气口与气室之间气体通断的第一控制阀、控制第二进气口与气室之间气体通断的第二控制阀，通入参照气体时，控制第一控制阀打开，控制第二控制阀关闭，使第一进气口与气室处于连通状态；通入待测气体时，控制第一控制阀关闭，控制第二控制阀打开，使第二进气口与气室处于连通状态。
9.根据权利要求7中所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述全自动气体检测装置还包括三通控制阀；
所述三通控制阀分别与第一进气口、第二进气口及气室三条气体流通通道连通，通过控制三通控制阀，进而控制各气体流通通道的通断，实现气室与第一进气口连通或与第二进气口连通之间的切换。
10.根据权利要求8或9所述的全自动气体检测装置的控制方法，其特征在于：所述第一进气口与气室之间设有湿度控制组件；
所述湿度控制组件包括吸附材料，用于吸附气体中的水分。
11.一种全自动气体检测装置的数据采集方法，所述全自动气体检测装置包括气室，位于气室内的气体传感器，控制气体交换和气体流量的气泵，与气室连通的进气口，与气室连通的排气口，所述气泵设置在进气口与气室之间或设置在气室与排气口之间，其特征在于，还包括用于监控气室温度的温控系统及用于监控气室内湿度的湿控系统，所述温控系统包括与气室外壳耦连的第一温度传感器和温控组件，位于气室内的第二温度传感器，所述湿控系统包括位于气室内部的湿度传感器，所述数据采集方法为：开启气泵并持续工作，实时分别采集第一温度传感器、第二温度传感器测得的温度值，实时采集湿度传感器测得的湿度值；分段实时采集气体传感器对于参考气体、待测气体的响应信号。
12.根据权利要求11所述的全自动气体检测装置的数据采集方法，其特征在于：基于实时采集到的温度值及湿度值对响应信号进行校准。
13.根据权利要求11所述的全自动气体检测装置的数据采集方法，其特征在于：将参考气体和待测气体的响应信号作为参数进行函数计算得到待测气体响应值，基于实时采集到的温度值及湿度值对响应值进行校准。
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