CN116893153A - 一种红外气体传感器及红外气体传感器抗干扰检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外气体传感器及红外气体传感器抗干扰检测方法，该传感器包括多通道探测器，多通道探测器的第一测量通道的红外滤光波长为λ1，能被待测气、第一干扰气以及第二干扰气吸收，第二测量通道的红外滤光波长为λ2，能被第一干扰气吸收，第三测量通道的滤光波长为λ3，能被第二干扰气吸收，还包括用于检测第二干扰气的第四参比通道，本方案通过首先计算待测气和干扰气信号值变化率或信号值比值变化率，并和对应气体浓度进行拟合，求拟合系数，计算出干扰气对待测气的干扰浓度值，求出干扰气对待测气的干扰系数，最后得到待测气体的实际浓度。本发明解决了不同波长光线吸收的第一干扰气和/或第二干扰气存在时对待测气检测的干扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及红外传感器技术领域，尤其涉及一种红外气体传感器及红外气体传感器抗干扰检测方法。
背景技术
根据《2020年城乡建设统计年鉴》数据显示，全国燃气用户共计约3.03亿户。对于燃气报警器来说，传感器是报警器的“心脏”，传感器的质量决定了报警器的质量。
目前市场上的燃气报警器基本采用半导体气体传感器及催化燃烧气体传感器，半导体气体传感器具有成本低、体积小等特点，但其随着时间的推移、温湿度的变化，传感器的灵敏度会出现大幅度衰减，从而造成测量误差放大，测试结果不准确；催化燃烧气体传感器的优点是对气体的选择性好，线性好，响应快，缺点是信号非常容易漂移，敏感元件易受有机硅、铅、硫和氯化物等侵蚀后其特性锐减，灵敏度大幅下降，另不抗振动，运输容易造成金属丝断裂，常规寿命只有0.5-2年；现有的红外光学原理的气体传感器因具有可靠性高、精度高、选择性好、抗中毒、寿命长、受环境影响小等优点而广泛应用。特别地，在家用燃气监测报警领域，根据国家标准《GB 15322.1 2019可燃气体探测器第1部分：工业及商业用途点型可燃气体探测器》，对于干扰气体浓度要求是30min内6000ppm的乙酸或2000ppm的乙醇；根据国家标准国家标准《GB/T 34004 2017家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》，对于干扰气体浓度要求是3min内1000ppm的乙酸或6000ppm的乙醇；在实际测量时明确可燃气传感器需要具备抗乙酸和乙醇气体的能力，然而，由于挥发的乙醇、乙酸气体红外吸收波长与可燃气的主要特征气甲烷/丙烷吸收波长高度重合，因此红外单通道甲烷/丙烷传感器在监测时，会受到干扰气乙酸、乙醇的干扰，从而使报警器产生误报警。
为此，现有技术有采用红外原理和其他技术原理的联合检测技术来解决上述干扰问题，如专利文献CN111982850A公开了一种传感器阵列用于红外抗乙酸干扰的检测装置及方法，利用催化燃烧式传感器对乙酸无响应性这一特点，通过红外甲烷传感器和催化燃烧式传感器联合检测的方式解决乙酸干扰对红外甲烷传感器的影响，然而催化燃烧式传感器寿命短，测量时容易出现漂移，而且这种双传感器联合检测方案案只能在单一气体环境(如只有乙酸或只有甲烷的气体环境)中实现抗乙酸干扰，在同时存在甲烷和乙酸等复杂气体环境中无法实现抗干扰检测；再如专利文献CN115901663A公开了一种红外气体探测系统，亦采用红外传感器、催化燃烧传感器和乙酸气体探测装置联合来检测，实现对乙酸的抗干扰，具体方法为，乙酸气体探测装置获取乙酸信号用于表征所述气体中乙酸气体成分的浓度；基于红外和催化燃烧对乙酸不同敏感程度两个传感器，获取对含乙酸的甲烷气体的两个不同探测信号，根据乙酸探测信号来从两个探测信号中选择得到优选探测信号并显示，能够实现抗乙酸干扰的甲烷混合气检测，但该方案未能解决乙醇的抗干扰检测，同时采用三个不同原理的气体传感器测量成本高。
因此，急需一种可适应复杂气体环境中，能够抗乙酸、乙醇干扰检测的高精度、低成本的红外气体传感器解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种红外气体传感器及红外气体传感器抗干扰检测方法，其中的一种红外气体传感器，包括气室、光源、电路板，其特征在于，还包括多通道探测器；
所述气室，用于供气体流过；
所述光源，用于对气室发射光线；
所述多通道探测器包括第一测量通道、第二测量通道以及第三测量通道，所述第一测量通道的红外滤光波长为λ1，能被待测气、第一干扰气以及第二干扰气吸收，用于检测含第一和/或第二干扰气的待测气的浓度；所述第二测量通道的红外滤光波长为λ2，能被第一干扰气吸收，用于检测第一干扰气的浓度；
所述第三测量通道的滤光波长为λ3，能被第二干扰气吸收，用于检测第二干扰气的浓度；
所述电路板，与所述光源和所述多通道探测器连接，且所述电路板包括处理器，用于将所述的多通道探测器接收的光信号转化为电信号，并对电信号进行处理，得到测量结果。
进一步地，所述的多通道探测器还包括第四参比通道，所述的第四参比通道是用于检测第二干扰气浓度时的参比通道。
进一步地，探测器为热电堆/热释电探测器。
一种红外气体传感器抗干扰检测方法，包括以下步骤：
S1、红外气体传感器的多通道探测器的第一测量通道检测含第一和/或第二干扰气的待测气浓度，第二测量通道检测第一干扰气浓度，第三测量通道检测第二干扰气浓度；
S2、向每个通道通入已知浓度的待测气、第一干扰气、第二干扰气，每个通道通入的气体浓度不同，获得每个通道的信号值，计算待测气、第一干扰气、第二干扰气在每个通道的信号值或信号值比值变化率；
S3、按照S2的方法，得到待测气和第一干扰气、第二干扰气的在对应通道上的信号值变化率或比值变化率，对应通道的信号值变化率或信号值比值变化率和对应气体浓度进行拟合，并求拟合系数；
S4、根据S3得到的拟合系数，计算出第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰浓度值，将已知的第一干扰气浓度值、第二干扰气浓度值和干扰浓度值进行拟合，求出第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰系数；
S5、向每个测量通道通入未知浓度的待测气、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体，根据待测气体对应通道的信号值下降和S2中的待测气拟合系数，计算出混合有干扰气体的待测气的初始浓度，减去第一干扰气和/或第二干扰气对待测气的干扰浓度，得到待测气体的实际浓度。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明提供的方法首先计算待测气和干扰气信号比值变化率，并和对应气体浓度进行拟合，求拟合系数，计算出干扰气对待测气的干扰浓度值，求出干扰气对待测气的干扰系数，最后得到待测气体的实际浓度。本发明解决了不同波长光线吸收的第一干扰气和/或第二干扰气进入待测气时，测出待测气的真实浓度的问题。
附图说明
图1是本发明实施例一种红外传感器抗干扰检测方法的流程图；
图2是本发明实施例一种红外传感器的结构图，图中标号解释：防水过滤膜1、气室2、气室盖3、气室保护膜4、四通道探测器5、光源6、电路板7、设置在气体盖3上的避空孔8、避空孔9，以及设置在气室保护膜4上的避空孔10、避空孔11。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明实施例的一种红外气体传感器包括气室、光源、电路板，还包括多通道探测器；
气室，用于供气体流过；
光源，用于对气室发射光线；
多通道探测器为热电堆/热释电探测器，包括第一测量通道、第二测量通道以及第三测量通道，第一测量通道的红外滤光波长为λ1，能被待测气、第一干扰气以及第二干扰气吸收，用于检测含第一和/或第二干扰气的待测气的浓度；第二测量通道的红外滤光波长为λ2，能被第一干扰气吸收，用于检测第一干扰气的浓度；第三测量通道的滤光波长为λ3，能被第二干扰气吸收，用于检测第二干扰气的浓度；
电路板，与光源和多通道探测器连接，且电路板包括处理器，用于将的多通道探测器接收的光信号转化为电信号，并对电信号进行处理，得到测量结果。
本发明的另一个实施例中，红外气体传感器的多通道探测器包括第一测量通道、第二测量通道以及第三测量通道，还包括第四参比通道，第四参比通道是用于检测第二干扰气浓度时的参比通道。
进一步实施例的一种红外气体传感器其结构图如图2所示，包括防水过滤膜1、气室2、气室盖3、气室保护膜4、四通道探测器5、光源6、电路板7、设置在气体盖3上的避空孔8、避空孔9，以及设置在气室保护膜4上的避空孔10、避空孔11。其中，可以不需要防水过滤膜1和气室保护膜4。
气室5，用于供气体流过；
光源6，用于对气室发射光线；
四通道探测器5，其用于接收气体的光信号，四通道探测器5为四通道的热电堆/热释电探测器。
电路板7，与光源6和四通道探测器5连接，且电路板7包括处理器，用于将四通道探测器接收的光信号转化为电信号，并对电信号进行处理，得到待测气的浓度。
避空孔8、避空孔10用于四通道探测器5安装穿过；避空孔9、避空孔11用于光源6安装穿过。
本发明实施例一种红外传感器抗干扰检测方法，来解决由于干扰气的红外吸收峰覆盖了待测气的红外吸收峰待测，导致干扰气对待测气的测量影响问题。本发明实施例一种红外传感器抗干扰检测方法的流程图如图1，包括以下步骤：
S1、红外气体传感器的多通道探测器的第一测量通道检测含第一和/或第二干扰气的待测气浓度，第二测量通道检测第一干扰气浓度，第三测量通道检测第二干扰气浓度。
第一测量通道的红外滤光波长为λ1，能被待测气、第一干扰气以及第二干扰气吸收，用于检测含第一和/或第二干扰气的待测气的浓度；第二测量通道的红外滤光波长为λ2，能被第一干扰气吸收，用于检测第一干扰气的浓度；第三测量通道的滤光波长为λ3，能被第二干扰气吸收，用于检测第二干扰气的浓度。
S2、向每个通道通入已知浓度的待测气、第一干扰气、第二干扰气，每个通道通入的气体浓度不同，获得每个通道的信号值，计算待测气、第一干扰气、第二干扰气在每个通道的信号值变化率或信号值比值变化率。
S3、按照S2的方法，得到待测气和第一干扰气、第二干扰气的在对应通道上的信号值变化率或比值变化率，对应通道的信号值变化率或信号值比值变化率和对应气体浓度进行拟合，并求拟合系数。
拟合方程为：
其中，y1，y2，y3分别为已知浓度的待测气和第一干扰气、第二干扰气的浓度，x1为待测气对应的第一测量通道的信号值比值变化率，x2为第一干扰气对应的第二测量通道的信号值比值变化率，x3是第二干扰气对应第三测量通道的信号值比值变化率，a0～an、b0～bn、c0～cn为对应拟合方程的拟合系数，n为拟合方程最大的阶次，通过以上方程，求出各拟合系数。
S4、根据S3得到的拟合系数，计算出第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰浓度值，将已知的第一干扰气浓度值、第二干扰气浓度值和干扰浓度值进行拟合，求出第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰系数。
求干扰系数的拟合方程为：
其中，y21，y31分别为计算的第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰浓度值，y2，y3分别为已知的第一干扰气、第二干扰气的浓度，d0～dn、e0～en为对应拟合方程的干扰系数，n为拟合方程最大的阶次，通过以上方程，求出各干扰系数。
S5、向每个测量通道通入未知浓度的待测气、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体，根据待测气体对应通道的信号值下降和S2中的待测气拟合系数，计算出混合有干扰气体的待测气的初始浓度，减去第一干扰气和/或第二干扰气对待测气的干扰浓度，得到待测气体的实际浓度。
计算公式为：
y4＝y1-y21-y31
其中，y4为通入未知浓度待测气体的实际浓度，y1是混合有干扰气体的待测气体的初始浓度，y21，y31分别为未知浓度第一干扰气、第二干扰气对通入的未知浓度待测气的干扰浓度值。
另一个方法的实施例中，红外气体传感器的多通道探测器除了第一测量通道、第二测量通道、第三测量通道外还包括用于检测第二干扰气的第四参比通道。对应通道的信号值变化率或信号值比值变化率和对应气体浓度进行拟合的拟合方程为：
其中，y1，y2，y3分别为已知浓度的待测气和第一干扰气、第二干扰气的浓度，x1为待测气对应的第一测量通道的信号值变化率，x2是第一干扰气对应的第二测量通道的信号值变化率，x3，4是第二干扰气对应第三测量通道和第四参比通道的信号比值变化率，a0～an、b0～bn、c0～cn为对应拟合方程的拟合系数，n为拟合方程最大的阶次，通过以上方程，求出各拟合系数。其他步骤和上述方法一致。
在包括第四参比通道的实施例的进一步实施例中，待测气为甲烷或丙烷，第一干扰气体为乙酸，第二干扰气为乙醇。
下面是进行的实验验证上述方法。比较双通道探头的红外传感器和四通道探头的红外传感器的抗乙酸、乙醇干扰测试结果如表1，其中双通道探头为一测量通道和一参考通道探头。可以看到，当待测环境中出现甲烷时，双通道和四通道均可以准确监测到甲烷；当待测环境中有不同浓度干扰气乙酸或乙醇时，与双通道红外气体传感器相比，基于四通道红外气体传感器的报警器不会误报警。根据国家标准《GB 15322.2 2019可燃气体探测器第2部分：家用可燃气体探测器》及国家标准《GB/T 34004 2017家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》要求，在乙酸乙醇有干扰的情况下，要求不出现报警信号；结合报警器的报警信号设置为5％-25％LEL，得到干扰信号不能超过5％LEL，即0.25％；通过表1测量数据所示，运用双通道传感器测量，乙酸/乙醇在浓度超过1800ppm时，甲烷浓度超过0.25％，不满足上述标准要求；运用四通道传感器测量，乙酸/乙醇在浓度6000ppm时，甲烷浓度＜0.25％，能满足上述标准要求。
表1
另一个实验中，待测气为丙烷，干扰气体为乙酸、乙醇的气体，其中，4通道探测器的第一通道的滤光波长的光线均能被丙烷和乙酸、乙醇吸收，第二通道的滤光波长的光线只能被乙酸吸收，第三通道和第四通道的滤光波长的光线均不能被乙醇吸收。
比较双通道探头的红外传感器和四通道探头的红外传感器的抗乙酸、乙醇干扰测试结果如表2，可以看到，当待测环境中出现丙烷时，双通道和四通道均可以准确监测到丙烷；当待测环境中有不同浓度干扰气乙酸或乙醇时，与双通道红外气体传感器相比，基于四通道红外气体传感器的报警器不会误报警。根据国家标准《GB 15322.2 2019可燃气体探测器第2部分：家用可燃气体探测器》及国家标准《GB/T 34004 2017家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》要求，在乙酸乙醇有干扰的情况下，要求不出现报警信号；结合报警器的报警信号设置为5％-25％LEL，得到干扰信号不能超过5％LEL，即0.1％；通过表2测量数据所示，运用双通道传感器测量，乙酸/乙醇在浓度超过1800ppm时，丙烷浓度超过0.1％，不满足上述标准要求；运用四通道传感器测量，乙酸/乙醇在浓度6000ppm时，丙烷浓度＜0.1％，能满足上述标准要求。
表2
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种红外气体传感器，包括气室、光源、电路板，其特征在于，还包括多通道探测器；
所述气室，用于供气体流过；
所述光源，用于对气室发射光线；
所述多通道探测器包括第一测量通道、第二测量通道以及第三测量通道，所述第一测量通道的红外滤光波长为λ1，能被待测气、第一干扰气以及第二干扰气吸收，用于检测含第一和/或第二干扰气的待测气的浓度；所述第二测量通道的红外滤光波长为λ2，能被第一干扰气吸收，用于检测第一干扰气的浓度；所述第三测量通道的滤光波长为λ3，能被第二干扰气吸收，用于检测第二干扰气的浓度；
所述电路板，与所述光源和所述多通道探测器连接，且所述电路板包括处理器，用于将所述的多通道探测器接收的光信号转化为电信号，并对电信号进行处理，得到测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种红外气体传感器，其特征在于，所述的多通道探测器还包括第四参比通道，所述的第四参比通道是检测第二干扰气浓度时的参比通道。
3.根据权利要求1或2所述的一种红外气体传感器，其特征在于，探测器为热电堆/热释电探测器。
4.一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、红外气体传感器的多通道探测器的第一测量通道检测含第一和/或第二干扰气的待测气浓度，第二测量通道检测第一干扰气浓度，第三测量通道检测第二干扰气浓度；
S2、向每个通道通入已知浓度的待测气、第一干扰气、第二干扰气，每个通道通入的气体浓度不同，获得每个通道的信号值，计算待测气、第一干扰气、第二干扰气在每个通道的信号值变化率；
S3、按照S2的方法，得到待测气和第一干扰气、第二干扰气在对应通道上的信号值变化率，将对应通道的信号值变化率和对应气体浓度进行拟合，并求拟合系数；
S4、根据S3得到的拟合系数，计算出第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰浓度值，将已知的第一干扰气浓度值、第二干扰气浓度值和干扰浓度值进行拟合，求出第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰系数；
S5、向每个测量通道通入未知浓度的待测气、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体，根据待测气体对应通道的信号值下降和S2中的待测气拟合系数，计算出混合有干扰气体的待测气的初始浓度，减去第一干扰气和/或第二干扰气对待测气的干扰浓度，得到待测气体的实际浓度。
5.根据权利要求4所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一测量通道的红外滤光波长为λ1，能被待测气、第一干扰气以及第二干扰气吸收，用于检测含第一和/或第二干扰气的待测气的浓度；所述第二测量通道的红外滤光波长为λ2，能被第一干扰气吸收，用于检测第一干扰气的浓度；所述第三测量通道的滤光波长为λ3，能被第二干扰气吸收，用于检测第二干扰气的浓度。
6.根据权利要求5所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述的红外气体传感器的多通道探测器还包括用于检测第二干扰气的第四参比通道。
7.根据权利要求5所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，步骤S3中，对应通道的信号值变化率和对应气体浓度进行拟合的拟合方程为：
其中，y1，y2，y3分别为已知浓度的待测气和第一干扰气、第二干扰气的浓度，x1为待测气对应第一测量通道的信号值变化率，x2是第一干扰气对应的第二测量通道的信号值变化率，x3是第二干扰气对应第三测量通道的信号值变化率，a0～an、b0～bn、c0～cn为对应拟合方程的拟合系数，n为拟合方程最大的阶次，通过以上方程，求出各拟合系数。
8.根据权利要求6所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，步骤S3中，对应通道的信号值变化率或信号值比值变化率和对应气体浓度进行拟合的拟合方程为：
其中，y1，y2，y3分别为已知浓度的待测气和第一干扰气、第二干扰气的浓度，x1为待测气对应的第一测量通道的信号值变化率，x2是第一干扰气对应的第二测量通道的信号值变化率，x3，4是第二干扰气对应的第三测量通道和第四参比通道的信号比值变化率，a0～an、b0～bn、c0～cn为对应拟合方程的拟合系数，n为拟合方程最大的阶次，通过以上方程，求出各拟合系数。
9.根据权利要求7或8所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，步骤S4中，求干扰系数的拟合方程为：
其中，y21，y31分别为计算的第一干扰气、第二干扰气对待测气的干扰浓度值，y2，y3分别为已知的第一干扰气、第二干扰气的浓度，d0～dn、e0～en为对应拟合方程的干扰系数，n为拟合方程最大的阶次，通过以上方程，求出各干扰系数。
10.根据权利要求9所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，步骤S5中，向每个测量通道分别通入未知浓度的待测气、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体，根据待测气体对应通道的信号值下降和S2中的待测气拟合系数，计算出混合有干扰气体的待测气的初始浓度，减去第一干扰气和/或第二干扰气对待测气的干扰浓度，得到待测气体的实际浓度。
计算公式为：
y4＝y1-y21-y31
其中，y4为通入未知浓度待测气体的实际浓度，y1是混合有干扰气体的待测气体的初始浓度，y21，y31分别为未知浓度第一干扰气、第二干扰气对通入的未知浓度待测气的干扰浓度值。
11.根据权利要求6所述的一种红外气体传感器抗干扰检测方法，其特征在于，待测气为甲烷或丙烷，第一干扰气体为乙酸，第二干扰气为乙醇。
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