CN116893154A - 一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法,将四通道红外气体传感器的一个通道作为参考通道,其他三个通道作为测量通道;向每个通道分别通入已知浓度的相同气体,每个通道通入的气体浓度不同,获得每个通道的信号值,计算每个浓度气体在每个测量通道相对于参考通道的信号比值,最终得到每个浓度气体在每个测量通道的信号比值变化率;对每个测量通道每种气体对应的信号比值变化率进行拟合,求出拟合方程的拟合系数;根据拟合系数,获得测试环境中待测气实际浓度以及第一、第二干扰气的实际浓度值。本发明可以测出当有干扰气进入时待测气真实浓度。
Description
技术领域
本发明涉及红外传感器技术领域,尤其涉及一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法。
背景技术
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 15322.12019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 340042017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,因此会产生监测干扰和报警器的误报警问题。
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,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,本发明提供了一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法,包括以下步骤:
S1、将四通道红外气体传感器的一个通道作为参考通道,其他三个通道作为测量通道;
S2、向每个通道分别通入已知浓度的相同气体,每个通道通入的气体浓度不同,获得每个通道的信号值,计算每个浓度气体在每个测量通道相对于参考通道的信号比值,最终得到每个浓度气体在每个测量通道的信号比值变化率;
S3、按照S2的方法,得到待测气和第一干扰气、第二干扰气在每个测量通道的信号比值变化率,对每个测量通道每种气体对应的信号比值变化率进行拟合,求出待测气和第一干扰气、第二干扰气信号比值变化率拟合方程的拟合系数;
S4、向每个测量通道分别通入未知浓度的S3中待测气体、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体,基于每个测量通道信号比值等于待测气、第一干扰气和/或第二干扰气在该通道的信号比值变化率累加,建立三元非线性方程组,根据所述拟合系数,获得待测气实际浓度以及第一干扰气和/或第二干扰气的实际浓度值。
进一步地,步骤S1中,测量通道对应的红外滤光波长分别为λ1、λ2、λ3,所述的参考通道滤光波长为λ0;每个测量通道的红外滤光波长光线均能被待测气、第一干扰气、第二干扰气不同程度吸收,参考通道的红外滤光波长的光线不能被待测气吸收。
进一步地,待测气为甲烷,干扰气体为乙酸和乙醇的气体。
进一步地,步骤S3中,对每个测量通道每种气体对应的信号比值变化率进行拟合,求出待测气和第一干扰气、第二干扰气信号比值变化率拟合方程的拟合系数数学公式为:
其中,y1m、y1f、y1s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的信号比值变化率,x1m、x1f、x1s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的浓度,y2m、y2f、y2s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的信号比值变化率,x2m、x2f、x2s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的浓度,y3m、y3f、y3s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的信号比值变化率,x3m、x3f、x3s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的浓度,a0m~anm、a0f~anf、a0s~ans、b0m~bnm、b0f~bnf、b0s~bns、c0m~cnm、c0f~cnf、c0s~cns为对应拟合方程拟合系数,n为拟合方程最大的阶次。
进一步地,步骤S4中,建立三元非线性方程组为:
δ1=y1m+y1f+y1s
δ2=y2m+y2f+y2s
δ3=y3m+y3f+y3s
其中,δ1、δ2、δ3为混合有未知浓度的干扰气的待测气的实测环境中,第一、第二、第三测量通道的气体信号比值;
结合S3中的对应拟合方程,当通入气体浓度已知,求得拟合系数,根据拟合系数,求解得到实测环境中待测气、第一干扰气、第二干扰气的真实浓度值。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是:
本发明提供了一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法,四通道其中三个测量通道对应的红外滤光波长分别为λ1、λ2、λ3,参考通道的红外滤光波长为λ0,基于待测气和干扰气对三个测量通道的滤光波长的光线有不同程度的吸收,参考通道的滤光波长的光线对待测气没有吸收的特点,对待测气和干扰气建立算法方程组,测出当有干扰气进入时待测气的真实浓度,解决了干扰气对待测气检测影响问题。
附图说明
图1是本发明实施例一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法的流程图。
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。
本发明实施例一种多通道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。具体地,如在家用燃气报警应用场景中,可燃气的主要成分为甲烷/丙烷,干扰气为乙酸、乙醇,由于乙酸、乙醇的红外吸收峰覆盖了甲烷/丙烷的红外吸收峰,因此在监控甲烷/丙烷泄露时,如有乙酸和/或乙醇的泄露,也会引发燃气报警。
本发明实施例一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法的流程图如图1,包括以下步骤:
S1、将四通道红外气体传感器的一个通道作为参考通道,其他三个通道作为测量通道。
测量通道对应的红外滤光波长分别为λ1、λ2、λ3,参考通道滤光波长为λ0;每个测量通道的红外滤光波长光线均能被待测气、第一干扰气、第二干扰气不同程度吸收,参考通道的红外滤光波长的光线不能被待测气吸收。
S2、向每个通道分别通入已知浓度的相同气体,每个通道通入的气体浓度不同,获得每个通道的信号值,计算每个浓度气体在每个测量通道相对于参考通道的信号比值,最终得到每个浓度气体在每个测量通道的信号比值变化率。
S3、按照S2的方法,得到待测气和第一干扰气、第二干扰气在每个测量通道的信号比值变化率,对每个测量通道每种气体对应的信号比值变化率进行拟合,求出待测气和第一干扰气、第二干扰气信号比值变化率拟合方程的拟合系数。
拟合方程为:
其中,y1m、y1f、y1s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的信号比值变化率,x1m、x1f、x1s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的浓度,y2m、y2f、y2s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的信号比值变化率,x2m、x2f、x2s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的浓度,y3m、y3f、y3s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的信号比值变化率,x3m、x3f、x3s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的浓度,a0m~anm、a0f~anf、a0s~ans、b0m~bnm、b0f~bnf、b0s~bns、c0m~cnm、c0f~cnf、c0s~cns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、向每个测量通道分别通入未知浓度的S3中待测气体、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体,基于每个测量通道信号比值等于待测气、第一干扰气和/或第二干扰气在该通道的信号比值变化率累加,建立三元非线性方程组,根据拟合系数,获得待测气实际浓度以及第一干扰气和/或第二干扰气的实际浓度值。
建立三元非线性方程组为:
δ1=y1m+y1f+y1s
δ2=y2m+y2f+y2s
δ3=y3m+y3f+y3s
其中,δ1、δ2、δ3为混合有未知浓度的干扰气的待测气的实测环境中,第一、第二、第三测量通道的所有气体信号比值变化率的和,y1m、y1f、y1s分别为实测环境中待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的信号比值变化率,y2m、y2f、y2s分别为实测环境中待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的信号比值变化率,y3m、y3f、y3s分别为实测环境中待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的信号比值变化率。
结合S3中的对应拟合方程的拟合系数,当通入气体浓度已知,可以求得拟合系数,通过求得的拟合系数求解得到待测气、第一干扰气、第二干扰气的真实浓度值。
关于拟合方程是一个关于气体浓度的n次方程,待测气通入第一测量通道的拟合方程为:
本实施例中,将4个不同浓度待测气分别通入第一测量通道,得到四组浓度与信号比值变化率的值,可以求得关于待测气通入第一测量通道的3次拟合方程的系数a0m、a1m、a2m、a3m。
进一步的实施例中,待测气为甲烷,干扰气体为乙酸、乙醇的气体,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;当待测环境中有干扰气乙酸或乙醇时,与双通道红外气体传感器相比,四通道红外气体传感器能监测干扰气而不至于误报警。根据国家标准《GB15322.2-2019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
进一步的实施例中,待测气为丙烷,干扰气体为乙酸、乙醇的气体,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;当待测环境中有干扰气乙酸或乙醇时,与双通道红外气体传感器相比,四通道红外气体传感器能监测干扰气而不至于误报警。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 (5)
1.一种四通道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、将四通道红外气体传感器的一个通道作为参考通道,其他三个通道作为测量通道;
S2、向每个通道分别通入已知浓度的相同气体,每个通道通入的气体浓度不同,获得每个通道的信号值,计算每个浓度气体在每个测量通道相对于参考通道的信号比值,最终得到每个浓度气体在每个测量通道的信号比值变化率;
S3、按照S2的方法,得到待测气和第一干扰气、第二干扰气在每个测量通道的信号比值变化率,对每个测量通道每种气体对应的信号比值变化率进行拟合,求出待测气和第一干扰气、第二干扰气信号比值变化率拟合方程的拟合系数;
S4、向每个测量通道分别通入未知浓度的S3中待测气体、第一干扰气和/或第二干扰气的混合气体,基于每个测量通道信号比值等于待测气、第一干扰气和/或第二干扰气在该通道的信号比值变化率累加,建立三元非线性方程组,根据所述拟合系数,获得待测气实际浓度以及第一干扰气和/或第二干扰气的实际浓度值。
2.根据权利要求1所述的一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法,其特征在于,步骤S1中,测量通道对应的红外滤光波长分别为λ1、λ2、λ3,所述的参考通道滤光波长为λ0;每个测量通道的红外滤光波长光线均能被待测气、第一干扰气、第二干扰气不同程度吸收,参考通道的红外滤光波长的光线不能被待测气吸收。
3.根据权利要求1所述的一种四通道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,干扰气体为乙酸、乙醇的气体的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法,其特征在于,步骤S3中,对每个测量通道每种气体对应的信号比值变化率进行拟合,求出待测气和第一干扰气、第二干扰气信号比值变化率拟合方程的拟合系数数学公式为:
其中,y1m、y1f、y1s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的信号比值变化率,x1m、x1f、x1s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第一测量通道的浓度,y2m、y2f、y2s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的信号比值变化率,x2m、x2f、x2s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第二测量通道的浓度,y3m、y3f、y3s分别为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的信号比值变化率,x3m、x3f、x3s为待测气、第一干扰气、第二干扰气在第三测量通道的浓度,a0m~anm、a0f~anf、a0s~ans、b0m~bnm、b0f~bnf、b0s~bns、c0m~cnm、c0f~cnf、c0s~cns为对应拟合方程拟合系数,n为拟合方程最大的阶次。
5.根据权利要求4所述的一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法,其特征在于,步骤S4中,建立三元非线性方程组为:
δ1=1m+1f+1s
δ2=y2m+y2f+y2s
δ3=y3m+y3f+y3s
其中,δ1、δ2、δ3为混合有未知浓度的干扰气的待测气的实测环境中,第一、第二、第三测量通道的气体信号比值;
结合S3中的对应拟合方程,当通入气体浓度已知,求得拟合系数,根据拟合系数,求解得到实测环境中待测气、第一干扰气、第二干扰气的真实浓度值。
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2023
- 2023-06-19 CN CN202310733222.3A patent/CN116893154A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117288711A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-26 | 四方光电股份有限公司 | 一种动力电池的漏液监控装置及监控方法 |
CN117288711B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-03-19 | 四方光电股份有限公司 | 一种动力电池的漏液监控装置及监控方法 |
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