CN116879214A - 一种基于co2温室气体的温度压力补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，通过八通道NDIR光学平台进行气体成份检测，包括：数据采集步骤；初步计算步骤；零位温度补偿步骤；温度压力补偿步骤；气体压力展宽效应补偿步骤；气体浓度反演步骤。本发明解决CO2气体测量的高精度提高各种不同环境下温室气体测量的准确性与可靠性，满足不同工况条件下环境空气CO2温室气体检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，更具体的说，其涉及一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法。
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，且难以消除通道间的补偿。
目前市面能满足不同工况条件下环境空气CO2温室气体检测的技术，是采用光腔衰荡技术、光腔增强技术、气相色谱技术等高精度的技术，这些技术成本高，核心部件依赖进口，无法量产化。而且现有技术应用在高浓度低精度场景下比如机动车检测、固定污染源检测没有问题，对仪器的精度要求、温度漂移要求、压力要求较低，一般能满足要求，但是在低浓度高精度的应用场景下，尤其环境空气高精度温室气体监测，会存在严重的温度漂移问题，因此急需能处理不同进气压力对测量结果的影响，微小的漂移对数据的影响的解决，从而为国家提供精准的数据支持。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供设计合理、检测更准确极易推广使用的一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，通过八通道NDIR光学平台进行气体成份检测，具体包括如下步骤：
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)初步计算步骤：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Fa；
103)零位温度补偿步骤：由于电子器件都有一定的离散性，都会受温度的影响，为了消除硬件器件自身受温度的影响，从而采用一阶拟合曲线补偿方法；
104)温度压力补偿步骤：八通道NDIR平台在不同出口气压下的补偿，以常温常压的校准点为标准，根据不同气压下获得的曲线，得到对应的压力补偿系数k；由校准点的压力补偿系数、吸收率、气压构成了一个三维曲面网格k＝G(Fa，P)，对三维曲面网格进行插值，得出不同吸收率Fa和气压P所对应的压力补偿系数k，各通道计算得到的吸收率乘以压力补偿系数后得到压力补偿吸收率Fa_C＝Fa·k＝Fa·G(Fa，P)；
温度补偿是在压力补偿的基础上进行，将当前温度与目标温度的差值ΔT＝T-T0，通过温度压力补偿转换系数转换成等效的压力差值ΔP＝ΔT·kTP，再使用压力补偿进行计算，得到最终的温度压力补偿公式：
Fa_C＝Fa·G(Fa，P+ΔP)＝Fa·G(Fa，P+ΔT·kTP)＝Fa·G(Fa，P+(T-T0)·kTp)；
其中，Fa_C为温度和压力补偿吸收率；Fa为未补偿吸收率；P为气压，单位为KPa；T为温度，单位为℃；T0为校准温度，单位为℃；k＝G(Fa，P)为压力补偿系数关于吸收率和气压的函数关系；kTp为温度压力补偿转换系数，单位为KPa/℃；
105)气体压力展宽效应补偿步骤：由于两种气体之间存在气体压力展宽效应，当两种气体共同浓度增加时，会导致其中一种气体吸收率增加，从而对气体压力展宽效应进行补偿，减少气体影响；
106)气体浓度反演步骤：将气体吸收率对校准曲线进行插值计算即可获得气体浓度。
进一步的，传感器各通道信号值由传感器采集到的信号通过滤波和abs值转换而得。
进一步的，步骤102)中的吸收率具体计算如下：根据比尔朗伯定律，八通道NDIR平台XX通道的透过率为则吸收率/>为消除共模干扰，实际计算吸收率时，各通道的透过率分别除以参考通道的透过率，得到如下公式：
其中，FaXX为XX通道的吸收率；TranXX为XX通道的透过率；VXX为XX通道的有效值，单位为count；VREF为REF通道的有效值，单位为count；VXX_zero为XX通道调零时的有效值，单位为count；VREF_zero为REF通道调零时的有效值，单位为count；XX通道为XX待测气体测量通道；
进一步的，XX通道的待测气体包括C3H8、CO2、CO、NO2、NO、SO2、H2O和REF参考气体通道。
本发明的有益效果是：
本发明八通道NDIR光学平台通过波长的红外光只能够被该通道被测气体吸收，但实际上当时的气压、温度都会对测量的精度造成影响，所以需要进行相应的补偿以更好地提高测量精确度。本发明解决CO2气体测量的高精度提高各种不同环境下(温度、湿度、气压)温室气体测量的准确性与可靠性，满足不同工况条件下环境空气CO2温室气体检测需求。
本发明能真正为碳排放评估提供精准的科学支持，同时能高效实现批量化推广和应用。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的零位温度补偿曲线图。
图3为本发明各气压下的校准曲线图。
图4为本发明各温度和气压下的校准曲线图。
图5为101KPa25℃环境下测试结果图。
图6为101KPa50℃环境下测试结果图。
图7为101KPa5℃环境下测试结果图。
图8为70KPa25℃环境下测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。应当说明的是，实施例只是对本发明的具体阐述，其目的是为了让本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，不应视为对本发明的限定。
实施例：
一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，通过八通道NDIR光学平台进行气体成份检测，具体包括如下步骤：
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；传感器各通道信号值由传感器采集到的信号通过滤波和abs值转换而得。
102)初步计算步骤：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Fa。
吸收率具体计算如下：根据比尔朗伯定律，八通道NDIR平台XX通道的透过率为则吸收率/> 为消除共模干扰，实际计算吸收率时，各通道的透过率分别除以参考通道的透过率，得到如下公式：
其中，FaXX为XX通道的吸收率；TranXX为XX通道的透过率；VXX为XX通道的有效值，单位为count；VREF为REF通道的有效值，单位为count；VXX_zero为XX通道调零时的有效值，单位为count；VREF_zero为REF通道调零时的有效值，单位为count；XX通道为XX待测气体测量通道。八通道NDIR平台中的XX通道的待测气体包括C3H8、CO2、CO、NO2、NO、SO2、H2O和REF参考气体通道。
103)零位温度补偿步骤：由于电子器件都有一定的离散性，都会受温度的影响，为了消除硬件器件自身受温度的影响，从而采用一阶拟合曲线补偿方法。如图2所示，是传感器各通道的吸收率随着温度的变化而变化的采集数据图和一阶拟合曲线，以此消除硬件器件自身受温度的影响，防止调零后零点随温度的漂移引起的测量误差。
如图2所示，是传感器各通道的吸收率随着温度的变化而变化的采集数据图和一阶拟合曲线ΔFa＝kzeroΔT，ΔFa和ΔT是以调零吸收率和温度Tzero作为基准，以一阶拟合曲线的一次项系数作为零位温度补偿系数kzero，温度T时零位温度补偿吸收率Fazero_comp＝Fa-ΔFa＝Fa-kzero(T-Tzero)。
104)温度压力补偿步骤：八通道NDIR平台在不同出口气压下的补偿，以常温常压的校准点为标准，根据不同气压下获得的曲线，得到对应的压力补偿系数k；由校准点的压力补偿系数、吸收率、气压构成了一个三维曲面网格k＝G(Fa，P)，对三维曲面网格进行插值，得出不同吸收率Fa和气压P所对应的压力补偿系数k，各通道计算得到的吸收率乘以压力补偿系数后得到压力补偿吸收率Fa_C＝Fa·k＝Fa·G(Fa，P)。
温度补偿是在压力补偿的基础上进行，将当前温度与目标温度的差值ΔT＝T-T0，通过温度压力补偿转换系数转换成等效的压力差值ΔP＝ΔT·kTP，再使用压力补偿进行计算，得到最终的温度压力补偿公式：
Fa_C＝Fa·G(Fa，P+ΔP)＝Fa·G(Fa，P+ΔT·kTP)＝Fa·G(Fa，P+(T-T0)·kTP)；
其中，Fa_C为温度和压力补偿吸收率；Fa为未补偿吸收率；P为气压，单位为KPa；T为温度，单位为℃；T0为校准温度，单位为℃；k＝G(Fa，P)为压力补偿系数关于吸收率和气压的函数关系；kTP为温度压力补偿转换系数，单位为KPa/℃。
温度压力补偿转换系数可以通过对多台八通道NDIR平台进行统计计算获取的模型计算出结果，这对NDIR平台硬件之间的一致性要求较高，这就使得硬件设计上增加温控、预加热等设计，达到先从硬件上确保系统的误差降低到最小。
105)气体压力展宽效应补偿步骤：由于两种气体之间存在气体压力展宽效应，当两种气体共同浓度增加时，会导致其中一种气体吸收率增加。以CO气体为例，两种气体共同浓度由标定数据计算得到压力展宽补偿系数KCO2_CO，CO的压力展宽补偿吸收率为/>
106)气体浓度反演步骤：将吸收率对校准曲线进行插值计算，即可获得气体浓度Con，具体公式为其中，校准曲线为校准数据n阶多项式拟合曲线，多项式第i项系数为ai。
如图5至8所示为测试结果图，显示通入不同浓度的气体，8通道NDIR平台的测量浓度与标称浓度的偏差，图中横坐标为气体标称浓度，纵坐标为气体测量浓度与标称浓度的偏差，蓝色虚线所框定的范围为允许示值误差范围，若测试结果合格，则该测试结果在图中表现为绿点，若测试结果不合格，则该测试结果在图中表现为红点。由测试结果可知本方案的测量精准度较高，能够解决在低浓度高精度的应用场景下的检测。
值得说明的是，本发明的其他技术方案均属于现有的技术，故不作赘述。
以上所述仅是本发明优选实施方式，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。
Claims (4)
1.一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，其特征在于，通过八通道NDIR光学平台进行气体成份检测，具体包括如下步骤：
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)初步计算步骤：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Fa；
103)零位温度补偿步骤：由于电子器件都有一定的离散性，都会受温度的影响，为了消除硬件器件自身受温度的影响，从而采用一阶拟合曲线补偿方法；
104)温度压力补偿步骤：八通道NDIR平台在不同出口气压下的补偿，以常温常压的校准点为标准，根据不同气压下获得的曲线，得到对应的压力补偿系数k；由校准点的压力补偿系数、吸收率、气压构成了一个三维曲面网格k＝G(Fa,P)，对三维曲面网格进行插值，得出不同吸收率Fa和气压P所对应的压力补偿系数k，各通道计算得到的吸收率乘以压力补偿系数后得到压力补偿吸收率Fa_C＝Fa·k＝Fa·G(Fa,P)；
温度补偿是在压力补偿的基础上进行，将当前温度与目标温度的差值ΔT＝T-T0，通过温度压力补偿转换系数转换成等效的压力差值ΔP＝ΔT·kTP，再使用压力补偿进行计算，得到最终的温度压力补偿公式：
Fa_C＝Fa·G(Fa,P+ΔP)＝Fa·G(Fa,P+ΔT·kTP)＝Fa·G(Fa，P+(T-T0)·kTP)；
其中，Fa_C为温度和压力补偿吸收率；Fa为未补偿吸收率；P为气压，单位为KPa；T为温度，单位为℃；T0为校准温度，单位为℃；k＝G(Fa,P)为压力补偿系数关于吸收率和气压的函数关系；kTP为温度压力补偿转换系数，单位为KPa/℃；
105)气体压力展宽效应补偿步骤：由于两种气体之间存在气体压力展宽效应，当两种气体共同浓度增加时，会导致其中一种气体吸收率增加，从而对气体压力展宽效应进行补偿，减少气体影响；
106)气体浓度反演步骤：将气体吸收率对校准曲线进行插值计算即可获得气体浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，其特征在于，传感器各通道信号值由传感器采集到的信号通过滤波和abs值转换而得。
3.根据权利要求1所述的一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，其特征在于，步骤102)中的吸收率具体计算如下：根据比尔朗伯定律，八通道NDIR平台XX通道的透过率为则吸收率/>为消除共模干扰，实际计算吸收率时，各通道的透过率分别除以参考通道的透过率，得到如下公式:
其中，FaXX为XX通道的吸收率；TranXX为XX通道的透过率；VXX为XX通道的有效值，单位为count；VREF为REF通道的有效值，单位为count；VXX_zero为XX通道调零时的有效值，单位为count；VREF_zero为REF通道调零时的有效值，单位为count；XX通道为XX待测气体测量通道。
4.根据权利要求3所述的一种基于CO2温室气体的温度压力补偿方法，其特征在于，XX通道的待测气体包括C3H8、CO2、CO、NO2、NO、SO2、H2O和REF参考气体通道。
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