CN1206524C - 无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对二氧化碳浓度分析方法和装置的改进。本发明对于由红外光源1、恒流源2、气室3、探测器4、放大电路5、单片机6和显示装置7组成的红外二氧化碳分析系统，在单片机6和显示装置7之间串联一个动态补偿滤波器8，通过动态补偿缩短分析系统的动态响应时间，改善动态特性。本发明装置工作可靠，体积小、重量轻、功耗低，响应时间比无补偿时提高了4倍。

Description

无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法及装置

技术领域。本发明属于传感与测量技术，涉及对二氧化碳浓度分析方法和装置的改进。

技术背景。二氧化碳(CO₂)分析系统应用广泛，且种类很多，其中，红外光学式以其测量范围宽、灵敏度高、精度高、响应速度快、有良好的选择性、能进行连续分析等独特优点，在工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等诸多领域得到了愈来愈广泛的应用，已成为二氧化碳气体分析最常用的方法。因为气体扩散是一个缓慢的过程，因此无论是采用时间双光束结构或空间双光束结构，通常都采用采样气泵使被测气体快速进入分析仪测量气室，以提高测量的响应时间。目前带有采样气泵的红外二氧化碳分析仪的响应时间在十几秒以内。而只基于气体扩散的无采样气泵的红外二氧化碳分析仪的响应时间为几分钟，不能满足实际测量的需要。因此目前还没有无气泵式红外二氧化碳分析仪。图1给出了北京分析仪器厂生产的有气泵式二氧化碳分析仪的结构框图，该分析仪由红外光源、恒流源、气室、采样气泵、探测器、放大电路、单片机和显示装置组成，其工作原理为：红外光源辐射出红外光，穿过气室，因为气体对特定波长的吸收作用，穿过气室的光能量随浓度而变化，探测器将光信号转换成电信号，电信号经过放大电路放大，并经单片机数据处理后，将二氧化碳浓度值送往显示装置进行显示；采样气泵使被测气体快速进入分析仪测量气室，以提高测量的响应时间。红外二氧化碳分析仪是基于朗伯—比尔定律和气体对光谱的选择性吸收。为了使分析仪能快速地感应二氧化碳浓度的变化，传统的红外二氧化碳分析仪采用采样气泵使待测气体快速进入分析仪测量气室，提高分析仪的快速性。但采样气泵使整个分析仪的功耗、体积、重量增加，更主要的是气泵是一种旋转电气元件，一方面存在一定的故障几率，另一方面，引入了可观的电磁干扰，从而降低了分析仪的可靠性。

发明内容。

本发明的目的是：针对上述气泵式二氧化碳分析仪存在的问题，本发明提出一种无气泵式二氧化碳分析仪，克服了气泵带来的缺点，通过采用动态补偿改善分析系统的动态特性，大大提高了无气泵式红外二氧化碳分析装置的响应速度。

本发明的技术方案是：无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法，其特征在于，对于由红外光源1、恒流源2、气室3、探测器4、放大电路5、单片机6和显示装置7组成的红外二氧化碳分析系统，在单片机6和显示装置7之间串联一个动态补偿滤波器8，通过动态补偿缩短分析系统的动态响应时间，改善动态特性，动态补偿滤波器8的建立方法如下：

建立红外二氧化碳分析系统的动态数学模型，

A、红外二氧化碳分析系统的动态数学模型用下面的差分方程表示：

y(k)+a₁y(k-1)+...a_iy(k-i)+...a_ny(k-n)＝u(k)+b₁u(k-1)+...b_iu(k-i)+...b_nu(k-n)

(I)

式中，u(k)-系统k时刻的输入，...依次类推，u(k-n)表示(k-n)时刻的输入，y(k)——系统k时刻输出，.......依次类推，y(k-n)表示(k-n)时刻的输出，n表示模型的阶次，a_i、b_i(i＝1，2，...，n)表示模型的参数值；阶次n、参数a_i、b_i的值待确定，

B、获取无补偿系统的动态特性实验数据，其步骤为：

①将无补偿红外二氧化碳分析系统通电预热2小时，

②将一根通气皮管的一端连接到一个具有已知浓度的二氧化碳气瓶的气嘴上，另一端连接气室3的进气口，

③打开气瓶，并调节气体流量为1～1.5升/秒，

④2分钟后，快速从进气口上撤掉通气皮管，关闭气瓶，

⑤从撤掉通气皮管的时刻起，开始记录单片机输出的二氧化碳浓度值，直至分析系统的输出数据达到稳定，采样频率f应满足f＞0.15HZ，将该过程所获得的数据记为y_i；

⑥对y_i进行如下预处理：

将分析系统输出的电压信号取自然对数，作为二氧化碳浓度的相关量，对实验输出数据进行如下式(II)所示归一化处理，

$y_{\mathrm{gyi}}=\frac{y_i-y_{\min }}{y_{\max }-y_{\min }}---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中：y_gyi为经归一化处理以后的输出数据，y_i为归一化处理前分析系统的输出数据，y_max、y_min分别为该次实验过程中传感器输出的最大、最小值，

⑦将y_gyi做为建立二氧化碳分析系统动态数学模型的输出序列，输入序列为与输出序列等长度且分量值均为1的序列，

然后用一种特殊白化滤波器的“广义最小二乘法”建立起二氧化碳分析系统的动态模型S_d，如下式(III)：

$S_d=\frac{{0.0026z}^{-1}}{1-0.9974z^{-1}}---\left(\mathrm{III}\right),$ 其中，z^-1为差分后移运算符，

设计并确定动态补偿滤波器，动态补偿滤波器的设计采用基于弱极点概念的设计方法，

A、建立系统差分方程模型，并求出差分方程的全部极点，确定各子系统响应时间，

B、根据动态补偿的要求，给出补偿前后系统响应时间改善量，

C、把动态补偿滤波器的零点设置为被补偿系统差分方程的被补偿极点，极点根据补偿要求进行设计，最后求出补偿滤波器Hd(z)，具体步骤是：

①根据式(III)，计算出原系统的极点pold的值，

②计算原系统的过渡时间tsold＝3×ΔT/log(pold)，ΔT为采样间隔，

③选取补偿倍数r时，计算新的极点值和补偿滤波器的零点值，求得补偿滤波器Hd(z)，

④对补偿倍数r选取不同的值，设计出不同的补偿滤波器，然后用该滤波器与上述红外二氧化碳分析系统串联起来，重复测试过程，观察补偿效果，找出最佳的补偿滤波器。

使用如上述方法构成的无气泵式红外二氧化碳浓度分析装置，包括红外光源1、恒流源2、气室3、探测器4、放大电路5、单片机6和显示装置7、其特征在于，在单片机6和显示装置7之间串联一个动态补偿滤波器8。

本发明的优点是：第一、采用动态补偿滤波器代替采样气泵，提高了红外二氧化碳分析装置的长时间工作的可靠性，并减轻了分析仪的体积、重量和功耗。第二、根据本发明方法设计的一个无气泵式红外二氧化碳分析装置实施例较无补偿的无气泵红外二氧化碳分析装置，响应时间提高了4倍。

具体实施方式。

附图说明。

图1是带气泵式红外二氧化碳分析仪结构框图。

图2是动态补偿滤波器的使用方式示意图。

图3是无气泵式红外二氧化碳分析仪结构框图。

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，这是现有的气泵式红外二氧化碳分析仪结构框图，其工作原理和缺点在上面已经说明。

无气泵式红外二氧化碳分析仪动态补偿滤波器的设计思想是通过动态补偿缩短系统的响应时间。当原系统的动态响应时间过长时，通过串联适当的数字补偿滤波器可以缩短其动态响应时间，改善系统的动态特性。图1为动态补偿滤波器的使用方式。S_c为二氧化碳分析系统的连续传递函数，u(t)为连续系统t时刻的输入，y(t)为连续系统t时刻的输出；为建立动态补偿滤波器，我们需要得到其离散模型，S_d为连续系统S_c的采样系统，k表示采样开关，u(k)为离散系统S_d在k时刻的输入，y(k)为离散系统S_d在k时刻的输出。H_d为所建立的数字补偿滤波器， x(k)为k时刻分析系统的输出。

下面详细说明建立红外二氧化碳分析系统动态数学模型的过程。

1、单输入单输出线性定常系统的动态数学模型可用下面形式的差分方程表示：

y(k)+a₁y(k-1)+...a_iy(k-i)+...a_ny(k-n)＝u(k)+b₁u(k-1)+...b_iu(k-i)+...b_nu(k-n)

(I)

式中，u(k)-系统k时刻的输入，...依次类推，u(k-n)表示(k-n)时刻的输入；

y(k)——系统k时刻输出.......依次类推，y(k-n)表示(k-n)时刻的输出；

n表示模型的阶次，a_i、b_i(i＝1，2，...，n)表示模型的参数值；

建立系统的数学模型即确定模型的阶次n、参数a_i、b_i的值。

2、首先要通过实验获取无补偿系统的动态特性数据，其步骤为：

①将无补偿红外二氧化碳分析系统通电预热2小时。

②将一根通气皮管的一端连接到一个具有已知浓度的二氧化碳气瓶的气嘴，另一端连接气室3的进气口。例如二氧化碳的浓度为3.14％。

③打开气瓶，并调节气体流量为1～1.5升/秒，例如1.5升/秒，流速对获取数据无影响。

④2分钟后，快速从进气口上撤掉通气皮管，关掉气瓶。

⑤从撤掉通气皮管的时刻起，开始记录单片机输出的二氧化碳浓度值，直至分析系统的输出数据达到稳定，采样频率f应满足f＞0.15HZ，将该过程所获得的数据记为y_i。

⑥对y_i进行如下预处理：

首先，将分析系统输出的电压信号取自然对数，作为二氧化碳浓度的相关量。这是因为光强在吸收介质中随浓度按指数规律衰减，若将二氧化碳的浓度作为分析系统的输入量，而将分析系统输出电压信号的自然对数作为分析系统的输出，分析系统可以近似认为是线性的。对于线性时不变系统，后面所采用的动态补偿滤波器才是行之有效的。

其次，对实验输出数据进行如式(II)所示归一化处理。

$y_{\mathrm{gvi}}=\frac{y_t-y_{\min }}{y_{\max }-y_{\min }}---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中：y_gyi为经归一化处理以后的输出数据；y_i为归一化处理前分析系统的输出数据；y_max、y_min分别为该次校准过程中分析系统输出的最大、最小值。

⑦将y_gyi做为建立二氧化碳分析系统动态数学模型的输出序列，因为获取该输出序列时所加的信号为阶跃信号，所以输入序列为与输出序列等长度且分量值均为1的序列。

然后用一种特殊白化滤波器的“广义最小二乘法”建立起二氧化碳分析仪的动态模型，即图2中S_d，所建立的模型为：

$S_d=\frac{{0.0026z}^{-1}}{1-{0.9974z}^{-1}}---\left(\mathrm{III}\right),$ 其中，z^-1为差分后移运算符。

3、动态补偿滤波器的设计和确定。

动态补偿滤波器的设计采用基于弱极点概念的设计方法，详细内容可以参阅季平著，《动态补偿数字滤波器设计IBM-PC机功能开发》，北京航空航天大学硕士论文，1983。

系统差分方程的零、极点在z平面单位圆内、外的位置，决定了所描述系统的动态特性，对系统极点进行配置，系统的动态特性将得到改善，这是设计动态补偿滤波器的基本思想。设计步骤简单归结如下：

(1)建立系统差分方程模型，并求出差分方程的全部极点，确定各子系统响应时间；

(2)根据动态补偿的要求，给出补偿前后系统响应时间改善量；

(3)数字滤波器的零点设置为被补偿系统差分方程的被补偿极点，极点根据补偿要求进行设计。

根据式(III)，计算得原系统的极点为：极点pOld＝0.9974；采样间隔ΔT＝0.5，所以计算原系统的过渡时间为：

tsOld＝3×ΔT/log(pOld)＝3×0.5/1og(0.9974)＝576s

当取补偿倍数为r＝4.5时，tsNew＝tsOld/4.5＝576/4.5＝128，新的极点为pnew2＝exp(-3×T/tsNew2)＝0.9883；则补偿滤波器的零点：z2＝pOld＝0.9974，极点p2＝pnew2＝0.9883，得补偿滤波器为：

$H_d\left(z\right)=k\·\frac{z-z2}{z-p2}=k\·\frac{z-0.9974}{z-0.9883}---\left(\mathrm{IV}\right)$

k的取值使得补偿滤波器的静态放大倍数为1，则

$k=\frac{1-p1}{1-z1}=\frac{1-0.9883}{1-0.9974}=4.5---\left(V\right)$

所以取r＝4.5时，得补偿滤波器如下：

$H_d\left(z\right)=\frac{4.5-{4.488z}^{-1}}{1-{0.9883z}^{-1}}---\left(\mathrm{VI}\right)$

当补偿倍数r取不同的值时，可设计出不同的补偿滤波器，但这并不意味着补偿倍数可以选无限大。因为在实际应用时，系统不可避免会存在一定的非线性，同时还存在测量噪声，这些因素将影响到补偿极限，因此寻找最佳滤波器的的过程为：首先给r一个较小的值，通常可以给2，设计出一个补偿滤波器，然后用该滤波器与实际系统串联起来，观察补偿效果，若补偿效果不好，则减小r的值；若效果好，增加r，步长取1-2，重复该过程，最终将找到最佳的补偿滤波器，式(VI)所代表滤波器即为针对所研制的红外二氧化碳分析系统所设计的最佳动态补偿滤波器。

根据本发明方法，在确定了动态补偿滤波器以后，很容易构成无气泵式红外二氧化碳分析装置。在图2所示的带气泵式红外二氧化碳分析系统的框图的基础上，保留红外光源1、恒流源2、气室3、探测器4、放大电路5、单片机6和显示装置7，仅将其中的采样气泵取下，使气体不经过气泵，直接通过气体扩散进入到气室。同时，在单片机6和显示装置7之间串联一个动态补偿滤波器8，用动态补偿滤波器提高分析系统响应的时间，即构成了无气泵式二氧化碳分析系统，其结构框图如图3。

动态补偿滤波器的实现方式。所设计的最佳动态补偿滤波器为一阶，形式为：

y(k)＝-a₁y(k-1)+b₀u(k)+b₁u(k-1)                   (VII)

u(k-1)为前一时刻补偿前系统输出的浓度值，u(k)为当前时刻补偿前系统输出的浓度值，y(k-1)为前一时刻补偿后系统输出的浓度值，y(k)为当前时刻动态补偿后系统输出的浓度值，将用于显示屏的显示。动态补偿滤波器模块的工作过程为：从单片机的数据存储器中读取未经补偿的二氧化碳浓度值，浓度值送往动态补偿滤波器的接口，从数据存储器中获取u(k-1)、y(k-1)的值，根据(7)式计算得y(k)的值，将y(k)的值送出显示，保存y(k)、u(k)的值于单片机的数据存储器。动态补偿滤波器8可以直接用硬件构成，也可以通过对单片机编程，用软件实现。

无气泵式红外二氧化碳分析装置的工作过程如下：

A、分析仪上电后，红外光源由恒流源供电，产生红外光；通过调节恒流源的供电电流，使得红外光源的最大辐射波长位于二氧化碳特征吸收波长4.26um；

B、气室通过进气口和出气口与外界相同，红外光通过气室时，光强在吸收介质中随浓度及厚度按指数规律衰减；

C、位于气室末端的红外探测器完成光能到电能的转换，输出毫伏级的电压信号；

D、毫伏级的电压信号经过放大电路输出伏级电压信号；

E、电压信号送往单片机系统板，单片机系统板进行数据处理，实现电压信号到浓度信号的转换和动态补偿滤波器的补偿功能，并驱动显示屏显示二氧化碳的浓度值。

Claims (2)

1、无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法，其特征在于，对于由红外光源[1]、恒流源[2]、气室[3]、探测器[4]、放大电路[5]、单片机[6]和显示装置[7]组成的红外二氧化碳分析系统，在单片机[6]和显示装置[7]之间串联一个动态补偿滤波器[8]，通过动态补偿缩短分析系统的动态响应时间，改善动态特性，动态补偿滤波器[8]的建立方法如下：

建立红外二氧化碳分析系统的动态数学模型，

A、红外二氧化碳分析系统的动态数学模型用下面的差分方程表示：

y(k)+a₁y(k-1)+…a_iy(k-i)+…a_ny(k-n)＝u(k)+b₁u(k-1)+…b_iu(k-i)+…b_nu(k-n)(I)

式中，u(k)—系统k时刻的输入，…依次类推，u(k-n)表示(k-n)时刻的输入，y(k)——系统k时刻输出，……依次类推，y(k-n)表示(k-n)时刻的输出，n表示模型的阶次，a_i、b_i(i＝1，2，…，n)表示模型的参数值；阶次n、参数a_i、b_i的值待确定，

B、获取无补偿系统的动态特性实验数据，其步骤为：

①将无补偿红外二氧化碳分析系统通电预热2小时，

②将一根通气皮管的一端连接到一个具有已知浓度的二氧化碳气瓶的气嘴上，另一端连接气室[3]的进气口，

③打开气瓶，并调节气体流量为1～1.5升/秒，

④2分钟后，快速从进气口上撤掉通气皮管，关闭气瓶，

⑤从撤掉通气皮管的时刻起，开始记录单片机输出的二氧化碳浓度值，直至分析系统的输出数据达到稳定，采样频率f应满足f＞0.15HZ，将该过程所获得的数据记为y_i；

⑥对y_i进行如下预处理：

将分析系统输出的电压信号取自然对数，作为二氧化碳浓度的相关量，对实验输出数据进行如下式(II)所示归一化处理，

$y_{\mathrm{gyi}}=\frac{y_i-y_{\min }}{y_{\max }-y_{\min }}---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中：y_gyi为经归一化处理以后的输出数据，y_i为归一化处理前分析系统的输出数据，y_max、y_min分别为该次实验过程中传感器输出的最大、最小值，

⑦将y_gyi做为建立二氧化碳分析系统动态数学模型的输出序列，输入序列为与输出序列等长度且分量值均为1的序列，

然后用一种特殊白化滤波器的“广义最小二乘法”建立起二氧化碳分析系统的动态模型S_d，如下式(III)：

$S_d=\frac{{0.0026z}^{-1}}{1-{0.9974z}^{-1}}---\left(\mathrm{III}\right),$ 其中，z^-1为差分后移运算符，

设计并确定动态补偿滤波器，动态补偿滤波器的设计采用基于弱极点概念的设计方法，

A、建立系统差分方程模型，并求出差分方程的全部极点，确定各子系统响应时间，

B、根据动态补偿的要求，给出补偿前后系统响应时间改善量，

C、把动态补偿滤波器的零点设置为被补偿系统差分方程的被补偿极点，极点根据补偿要求进行设计，最后求出补偿滤波器Hd(z)，具体步骤是：

①根据式(III)，计算出原系统的极点pold的值，

②计算原系统的过渡时间tsold＝3×ΔT/log(pold)，ΔT为采样间隔，

③选取补偿倍数r时，计算新的极点值和补偿滤波器的零点值，求得补偿滤波器Hd(z)，

④对补偿倍数r选取不同的值，设计出不同的补偿滤波器，然后用该滤波器与上述红外二氧化碳分析系统串联起来，重复测试过程，观察补偿效果，找出最佳的补偿滤波器。

2、使用如权利要求1所述方法构成的无气泵式红外二氧化碳浓度分析装置，包括红外光源[1]、恒流源[2]、气室[3]、探测器[4]、放大电路[5]、单片机[6]和显示装置[7]，其特征在于，在单片机[6]和显示装置[7]之间串联一个动态补偿滤波器[8]。

Images