CN117679009A - 一种气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例属于气体浓度检测技术领域，涉及一种气体浓度检测装置，包括：红外光源、气室、红外探测器、加热组件和处理单元；所述红外光源和所述红外探测器分别位于所述气室的两端，所述处理单元与所述红外探测器电连接；其中，所述加热组件设置于所述红外探测器外部，所述加热组件与所述处理单元连接，所述处理单元用于利用所述加热组件加热所述红外探测器的探头处的外围温度至预设温度值并维持在恒温状态，所述预设温度值高于环境温度值。本申请提供的技术方案能够避免环境温度变化对NDI R气体传感器的测量精度的影响。

Description

一种气体浓度检测装置

技术领域

本申请涉及气体浓度检测技术领域，更具体地，涉及一种气体浓度检测装置。

背景技术

气体浓度测量的气体分析仪主要有电化学传感器原理方案和非分散红外(Non-dispersive Infra-red，NDIR)传感器原理方案。电化学方案优点是输出线性度好，重复性和精度也非常好，但是响应的速度慢，传感器使用寿命短，老化会有着明显飘移，因此在一些需要快速响应和长期使用的场景中，如肺功能检测中多使用NDIR方案。NDIR气体传感器主要包括红外光源、气室和红外探测器。红外光源发出的红外光束穿过气室，气室中被测气体中的各气体组分吸收特定频率的红外线之后，通过红外探测器测量相应频率的红外线吸收量，依据朗伯比尔定律，便可确定该气体组分的浓度。

目前，NDIR气体传感器按照红外探测器的类别主流的有热电堆NDIR传感器和热释电NDIR传感器。热电堆传感器使用热电偶来检测气体分子中的温度变化，产生热电势，热电偶的输出电压取决于热电偶结与基准结之间的温度差。最终生成与特定待检测气体浓度成比例的电压输出。热释电传感器的检测原理是利用热释电效应，通过检测接收到的红外辐射量变化来创建输出电压。红外线射入传感器后，会发生温度变化，使感应元件的表面温度上升，并通过热电效应产生表面电荷。将产生的表面电荷作为传感器内部元件的电信号进行采集后，用作输出信号。

综上所述，无论是热电堆气体传感器还是热释电气体传感，它们对都是通过检测气体吸收红外光，红外光的变化又在红外探测器端产生温度的变化，最终红外探测器再将温度的变化，转变为电信号的变化。因此NDIR气体传感器都对环境温度非常的敏感，如果环境的温度变化导致了红外探测器处的温度同时产生变化，就会影响NDIR气体传感器的测量精度。

发明内容

本申请实施例所要解决的技术问题是如何避免环境温度变化对NDIR气体传感器的测量精度的影响。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种气体浓度检测装置，采用了如下所述的技术方案，包括：

红外光源、气室、红外探测器、加热组件和处理单元；

该红外光源和该红外探测器分别位于该气室的两端，该处理单元与该红外探测器电连接；

其中，该加热组件设置于该红外探测器外部，该加热组件与该处理单元连接，该处理单元用于利用该加热组件加热该红外探测器的探头处的外围温度至预设温度值并维持在恒温状态，该预设温度值高于环境温度值。

在一些可能的实施例中，该加热组件通过恒流源电路供电，该处理单元与该恒流源电路连接。

在一些可能的实施例中，该加热组件还包括导热筒和加热丝，该导热筒为中空结构并围设该红外探测器于其中，该加热丝绕设在该导热筒的外周面上并与该恒流源电路连接，该处理单元具体用于通过该恒流源电路对该加热丝进行加热控制。

在一些可能的实施例中，该加热组件还包括磁环，该红外探测器包括探头、管脚和基板，该管脚焊接在该基板上，该导热筒的下端面和该基板之间还设置有该磁环，该磁环为中空结构并围设该管脚于其中。

在一些可能的实施例中，该加热组件还包括隔热环，该隔热环设置于该导热筒和该磁环之间。

在一些可能的实施例中，该基板为陶瓷基板。

在一些可能的实施例中，该气体浓度检测装置还包括环境温度传感器，该处理单元与该温度传感器连接，该处理单元还用于根据环境温度设置该预设温度值。

在一些可能的实施例中，该加热组件还包括温度检测探头，该导热筒的壳壁设置有凹槽，该温度检测探头设置于该凹槽中，该处理单元还用于根据该温度检测探头反馈的实时温度，对该加热组件的加热过程进行反馈调节控制。

在一些可能的实施例中，该红外探测器为热释电红外探测器或热电堆红外探测器。

在一些可能的实施例中，该气体浓度检测装置应用于肺功能仪中。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

本申请实施例中的气体浓度检测装置，通过在红外探测器的探头外部设置加热组件。之后，利用处理单元对该加热组件的加热过程进行控制，使其加热该红外探测器的探头处的外围温度至预设温度值并维持在恒温状态，且该预设温度值高于环境温度值。这样环境温度的变化也就无法影响探头内部的红外感光元件的温度，从而避免了对气体浓度测量的影响。同时也能使探测器更快的达到温度平衡、稳定，减短了系统的预热时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种气体浓度检测装置的一个实施例示意图；

图2为本申请实施例的加热组件的一个实施例示意图；

图3为本申请实施例的加热组件的一个爆炸图示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

具体参照图1，图1为本申请实施例中一种气体浓度检测装置的一个实施例示意图，包括：

红外光源110、气室120、红外探测器130、加热组件140和处理单元150；

该红外光源110和该红外探测器130分别位于该气室120的两端，该处理单元150与该红外探测器130电连接；

其中，该加热组件140设置于该红外探测器130外部，该加热组件140与该处理单元150连接，该处理单元150用于利用该加热组件140加热该红外探测器130的探头处的外围温度至预设温度值并维持在恒温状态，该预设温度值高于环境温度值。

本实施例中，该气体浓度检测装置为NDIR气体传感器，该气体浓度检测装置包括红外光源110、气室120、红外探测器130、加热组件140和处理单元150。该红外光源110和该红外探测器130分别位于该气室120的两端。

其中，红外光源110的外围为光源供电电路，用于对红外光源110进行供电以及设置光源的供电功率。红外探测器130的外围为探测器信号处理电路，用于采集红外探测器130的电信号以及对电信号进行模数转换。加热组件140的外围为温度采集与控制电路，用于获取加热组件140的温度以及设置加热组件140的加热功率。处理单元150可以是微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)，且与光源供电电路、探测器信号处理电路和温度采集与控制电路分别连接，以实现光源功率调制、红外探测器130电信号的处理以及加热组件140加热过程的控制等功能。

在设备启动运行时，处理单元150可以控制红外光源110发出多种波长的红外光线，该红外光线通过气室120，且该红外光线中特定波长的红外光在经气室120中的被测气体的特定组分气体吸收后，照射在红外探测器130的红外感光元件上。该红外光线可以是单光束多波长，或多光束多波长的红外光。该气室120具有狭长中空的气流通道结构，且设置有进气口和出气口，并通过进气口吸入被测气体，从出气口排出。该红外探测器130在被特定波长的红外光线照射后，生成与光辐射强度对应的电信号并向处理单元150上报，后续处理单元150可以通过该电信号计算得到该特定组分气体在被测气体中的浓度。

为了避免红外探测器130的探测精度受周围环境温度变化的影响，在红外探测器130的探头外部设置该加热组件140，处理单元150通过温度采集与控制电路设置加热组件140的加热功率，控制加热组件140将探头外部环境的温度加热至预设温度值。之后可以不断采集加热组件140的温度，对加热功率进行调节，使探头外部环境的温度一直处于预设温度值的恒温状态。并且，该预设温度值高于环境温度值。这样环境温度的变化也就无法影响探头内部的红外感光元件的温度，从而避免了对气体浓度测量的影响。同时也能使探测器更快的达到温度平衡、稳定，减短了系统的预热时间。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

本申请实施例中的气体浓度检测装置，通过在红外探测器130的探头外部设置加热组件140。之后，利用处理单元150对该加热组件140的加热过程进行控制，使其加热该红外探测器130的探头处的外围温度至预设温度值并维持在恒温状态，且该预设温度值高于环境温度值。这样环境温度的变化也就无法影响探头内部的红外感光元件的温度，从而避免了对气体浓度测量的影响。同时也能使探测器更快的达到温度平衡、稳定，减短了系统的预热时间。

在一些可能的实施例中，该加热组件140通过恒流源电路供电，该处理单元150与该恒流源电路连接。

本实施例中，上述的温度采集与控制电路可以为恒流源电路，处理单元150通过该恒流源电路设置加热功率，实现对加热组件140加热过程的控制。

在一些可能的实施例中，进一步参照图2和图3，图2为加热组件140的一个实施例示意图，图3为加热组件140的爆炸图。其中，该加热组件140还包括导热筒141和加热丝142，该导热筒141为中空结构并围设该红外探测器130于其中，该加热丝142绕设在该导热筒141的外周面上并与该恒流源电路连接，该处理单元150具体用于通过该恒流源电路对该加热丝142进行加热控制。

本实施例中，导热筒141可以为中空的金属筒材质，套设在红外探测器130的探头131外部，加热丝142绕设在该导热筒141的外周面，并与恒流源电路连接。在向加热丝142导电后，加热丝142产生热量并传递至导热筒141的金属外壳，从而以缓慢传导的方式将热量传达至红外探测器130的探头131处。相比将加热丝142直接缠绕在红外探测器130上的方式，避免了闭环控制的超调或者振荡对探头131温度波动带来的影响。

在一些可能的实施例中，进一步参照图2和图3，该加热组件140还包括磁环143，该红外探测器130包括探头131、管脚132和基板133，该管脚132焊接在该基板133上，该导热筒141的下端面和该基板133之间还设置有该磁环143，该磁环143为中空结构并围设该管脚132于其中。

本实施例中，红外探测器130包括探头131、管脚132和基板133，探头131与管脚132相连，管脚132焊接在基板133上，基板133上承载有各种控制电路。导热筒141包裹探头131，且导热筒141的下端面和基板133之间设置磁环143，磁环143为中空结构并围设该管脚132于其中。通过设置磁环143，一方面可以将红外探测器130探头131处的导热筒141与陶瓷基板133拉开一段距离方便金属管脚132散热，避免基板133上的信号处理部分受到温度影响，另一方面也可以阻隔外来电磁辐射的干扰影响。

在一些可能的实施例中，进一步参照图2和图3，该加热组件140还包括隔热环144，该隔热环144设置于该导热筒141和该磁环143之间。

本实施例中，进一步的，在该导热筒141和该磁环143还可以设置隔热环144，该隔热环144可以是塑料材质或者其他的隔热材料，通过采用隔热环144，可以避免温度过快的传导到红外探测器130下部信号端的金属管脚132，影响基板133上信号处理电路信号的稳定性。

在一些可能的实施例中，该基板133为陶瓷基板。

本实施例中，该基板133可以为陶瓷基板，相比普通板材，陶瓷基板具有高导热性，能提供更好的信号传输质量，体积可以做到更小。

在一些可能的实施例中，该气体浓度检测装置还包括环境温度传感器，该处理单元150与该温度传感器连接，该处理单元150还用于根据环境温度设置该预设温度值。

具体的，处理单元150还可以与环境温度传感器之间电连接，获取环境温度值。之后，处理单元150可以通过预设的映射表，确定与当前环境温度对应的预设温度值。具体该映射表中可以设定不同环境温度下，所对应的预设温度值。例如，具体可以设定环境温度处于不同的温度区间内，采用不同的预设温度值，例如环境温度在16°-20°时，预设温度值设置为24°；环境温度在21°-25°时，预设温度值设置为30°。

在一些可能的实施例中，该加热组件140还包括温度检测探头145，该导热筒141的壳壁设置有凹槽1411，该温度检测探头145设置于该凹槽1411中，该处理单元150还用于根据该温度检测探头145反馈的实时温度，对该加热组件140的加热过程进行反馈调节控制。

本实施例中，该加热组件140中还可以包括温度检测探头145，该温度检测探头145可以是热敏电阻或热敏元件，导热筒141的壳壁上可以设置有凹槽1411，该温度检测探头145可以设置于该凹槽1411中。且该温度检测探头145与温度采集与控制电路连接，从而该处理单元150可以根据该温度检测探头145反馈的实时温度，对该加热组件140的加热过程进行反馈调节控制，维持导热筒141的温度恒定。

在一些可能的实施例中，该红外探测器130为热释电红外探测器或热电堆红外探测器。

在一些可能的实施例中，该气体浓度检测装置应用于肺功能仪中。

本实施例中，该气体浓度检测装置应用于肺功能仪中，例如可以应用在肺功能仪的弥散测试组件中，对一氧化碳、甲烷等气体进行浓度测量。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体浓度检测装置，其特征在于，包括：

红外光源、气室、红外探测器、加热组件和处理单元；

所述红外光源和所述红外探测器分别位于所述气室的两端，所述处理单元与所述红外探测器电连接；

其中，所述加热组件设置于所述红外探测器外部，所述加热组件与所述处理单元连接，所述处理单元用于利用所述加热组件加热所述红外探测器的探头处的外围温度至预设温度值并维持在恒温状态，所述预设温度值高于环境温度值。

2.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述加热组件通过恒流源电路供电，所述处理单元与所述恒流源电路连接。

3.根据权利要求2所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述加热组件包括导热筒和加热丝，所述导热筒为中空结构并围设所述红外探测器于其中，所述加热丝绕设在所述导热筒的外周面上并与所述恒流源电路连接，所述处理单元具体用于通过所述恒流源电路对所述加热丝进行加热控制。

4.根据权利要求3所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述加热组件还包括磁环，所述红外探测器包括探头、管脚和基板，所述管脚焊接在所述基板上，所述导热筒的下端面和所述基板之间还设置有所述磁环，所述磁环为中空结构并围设所述管脚于其中。

5.根据权利要求4所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述加热组件还包括隔热环，所述隔热环设置于所述导热筒和所述磁环之间。

6.根据权利要求4所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述基板为陶瓷基板。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述气体浓度检测装置还包括环境温度传感器，所述处理单元与所述温度传感器连接，所述处理单元还用于根据环境温度设置所述预设温度值。

8.根据权利要求6所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述加热组件还包括温度检测探头，所述导热筒的壳壁设置有凹槽，所述温度检测探头设置于所述凹槽中，所述处理单元还用于根据所述温度检测探头反馈的实时温度，对所述加热组件的加热过程进行反馈调节控制。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述红外探测器为热释电红外探测器或热电堆红外探测器。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述气体浓度检测装置应用于肺功能仪中。