CN117890318A - 一种基于ndir传感器信号的气体浓度计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，属于非分散红外传感器技术领域。本发明解决了现有非分散红外传感器在零下40℃到75℃的使用环境温度范围内误差较大的问题。本发明采用一束红外光束经待测目标气体后入射至分光器，所述分光器将所述红外光束分成两束光，两束光分别经不同波段的滤光片进行光学滤波，获得参考光信号和测量光信号，参考光信号和测量光信号分别入射至NDIR传感器的参考通道和测量通道；获取参考光电信号和测量光的电信号；对所述参考光电信号和测量光的电信号进行调制，获取参考正弦波信号和测量正弦波信号；计算测量正弦波与参考正弦波的比值，采用朗伯比尔定律，利用所述比值，计算获取待测气体的浓度。
Description
技术领域
本发明属于非分散红外传感器技术领域。
背景技术
非分散红外(NDIR)传感器常被用来检测气体(如，CH4)和测量碳氧化物(如，CO和CO2)的浓度。其原理是，一束红外光穿过采样腔，样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线，通过测量相应频率的红外线吸收量，便可确定该气体组分的浓度。
NDIR传感器是通过吸收辐射升温产生电荷来检测辐射强度，所以也会对环境温度变化作出响应，导致杂散和干扰信号增加。另外依据理想气体定律，气体浓度也会随温度变化而改变。目前的修正方法是以Beer-Lambert定律为基础，用变换后的传感器电压信号和温度差修正参数，这样无法消除测量噪声影响，同时对温度差的线性化修正也不理想，在零下40℃到75℃的使用环境温度范围内误差较大。
发明内容
本发明是为了解决现有非分散红外传感器在零下40℃到75℃的使用环境温度范围内误差较大的问题，提出了一种NDIR传感器信号线性化和温度补偿的方法。
本发明所述的一种NDIR传感器信号线性化和温度补偿的方法，包括：
步骤一、采用一束红外光束经待测目标气体后入射至分光器，所述分光器将所述红外光束分成两束光，两束光分别经不同波段的滤光片进行光学滤波，获得参考光信号和测量光信号，参考光信号和测量光信号分别入射至NDIR传感器的参考通道和测量通道；获取参考光电信号和测量光的电信号；
步骤二、对所述参考光电信号和测量光的电信号进行调制，获取参考正弦波信号和测量正弦波信号；计算测量正弦波与参考正弦波的比值；
步骤三、采用朗伯比尔定律(Beer-Lambert定律)，利用步骤二所述的比值，计算获取待测气体的浓度。
进一步地，本发明中，步骤一中，
参考光信号为仅包含无气体吸收波段的光信号；
测量光信号为仅包含待测气体吸收的波段的光信号。
进一步地，本发明中，步骤三中，采用朗伯比尔定律，利用步骤二所述的比值，计算获取待测气体的浓度的具体方法为：
步骤三一、将NDIR传感器置于无目标气体的环境中，计算比值Zeroj＝Actj/Refj，并记录当前温度，将NDIR传感器置于校准测试气体中，计算NDIR传感器的量程因子S；Actj为无目标气体的环境中，NDIR传感器的测量通道信号模值，Refj为无目标气体的环境中，NDIR传感器的参考通道信号模值；
步骤三二、采用固定温度系数对量程因子和NDIR传感器的归一化透射率进行温度补偿；
步骤三三、利用温度补偿后的量程因子和NDIR传感器的归一化透射率计算待测气体的浓度。
进一步地，本发明中，步骤三二中，采用固定温度系数对量程因子和归一化透射率进行温度补偿的具体方法包括：
利用归一化透射率温度修正系数对归一化透射率中的零位(T-T0)进行补偿，
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
其中，NT(comp)为修正后的归一化透射率，归一化透射率NT＝Act/(Zeroj*Ref)，α为归一化透射率温度修正系数，T为传感器处的实际温度，T0为在校准程序中测量的温度，单位为K；
利用传感器温度修正系数β，对量程因子进行温度补偿：
S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))
其中：S(comp)为温度补偿后的量程因子，S为在校准后的量程因子，β量程因子温度修正系数，β为固定值，T为传感器处的实际温度，单位为K，T0为在校准程序中测量的温度，单位为K。
进一步地，本发明中，量程因子温度修正系数β的获取方法为：
在标准气体下，由式：
S(comp)＝(1–NT(comp))/(1-exp(-aCn))
计算不同温度的S(comp)值，NT(comp)为修正后的归一化透射率；
依据式：
S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))
获得S(comp)与(T–T0)/T0为线性关系，拟合β系数，所述β系数为斜率。
进一步地，本发明中，步骤三三中，利用温度补偿后的量程因子和归一化透射率计算待测气体的浓度的方法为：
当1–NT(comp)的值是为正则：
C＝(–ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n)
其中：a和n均为固定线性化系数，C为待测气体的浓度，NT(comp)为修正后的归一化透射率，S(comp)为温度补偿后的量程因子；
当1–NT(comp)的值为负则：
C＝-((ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n))。
进一步地，本发明中，修正后的归一化透射率NT(comp)为：
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
其中：归一化透射率NT＝Act/(Zeroj*Ref)，Act为测量通道信号模值，Ref为参考通道信号模值，α为温度补偿系数，T为传感器处的实际温度，T0为在校准过程中测量的温度，单位为K。
进一步地，本发明中，固定线性化系数a拟合方法为：
由于α系数有效的补偿了零读数，归一化透射率NT(comp)的目标值等于1，即0％浓度的透射率，将：
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
改写：
(1/NT)＝α(T-T0)+1
式中，1/NT与T-T0为线性关系。使用不同温度下0％浓度气体的归一化透射率的倒数和温度来拟合α系数，即斜率，归一化透射率NT＝Act/(Zero*Ref)，Act为测量通道信号模值，Ref为参考通道信号模值。
本发明提出的基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，首先通过傅里叶变换有效地去除噪声、错误和其他不需要的信号，然后通过线性化方法将温度对测量电路、温度对目标气体红外吸收率、NDIR传感器、理想气体体积变化的影响线性化为与Beer-Lambert定律相关的参数，从而计算目标气体浓度。本发明体提及的方法有效的去除了干扰信号，有效的补偿了温度对传感器测量结果的影响，提高了传感器的探测精度。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为归一化吸收率与体积浓度拟合曲线图；
图3为1/NT与T-T0线性曲线图；
图4为S(comp)与(T–T0)/T0线性曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述一种NDIR传感器信号线性化和温度补偿的方法，包括：
步骤一、采用一束红外光束经待测目标气体后入射至分光器，所述分光器将所述红外光束分成两束光，两束光分别经不同波段的滤光片进行光学滤波，获得参考光信号和测量光信号，参考光信号和测量光信号分别入射至NDIR传感器的参考通道和测量通道；获取参考光电信号和测量光的电信号；
步骤二、对所述参考光电信号和测量光的电信号进行调制，获取参考正弦波信号和测量正弦波信号；计算测量正弦波与参考正弦波的比值；
步骤三、采用朗伯比尔定律(Beer-Lambert)，利用步骤二所述的比值，计算获取待测气体的浓度。
进一步地，本发明中，步骤一中，
参考光信号为仅包含无气体吸收光波段的光信号；
测量光信号为仅包含待测气体吸收的光波段的光信号。
进一步地，本发明中，步骤三中，采用Beer-Lambert定律，利用步骤二所述的比值，计算获取待测气体的浓度的具体方法为：
步骤三一、将NDIR传感器置于无目标气体的环境中，计算比值Zeroj＝Actj/Refj，并记录当前温度，将NDIR传感器置于校准测试气体中，计算NDIR传感器的量程因子S；Actj为无目标气体的环境中，NDIR传感器的测量通道信号模值，Refj为无目标气体的环境中，NDIR传感器的参考通道信号模值；
步骤三二、采用固定温度系数对量程因子和NDIR传感器的归一化透射率进行温度补偿；
步骤三三、利用温度补偿后的量程因子和NDIR传感器的归一化透射率计算待测气体的浓度。
进一步地，本发明中，步骤三二中，采用固定温度系数对量程因子和归一化透射率进行温度补偿的具体方法包括：
利用归一化透射率温度修正系数对归一化透射率中的零位(T-T0)进行补偿，
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
其中，NT(comp)为修正后的归一化透射率，归一化透射率NT＝Act/(Zeroj*Ref)，α为归一化透射率温度修正系数，T为传感器处的实际温度，T0为在校准程序中测量的温度，单位为K；
利用传感器温度修正系数β，对量程因子进行温度补偿：
S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))
其中：S(comp)为温度补偿后的量程因子，S为在校准后的量程因子，β量程因子温度修正系数，β为固定值，T为传感器处的实际温度，单位为K，T0为在校准程序中测量的温度，单位为K。
进一步地，本发明中，量程因子温度修正系数β的方法为：
在标准气体下，由式：
S(comp)＝(1–NT(comp))/(1-exp(-aCn))
计算不同温度的S(comp)值，NT(comp)为修正后的归一化透射率；
依据式：
S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))
获得S(comp)与(T–T0)/T0为线性关系，拟合β系数，所述β系数为斜率。
进一步地，本发明中，步骤三三中，利用温度补偿后的量程因子和归一化透射率计算待测气体的浓度的方法为：
当1–NT(comp)的值是为正则：
C＝(–ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n)
其中：a和n均为固定线性化系数，C为待测气体的浓度，NT(comp)为修正后的归一化透射率，S(comp)为温度补偿后的量程因子；
当1–NT(comp)的值为负则：
C＝-((ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n))。
进一步地，本发明中，修正后的归一化透射率NT(comp)为：
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
其中：归一化透射率NT＝Act/(Zeroj*Ref)，Act为测量通道信号模值，Ref为参考通道信号模值，α为温度补偿系数，T为传感器处的实际温度，T0为在校准过程中测量的温度，单位为K。进一步地，本发明中，固定线性化系数a拟合方法为：
由于α系数有效的补偿了零读数，归一化透射率NT(comp)的目标值等于1，即0％浓度的透射率，将：
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
改写：
(1/NT)＝α(T-T0)+1
此时，1/NT与T-T0为线性关系。使用不同温度下0％浓度气体的归一化透射率的倒数和温度来拟合α系数，即斜率，归一化透射率NT＝Act/(Zero*Ref)，Act为测量通道信号模值，Ref为参考通道信号模值。
本发明提出的基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，首先通过傅里叶变换有效地去除噪声、错误和其他不需要的信号，然后通过线性化方法将温度对测量电路、温度对目标气体红外吸收率、NDIR传感器、理想气体体积变化的影响线性化为与Beer-Lambert定律相关的参数，从而计算目标气体浓度。本发明体提及的方法有效的去除了干扰信号，有效的补偿了温度对传感器测量结果的影响，提高了传感器的探测精度。
具体实施例：
一种使用NID传感器的可燃气体探测器，使用甲烷(CH4)进行标定。
确定a和n系数：通过试验得到常温条件下，不同浓度目标气体的Act/Ref数据，计算零气条件下的Zero＝Act0/Ref0＝1.164005，此时T0＝313.5875K，依据Zero归一化。如表2所示。
表2常温下各浓度数据
在同一温度多种不同浓度下，使用归一化吸收率NA＝1-Act/(Zero*Ref)计算。由体积浓度和归一化吸收率，依据式1-Act/(Zero*Ref)＝S*exp(-aCn)拟合出参数S、a、n。如图2所示。这里S＝0.2756，a＝0.3353，n＝0.7123。
确定温度系数α：由于α系数有效的补偿了零读数，归一化透射率NT(comp)的目标值应等于1，即0％浓度的透射率，故将式NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))改写成(1/NT)＝α(T-T0)+1
此时，1/NT与T-T0为线性关系。使用不同温度下0％浓度气体的归一化透射率的倒数和温度来拟合α系数，即斜率。
表3零气不同温度的数据
在试验中，将传感器置于零气环境中，改变环境温度，得到表3所示数据。依此来拟合式(1/NT)＝α(T-T0)+1，如图3所示，得到α＝0.0007194。
确定温度系数β：在标准气体下，计算不同温度的S(comp)值，NT(comp)为修正后的归一化透射率。S(comp)＝(1–NT(comp))/(1-exp(-aCn))，S(comp)与(T–T0)/T0为线性关系，然后拟合β系数，即斜率。
表4标准气体浓度下不同温度数据表
在试验中，将传感器置于标准气体环境中，改变环境温度，得到表4所示数据。依此来拟合式S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))，如图4所示，得到β＝-0.1345。
目标气体浓度的计算：
C＝(–ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n)
其中：a为固定线性化系数，n为固定线性化系数，注：此方程中1–NT(comp)的值必须为正。如果值为负，则按下述方法计算：
1)将1–NT(comp)转换为正值(即乘以“-1”)。
2)正常进行计算浓度。
3)将浓度显示为负值(即乘以“-1”)。
即下式：
C＝-((ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n))
表5所示为试验中测得的不同温度、不同浓度气体的数据，根据参数S＝0.2756、a＝0.3353、n＝0.7123、α＝0.0007194、β＝-0.1345以及气体浓度计算公式计算得到目标气体浓度。对于甲烷气体，其爆炸下限体积浓度为5％，故其LEL值为体积浓度乘以20。
表5补偿修正数据对比表
根据《GB15322-2019可燃气体探测器要求》，可燃气体浓度显示值与基准值之差的绝对值不应大于5％LEL。依据表5本发明最大绝对误差为2.55％LEL(环境温度-40℃)，符合GB15322-2019要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (8)
1.一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、采用一束红外光束经待测目标气体后入射至分光器，所述分光器将所述红外光束分成两束光，所述两束光分别经不同波段的滤光片进行光学滤波，获得参考光信号和测量光信号，参考光信号和测量光信号分别入射至NDIR传感器的参考通道和测量通道；获取参考光电信号和测量光的电信号；
步骤二、对所述参考光电信号和测量光的电信号进行调制，获取参考正弦波信号和测量正弦波信号；计算测量正弦波与参考正弦波的比值；
步骤三、采用朗伯比尔定律，利用步骤二所述的比值，计算获取待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，步骤一中，
参考光信号为仅包含无气体吸收波段的光信号；
测量光信号为仅包含待测气体吸收的波段的光信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，步骤三中，采用朗伯比尔定律，利用步骤二所述的比值，计算获取待测气体的浓度的具体方法为：
步骤三一、将NDIR传感器置于无目标气体的环境中，计算比值Zeroj＝Actj/Refj，并记录当前温度，将NDIR传感器置于校准测试气体中，计算NDIR传感器的量程因子S；Actj为无目标气体的环境中NDIR传感器的测量通道信号模值，Refj为无目标气体的环境中NDIR传感器的参考通道信号模值；
步骤三二、采用固定温度系数对量程因子和NDIR传感器的归一化透射率进行温度补偿；
步骤三三、利用温度补偿后的量程因子和NDIR传感器的归一化透射率计算待测气体的浓度。
4.根据权利要求3所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，步骤三二中，采用固定温度系数对量程因子和归一化透射率进行温度补偿的具体方法包括：
利用归一化透射率温度修正系数对归一化透射率中的零位(T-T0)进行补偿，
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
其中，NT(comp)为修正后的归一化透射率，归一化透射率NT＝Act/(Zeroj*Ref)，α为归一化透射率温度修正系数，T为传感器处的实际温度，T0为在校准程序中测量的温度，单位为K；
利用传感器温度修正系数β，对量程因子进行温度补偿：
S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))
其中：S(comp)为温度补偿后的量程因子，S为在校准后的量程因子，β量程因子温度修正系数，β为固定值，T为传感器处的实际温度，单位为K，T0为在校准程序中测量的温度，单位为K。
5.根据权利要求4所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，量程因子温度修正系数β的获取方法为：
在标准气体下，由式：
S(comp)＝(1–NT(comp))/(1-exp(-aCn))
计算不同温度的S(comp)值，NT(comp)为修正后的归一化透射率；
依据式：
S(comp)＝S+(β*((T–T0)/T0))
获得S(comp)与(T–T0)/T0为线性关系，拟合β系数，所述β系数为斜率。
6.根据权利要求5所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，步骤三三中，利用温度补偿后的量程因子和归一化透射率计算待测气体的浓度的方法为：
当1–NT(comp)的值是为正则：
C＝(–ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n)
其中：a和n均为固定线性化系数，C为待测气体的浓度，NT(comp)为修正后的归一化透射率，S(comp)为温度补偿后的量程因子；
当1–NT(comp)的值为负则：
C＝-((ln[1–((1–NT(comp))/S(comp))]/a)(1/n))。
7.根据权利要求6所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，修正后的归一化透射率NT(comp)为：
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
其中：归一化透射率NT＝Act/(Zeroj*Ref)，Act为测量通道信号模值，Ref为参考通道信号模值，α为温度补偿系数，T为传感器处的实际温度，T0为在校准过程中测量的温度，单位为K。
8.根据权利要求7所述的一种基于NDIR传感器信号的气体浓度计算方法，其特征在于，固定线性化系数a拟合方法为：
由于α系数有效的补偿了零读数，归一化透射率NT(comp)的目标值等于1，即0％浓度的透射率，将：
NT(comp)＝NT*(1+α(T-T0))
改写：
(1/NT)＝α(T-T0)+1
式中，1/NT与T-T0为线性关系，使用不同温度下0％浓度气体的归一化透射率的倒数和温度来拟合α系数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |