CN1616950A - 气体浓度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种气体浓度检测装置及方法，该气体浓度检测装置包括：红外线气体检测模块、电路处理模块以及显示模块，该气体浓度检测方法是首先由该红外线气体检测模块对待测气体进行检测，根据所测得的待测气体浓度输出对应的浓度信号；然后，由该电路处理模块接收该浓度信号，并将该浓度信号进行处理，以得到与该待测气体浓度成线性比例的电信号；最后，由该显示模块接收该电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度；因此提供一种可提高测量准确度与灵敏度的气体浓度检测装置及方法，且本发明的气体浓度检测装置及方法可单独使用，令其可被广泛应用。

Description

气体浓度检测装置及方法

技术领域

本发明是关于一种气体浓度检测装置及方法，特别是关于一种用于提高测量准确度与灵敏度的气体浓度检测装置及方法。

背景技术

美国冷暖及空调工程师学会的(America Society of Heating，Refrigeration and Air Conditioning Engineers，ASHRAE)研究结果指出，室内二氧化碳浓度超过1,000ppm就应换气，而统计结果显示有90％的建筑物都高于此值。由于人类呼吸会产生二氧化碳，在一定的空间内活动时，若人体吸入过多的二氧化碳，会导致脑部活动减缓，反应迟钝，并容易进入昏昏欲睡、精神不振的状态。因此，通常会采用诸如检测二氧化碳浓度的气体检测器，对气体浓度进行测量。

一般的检测二氧化碳浓度的气体检测器除用于空调管理、安全检测与农业生产等，还可在军事上用于潜水艇内的空气品质、气体吸收装置性能测量等，在废水分析上可进行有机碳的分析，但是，目前各类空气监控与检测的仪器多依赖进口，进口仪器的售价偏高，使业者的购置成本也随之提高。美国专利第5,464,369及第5,775,406号案即是相关的气体检测装置。

美国专利第5,464,369号案是一种控制密闭空间内的环境的方法及装置，用于监控环境变量及估计密闭空间内的气体产生率，并根据估计的气体产生率来控制一个温度、换气、空气调节系统(Heat，Ventilating，Air-conditioning System，HVAC)。美国专利第5,775,406号案是一种车辆的换气信号显示系统及方法，在该案中具有二氧化碳检测器，根据二氧化碳量产生信号通知使用者，并由使用者输入控制指令。

然而，美国专利第5,464,369号案用于较大型空调装置或机构中，不仅构造复杂且体积庞大，更因造价昂贵而无法适用于一般家庭或个人；美国专利第5,775,406号案则需人工控制而无法自动化，因而使用不便。同时，上述两件美国专利申请案都无法从装置或系统中分离出可单独使用的二氧化碳检测机制，所以将限制其用途。

美国专利第6,114,700号案是一种通过气体取样而测量红外线幅射的吸收率的非分散性红外线(Non-dispersive infrared，NDIR)设备及其测量方法，其是通过具有不同温度系数并设置在样品槽一端的平行光源来提高管道中的温度，并通过设置在样品槽另一端的NDIR检测器监视二氧化碳的浓度，在服务回路中设置另一监控器以控制不断输出的光源，借此以光学感测方式来测量二氧化碳的浓度。该案是将待测气体以非分散性红外线分析气体，并经过温度补偿及信号转换后进行自动检测及显示。

但是，上述以非分散性红外线分析气体的方式由于未加入非线性补偿线路，在高浓度及低浓度气体测量时误差过大，仅适用于排放管道中，而且分析仪内的样品槽易受水气干扰，必须同时加装除湿装置以去除干扰。同时，由于转换器的转换率必须达到相当高的转换比例，必须经常的维修或清洗，才能继续使用。因此，这种方式不仅使用不方便且需购置相关装置才能进行，还有转换限制，故仅适用于检测特定浓度的待测气体。

美国专利第6,494,777号案是一种二氧化碳浓度模块化装置，由二氧化碳浓度检测模块中的红外光检测器来检测空气中的二氧化碳浓度，以令空气调节控制模块判断出该红外光检测器所检测的密闭空间的二氧化碳浓度达到预定的上限值时，即驱动该空气调节机构将外界的新鲜空气导入该密闭空间中，降低二氧化碳的浓度。该案是利用气体分子吸收特定波长红外线的特性，对比红外线吸收图谱与标准图谱，即可判断特定气体的浓度，而气体浓度关系式则遵循比尔定律(Beer′slaw)，利用二氧化碳气体分子吸收强度与浓度的对应关系，计算光谱的吸收强度即可测量气体的浓度值。

然而，由于气体分子吸收强度与浓度的对应关系成非线性比例，这样，不仅使测量的准确性无法提高，而且由于气体分子吸收强度与浓度的对应关系成非线性比例，比尔定律只适用于低浓度范围作定性和定量的分析工作，在高浓度范围时的测量准确性与灵敏度将更低。同时，比尔定律也只限于吸收在一定浓度范围内的物质(气体分子)，当浓度发生剧烈变化而产生分解、聚合等现象时，就无法准确分析气体浓度。

无论对于高浓度或低浓度的气体分子而言，上述专利均无法为待测气体提供良好的检测准确度与灵敏度。因此，如何提出一种可提高测量准确度与灵敏度的气体浓度检测装置及方法，是急待解决的课题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种可提高测量准确度与灵敏度的气体浓度检测装置及方法。

本发明的另一目的在于提供一种可单独使用的气体浓度检测装置及方法。

为达上述及其它目的，本发明的气体浓度检测装置包括红外线气体检测模块、电路处理模块以及显示模块。该红外线气体检测模块检测空气中待测气体的浓度，并发出对应的浓度信号。该红外线气体检测模块包括控制器、时序产生器、红外线检测器以及红外线光源。该控制器提供同步信号至该时序产生器以及该红外线检测器，该时序产生器则产生一个方波信号以驱动该红外线光源。

该电路处理模块用于接收该浓度信号并将该浓度信号转换成电信号，具有至少一个放大电路、一个线性补偿装置、一个滤波器以及一个峰值取样器，由该线性补偿装置修正该电信号，产生与待测气体浓度成线性比例的经线性补偿的电信号。该显示模块用于接收该经线性补偿的电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度。

应用上述气体浓度检测装置的气体浓度检测方法包括下列步骤：首先由该红外线气体检测模块对待测气体进行检测，根据所测得的待测气体浓度输出对应的浓度信号；然后，该电路处理模块接收该浓度信号，并将该浓度信号进行处理，以得到与该待测气体浓度成正相关的电信号；最后，由该显示模块接收该电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度。

测待测气体浓度的步骤中，是由该红外线气体检测模块的控制器提供同步信号至该时序产生器以及该红外线检测器，由该同步信号触发该时序产生器而驱动该红外线光源，以在聚焦后令该红外线光源平行射向该红外线检测器，以测量特定波长的红外线强度并推算得知该待测气体浓度。推算该待测气体浓度的步骤中，是由该控制器同步控制该时序产生器以及该红外线检测器，通过接收到经该待测气体吸收后所剩余的光量而得知待测气体浓度。

此外，对该浓度信号进行处理的步骤包括：将该浓度信号放大并过滤噪声，进行取样并遵循比尔定律推算以得到未经修正的待测气体浓度的电信号，以及线性补偿该未经修正的待测气体浓度的电信号，以得到经线性补偿的待测气体浓度的电信号。其中，未经修正的电信号与该待测气体浓度成指数关系，而经线性补偿后的电信号则与待测气体浓度成正相关(即成线性比例)。

由于本发明的气体浓度检测装置是用实体电路或配合信号处理装置，将待测气体吸收红外线的非线性反应修正为线性关系，无论待测气体为高浓度或低浓度都能准确测量，因此提供一种可提高测量准确度与灵敏度的气体浓度检测装置及方法，且本发明的气体浓度检测装置及方法可单独使用，令其可被广泛应用。

附图说明

图1是本发明装置的较佳实施例的示意方块图；

图2是本发明装置较佳实施例中红外线气体检测模块的示意方块图；

图3是本发明装置较佳实施例中电路处理模块的示意方块图；

图4A是本发明线性补偿前的待测气体浓度对应输出电压的示意图；

图4B是本发明经线性补偿后的待测气体浓度对应输出电压的示意图；以及

图5是本发明装置的较佳实施例的实施流程图。

具体实施方式

以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但并非以任何观点限制本发明的范畴。

如图1所示，本发明的气体浓度检测装置包括：红外线气体检测模块1、电路处理模块3以及显示模块5。其中，本发明的气体浓度检测装置可单独设置，也可一体设置在一般空调装置或自行安装在空调装置中，由于上述空调装置都属现有技术，所以为简化附图并使本发明的技术特征更清楚易懂，仅显示本发明的构成而省略有关空调装置的相关结构的说明及附图。

该红外线气体检测模块1用于检测空气中待测气体的浓度，并发出对应的浓度信号，如图2所示，该红外线气体检测模块1包括控制器11、时序产生器13、红外线检测器15以及红外线光源17。

该控制器11提供同步信号至该时序产生器13以及该红外线检测器15，该控制器11可以是红外线光源控制器，以其提供的同步信号触发时序产生器13产生一个方波信号，由该方波信号驱动红外线光源17，令产生的红外线光源17平行射向该红外线检测器15，由该控制器11同步控制时序产生器13以及红外线检测器15，并接收经诸如二氧化碳的待测气体吸收后所剩余的光量，从而推算出二氧化碳的浓度。如此，便可由该红外线气体检测模块1根据所测得的二氧化碳浓度输出对应的浓度信号，该浓度信号是微小电压信号。其中，本实施例中虽以检测诸如二氧化碳的待测气体为例进行说明，但是，本发明的气体浓度检测装置并非以检测二氧化碳的浓度为限，也可检测诸如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)及其它适用的待测气体。

该电路处理模块3用于接收及处理该浓度信号，以产生与待测气体浓度成正相关的经线性补偿的电信号。如图3所示，该电路处理模块3包括前级放大电路31、滤波器33、峰值取样器35、线性补偿装置37及后级放大电路39。该前级放大电路31以及该后级放大电路39用于放大该浓度信号，该滤波器33可过滤噪声，该峰值取样器35筛选并取得所要的信号，该线性补偿装置37将该浓度信号修正为与该待测气体浓度成正相关(即，成线性比例)的线性信号，借此增加待测气体的测量准确性与灵敏度。

因此，当电路处理模块3接收来自该红外线气体检测模块1的浓度信号后，由于该浓度信号是不易识别的微小电压信号，因此先由该前级放大电路31进行放大以利判断。而且，由于经放大的信号含有噪声，须经过滤波器33滤波，以增进信号判断的准确性。然后，经峰值取样器35进行取样并遵循比尔定律推算后，可得到未经修正的待测气体浓度的电信号(输出电压)，如图4A所示，是本发明线性补偿前的待测气体浓度对应该电信号(输出电压)的示意图。

比尔定律指出，在一定的波长下，光的吸收量与吸光材料的浓度成指数关系。因此，利用气体分子吸收强度与浓度成指数的关系，计算光谱的吸收强度即可得知待测气体浓度。其中，由于利用比尔定律表示测量过程中光的吸收量与检测物浓度间的关系属现有技术，故不再说明。

最后，由线性补偿装置37线性补偿未经修正的待测气体浓度的电信号，如图4B所示，是本发明经线性补偿后的待测气体浓度对应该电信号(输出电压)的示意图。其中，经线性补偿后的电信号与待测气体浓度成正相关。将经线性补偿的电信号被后级放大电路39放大后，便可将该经线性补偿的电信号发出。其中，虽本实施例中是在该电路处理模块3设有两个放大电路(前级放大电路31与后级放大电路39)，但是，该电路处理模块3也可仅设有前级放大电路31以便判断信号。

显示模块5用于接收该经线性补偿的电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度。其中，该显示模块5也可选择设有放大电路，以便放大该经线性补偿的电信号。同时，显示模块5可选择至少包括显示图像的显示器以及接收该电信号以驱动该显示器显示图像的驱动电路单元(均图未标)，由于显示器与驱动电路单元都是现有技术，故不再说明。

以下，以本发明的气体浓度检测方法进一步说明本发明的检测机制。

如图5所示，首先，当本发明的气体浓度检测装置被激活后，即进入步骤S1，由该红外线气体检测模块1对待测气体进行检测。其中，可选择检测诸如二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物及其它适用的待测气体，根据使用者需要而定。

在步骤S1中，该红外线气体检测模块1的控制器11提供同步信号至该时序产生器13以及该红外线检测器15，以由该同步信号触发该时序产生器13驱动该红外线光源17。经聚焦后，令该红外线光源17平行射向该红外线检测器15，以测量特定波长的红外线强度并推算出待测气体的浓度。其中，该特定波长可根据所选择检测的待测气体(诸如二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物及其它适用的待测气体)的气体分子吸收特定波长红外线的特性而选定。

这样，便可由该红外线气体检测模块1根据所测得的待测气体浓度输出对应的浓度信号，其中，该浓度信号是微小电压信号。

在步骤S2中，该电路处理模块3接收来自该红外线气体检测模块1的浓度信号，并将该浓度信号进行处理，以得到与该待测气体浓度成正相关的电信号。其中，将该浓度信号先放大并过滤噪声，以便判断及增进信号判断的准确性。然后，进行取样并遵循比尔定律推算，以得到未经修正的待测气体浓度的电信号，此时，该未经修正的电信号与该待测气体浓度成指数关系(如图4A所示)。最后，以该线性补偿装置37线性补偿未经修正的待测气体浓度的电信号，以得到经线性补偿的待测气体浓度的电信号，该经线性补偿的电信号与待测气体浓度成线性比例(如图4B所示)。其中，在此步骤中可选择将该经线性补偿的电信号放大。

在步骤S3中，由该显示模块5接收该电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度。这样，使用者可通过显示模块5观察待测气体浓度，而由经线性补偿后的电信号更可提高测量准确度与灵敏度。

由于本发明的气体浓度检测装置及方法可将待测气体吸收红外线光源的非线性反应予以修正，可解决现有技术中因气体分子吸收强度与浓度的对应关系成非线性比例所造成的问题，得到与待测气体成线性关系的信号。因此，无论高浓度或低浓度范围的测量准确性与灵敏度皆可提高。

同时，本发明的气体浓度检测装置可单独使用，可解决现有技术无法从装置或系统中分离出可单独使用的二氧化碳检测机制，不仅可选择单独设置在不需要安装或未安装空调设备的场所，更可一体设置在小型空调装置(例如室内用窗机或分离式冷气机、汽车空调系统等)、大型空调装置(例如工厂用空调系统)、实验室与温室等特殊环境使用的空调装置中，或选择将其模块化以自行安装在上述空调装置中，具有广泛的产业利用性。

Claims (10)

1.一种气体浓度检测装置，其特征在于，该装置包括：

红外线气体检测模块，检测空气中待测气体的浓度，并发出对应的浓度信号；

电路处理模块，接收该浓度信号并将该浓度信号转换成电信号，该电路处理模块至少具有一个线性补偿电路，通过该线性补偿电路修正该电信号，产生一个与待测气体浓度成线性比例的经线性补偿的电信号，提高测量准确度与灵敏度；以及

显示模块，接收该经线性补偿的电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度。

2.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，该红外线气体检测模块包括控制器、时序产生器、红外线检测器以及红外线光源，其中，该控制器提供同步信号至该时序产生器以及该红外线检测器，而该时序产生器则产生一个方波信号以驱动该红外线光源。

3.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，该浓度信号是微小电压信号。

4.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，该电路处理模块包括至少一个放大电路、一个滤波器以及一个峰值取样器。

5.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，该显示模块设有放大电路，且包括用于显示图像的显示器以及用于接收该电信号以驱动该显示器显示图像的驱动电路单元。

6.一种气体浓度检测方法，其特征在于，该方法包括：

由红外线气体检测模块对待测气体进行检测，根据所测得的待测气体浓度输出对应的浓度信号；

使电路处理模块接收该浓度信号，并将该浓度信号进行处理，以得到与该待测气体浓度成线性比例的电信号；以及

由显示模块接收该电信号，并由此显示对应该电信号的待测气体浓度。

7.如权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，测量该待测气体浓度的步骤包括：

由该红外线气体检测模块的控制器提供同步信号至该时序产生器以及该红外线检测器；以及

由该同步信号触发该时序产生器而驱动该红外线光源，以在聚焦后令该红外线光源平行射向该红外线检测器，从而得以测量特定波长的红外线强度并推算得知该待测气体浓度。

8.如权利要求7所述的气体浓度检测方法，其特征在于，推算该待测气体浓度的步骤包括，由该控制器同步控制该时序产生器以及该红外线检测器，令其接收经该待测气体吸收后所剩余的光量，从而得知该待测气体浓度。

9.如权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，该浓度信号是微小电压信号，对该浓度信号进行处理的步骤包括，将该浓度信号加以放大并过滤噪声。

10.如权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，对该浓度信号进行处理的步骤包括：

进行取样并遵循比尔定律推算，以得到未经修正的待测气体浓度的电信号；以及

线性补偿该未经修正的待测气体浓度的电信号，得到经线性补偿的待测气体浓度的电信号；

其中，还包括将该经线性补偿的电信号进行放大，且该未经修正的电信号与该待测气体浓度成指数关系，而该经线性补偿的电信号则与待测气体浓度成正相关。

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