CN1588030A - 一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪 - Google Patents

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唐祯安
魏广芬
焦培胜
申爽
张洪泉
范茂军
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Abstract

一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪属于气体检测分析技术领域。公开了一种具有温湿补偿功能的便携式CO和CH4气体检测仪。它包括控制电路和分别与之相连的气体传感器检测电路，温度检测电路，湿度检测电路，LCD显示电路，声光报警电路，数据存储电路，与PC机通信接口电路，时钟电路，加热控制电路及电源电路。用本发明的气体检测仪可以实时检测被测气体中CO和CH4气体的含量以及环境温湿度的变化，并将检测数据、时间以及环境信息存入存储器，并可通过计算机进行深入分析，温湿补偿，收集，管理和对测得信息进行备案等。适用于煤矿，燃气等CO和CH4气体富集区域的环境监测，气体含量检测。

Description

一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪
技术领域
本发明属于气体检测分析技术领域。涉及一种具有温湿补偿功能的气体检测分析仪，特别用于矿井中的两种主要易燃易爆气体CO，CH4等还原性气体及其混合气体的检测、识别和量化。
背景技术
目前使用的气体检测仪器多为仅针对一种气体，温度湿度补偿多为采用差分对法实现，即采用一个与所用气体传感器完全相同的、不对环境气体响应而仅受温度和湿度影响的传感器，与实际气体传感器的相应信号构成差分电路的两端从而将温湿度的影响排除。目前该种结构对温度的影响比较容易实现，只要将传感器密封即可，但是对湿度的补偿就比较困难，需要制作一种仅允许水分子通过的分子隔离筛，因而导致湿度补偿的复杂性，从而增加成本。电子鼻是近年来提出的使用气体传感器阵列，结合模式识别方法(如人工神经网络法)识别和量化多种气体以及混合气体的仪器，其困难在于寻找一种合适的算法来完成阵列信号的信息融合任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实时监测环境的温度湿度变化，从而对仪器进行实时的温湿度补偿，精确的给出被测气体中CO和CH4的浓度的具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪。
本发明的技术解决方案是，该气体检测分析仪采用4个气敏元件，一个湿敏元件和温敏元件组成一个环境敏感探头，气体传感器阵列以及湿敏和温敏元件后分别外接相应的信号调理电路，模数转换电路然后连接信息控制和处理单元，由信息处理单元完成对环境温度湿度的量化和对原始气体成分的识别、量化、补偿。通过选择不同敏感特性的传感器组成阵列使电子鼻对待测气体针对性强。该气体检测分析仪采用主成分分析和人工神经网络相结合的方法作为信号处理单元的基础，所用电路均为目前现有技术，容易实现，可以根据不同气体选择对该类气体敏感的传感器，外加合适精度的湿度传感器和温度传感器，因而该气体检测分析仪具有较强的气体识别和分析以及抗干扰能力。
本发明的整个系统包括传感器阵列、采样电路、多路开关、控制中心、对气体传感器的加热控制单元、存储数据的E2PROM、控制面板、RS232微机接口、环境信息LCD显示、超限报警的报警电路。本发明中，传感器阵列包括多个气体传感器、一个湿度传感器和一个温度传感器。控制中心由单片机实现，主要包括A/D转换、信号预处理、信息融合及温湿补偿技术。采用的气体传感器数目由被测气体中所含的气体成分数目决定，一般要大于被测气体成分数目，由加热模式决定。本发明的中心思想是，将温度、湿度传感器的信号看作与气体传感器等同的信号，同时作为信号处理部分的输入信号，信号处理单元的输出信号为环境的温度、湿度以及被测气体的浓度，信号处理流程如图2所示，主要应用了主成分分析法PCA作为信号预处理和降维的方法，使用BP神经网络作为信息融合算法，从而得到环境中气体和温湿度的变化。
本发明所达到的有益效果是，能够实时监测环境的温度湿度变化，从而对仪器进行实时的温湿度补偿，精确的给出被测气体中CO和CH4的浓度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明的气体检测分析仪框图。
图2是本发明的数据处理框图。
图3是本发明的气体分析仪电路原理图。
具体实施方式
本气体检测分析仪具体制作时使用了中国电子科技集团第49研究所研制的金属氧化物气体传感器，高分子薄膜湿敏电容元件和温敏元件Pt1000组成检测探头，气体传感器的采样电路为单臂电桥电路，湿敏元件的测量采用555振荡器作为主要元件将电容变化转换成频率变化使用单片机检测实现，Pt1000采用单臂电桥电路实现，由MSP430F149型号的单片机实现A/D转换，信息融合和控制。气体传感器的加热电路部分采用稳压控制模块LM317配合数字电位器实现2V-5V之间的可程控电压转换，可以采用恒定温度加热，也可以采用温度调制模式给传感器加热。固定区域监测时，使用220V交流电外接整流器接入仪表，外出便携时，用锂电池供电。时间显示采用DS2000ELP时钟模块，具有内部集成电源，可独立工作，经软件编程设置或读取其内部时间。存储器使用2M的EEPROM存储，可以存储连续7天的监测数据，采用速率为1.7s。采用MAX3221实现单片机和PC机RS232口的电平转换。液晶显示部分采用4*16字符的液晶，用于显示温度，湿度，CO，CH4气体的浓度和时间信息。

Claims (7)

1.一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，包括控制和信息融合中心电路及分别与之相连的气体传感器检测电路、温度检测电路、湿度检测电路、LCD显示电路、声光报警电路、数据存储电路、与PC机通信接口电路、时钟电路、加热控制电路及电源电路，所述的加热控制电路能够实现气体传感器恒温、调制温度工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，所述的控制和数据融合中心由MSP430F149单片机实现，气体传感器的加热电路部分采用稳压控制模块LM317配合数字电位器实现2V-5V之间的可程控电压转换，时间显示采用DS2000ELP时钟模块，存储器使用2M的EEPROM存储，采用MAX3221实现单片机和PC机RS232口的电平转换，液晶显示部分采用4*16字符的液晶，用于显示温度，湿度，CO，CH4气体的浓度和时间信息，气体传感器和温度检测电路采用单臂电桥实现，湿度检测电路采用555振荡器组成电容-频率转换电路检测实现。
3.根据权利要求1所述的一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，数据融合采用主成分分析和BP神经网络相结合的数据融合算法，将温度、湿度、和气体传感器信号归一化后采用主成分分析法压缩和特征提取，然后使用BP神经网络识别和量化，转化成被测气体的浓度和环境温湿度信息，BP神经网络的参数采用离线训练得到。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，采用温度调制模式给传感器加热。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，采用恒定温度加热。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，外出便携时，使用锂电池供电。
7.根据权利要求1或2所述的一种具有温湿补偿功能的便携式气体检测分析仪，其特征在于，固定区域监测时，使用220V交流电外接整流器接入仪表。
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