利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法和裝置的製作方法

2023-07-17 23:09:51

專利名稱：利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用光學手段來測試或分析材料的技術領域，尤其涉及利用紅外光吸收特性來測量氣體濃度的方法和裝置。本發明的方法和裝置特別適合作為測量人體呼吸氣體中二氧化碳濃度的醫療儀器。
背景技術：
目前氣體濃度檢測儀的測量原理一般都是基於非色散紅外光譜分析技術(NDIR，Non-Dispersive Infrared)，即根據被測氣體對某一波段紅外光的吸收特性，選擇特定波段的紅外光通過氣體樣本，紅外光的衰減量與被測氣體樣本的濃度符合Beer-Lambert定律。例如呼吸末CO2濃度檢測儀利用了CO2分子在波長4.26微米(μm)處有一個顯著的吸收峰，因此可以通過檢測波長在4.26μm附近的紅外光的衰減量來計算出相應的CO2濃度。為了計算CO2的濃度，需要給檢測儀通入已知標準濃度的CO2氣體，記錄相應的紅外光強，可以得到一條相應的光強——濃度曲線，以後即可根據測量到的光強，查詢該光強——濃度曲線得到被測氣體中CO2的濃度。由於不同檢測儀的光源、探測器，電路會有差異性，因此不同的檢測儀在出廠前都會通入某種標準濃度的CO2氣體，記錄測量結果與標準濃度之間的差異，以此制定相應的校準係數，修正該檢測儀的測量結果與標準光強——濃度曲線之間的差異。但是，測量儀器經過長時間工作以後，由於光源、探測器等器件老化等原因，檢測儀的測量結果可能不準確，因此每隔半年或一年需要進行定期的維護，即再次通入某種標準濃度的CO2氣體進行標定。進行這種標定的過程，需要有灌裝標準CO2的氣瓶，氣壓調節閥，管路等設備，標定過程繁瑣，給設備的使用帶來極大的不便。
為了保證檢測儀長時間測量結果的準確性，一般採用雙光束的方式，即在檢測儀中通過分光設備產生兩道光路，其中一路通過被測氣體，進行測量；另一路通過密封的某種參考氣體，做為參考光路。參考光路中密封的參考氣體濃度已知，因此可以用來做為基準，實現自動的標定，如美國專利5,764,354和5,077,469就是這樣做的。但上述技術方案中兩束光強通過兩個探測器進行測量，檢測儀器長時間工作後，兩個探測器的老化程度不可能完全一致，並且不同探測器之間總有差異，因此檢測儀的測量結果可能存在偏差。綜上所述，現有基於紅外光譜吸收方法測量二氧化碳濃度的裝置存在如下缺陷1、測量裝置需要定期進行校準，標定過程繁瑣，增加了維護成本；2、由於在測量裝置中使用雙光束方式，需用兩個探測器分別測量兩個通道的光強，不同探測器之間總有差異，並且不同探測器的老化程度不一樣，特別是經過長時間工作後，測量裝置的準確性將受到影響。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足之處而提出一種具有自動校準功能，測量精度穩定的氣體濃度的測量方法和裝置。
本發明採用如下技術方案設計一種利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，包括如下步驟a.把一定量的待測氣體抽送至檢測氣室；b.讓紅外光脈衝穿過檢測氣室，穿過檢測氣室的紅外光脈衝被檢測氣室內待測氣體的濃度信號所調製；c.調製後的光信號經過中心波長為λ的帶通濾光片後被紅外傳感器轉換成電信號，所述待測氣體對波長λ的紅外光具有最大的吸收；d.所述電信號經放大後被送往單片機系統；e.所述單片機系統根據所接收到的信號反算出檢測氣室內待測氣體的濃度C0，該濃度C0含有儀器元器件的觀測誤差和計算誤差；f.對有誤差的濃度值C0進行校準，C＝C0*β，其中β為校準係數，C即是待測氣體濃度最後的測量結果；本發明方法的特別之處在於採用下面的步驟g獲得所述校準係數β，g.把封裝有濃度為C1的氣體的參考氣室切換到上述過程同一個檢測光路中，然後經過與前述完全相同的步驟b至步驟e獲得所述參考氣室內氣體濃度的測量值C2，則所述校準係數β＝C1/C2。
所述校準係數β可以實時調整，或者在一段時間內維持不變，測量儀器定期自動啟動步驟g更新所述校準係數β。
本發明解決技術問題所採用的技術方案還包括設計一種利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置，該測量裝置包括一個測量光路組件，包括順序布置的紅外光脈衝發生器，檢測氣室、濾光片、紅外傳感器和放大電路，用於把位於測量光路中的氣體的濃度信號轉換成電信號並把電信號進行選頻放大；一個氣路組件，包括與檢測氣室進氣口連接的採樣氣路和與檢測氣室排氣口連接的限流閥和抽氣泵，用於在一定時間內把定量的待測量氣體送入檢測氣室並在測量完成後排出；一個主控單元，包括儲存有計算程序和控制程序的單片機系統以及與單片機系統信號輸出埠連接的控制電路，用於把所述測量光路組件輸出的電信號反演計算出待測氣體的濃度值以及根據測量需要對所述測量光路組件和氣路組件實施控制，本發明裝置的關鍵點是在所述測量光路組件增設一個預先氣密封裝有已知濃度的氣體的參考氣室，用於測算裝置測量誤差的校準係數，所述參考氣室和檢測氣室被安裝在一個腔室切換裝置中，該腔室切換裝置由所述單片機系統發出在所述參考氣室和檢測氣室之間的切換指令，讓其中一個進入所述測量光路組件的測量光路中。
同現有技術相比較，本發明的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法和裝置具有如下優點1、由於校準過程與檢測過程使用完全相同的光源、濾光片、紅外傳感器、放大電路和單片機系統進行測量計算，因此消除了現有技術中普遍存在的不同通道之間電路元件長時間溫漂特性不一樣帶來的影響，因此本發明的測量裝置所獲得的測量結果誤差較小；2、由於本發明裝置只需要一套光路組件，因此結構簡單，測量裝置的製造成本也較低；3、由於校準過程由測量儀器定期自動進行，不需要人工專門對測量裝置進行維護，因此大大降低了測量裝置的維護費用。


圖1是本發明利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置的原理框圖；
圖2是圖1的測量光路組件中參考氣室和檢測氣室被安裝在腔室切換裝置的結構示意圖。
兩附圖中的標號說明1.紅外光源；2.驅動電機；3.斬波片；4a.測量氣室；4b.參考氣室；5.濾光片；6.紅外傳感器；7.放大電路；8.單片機系統；9.採樣氣路；10.電機穩速控制電路；11.腔室切換控制電路；12.流速檢測電路；13.氣泵控制電路；14.抽氣泵；15.限流閥；16.彈簧；17.電磁開關；18.滑槽。
具體實施例方式
以下結合附圖所示之最佳實施例對本發明裝置及其方法作進一步詳述。
如圖1所示，本發明利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置包括一個測量光路組件，包括順序布置的紅外光脈衝發生器，檢測氣室4a、濾光片5、紅外傳感器6和放大電路7，用於把位於測量光路中的氣體的濃度信號轉換成電信號並把電信號進行選頻放大；所述紅外光脈衝發生器包括紅外光源1、驅動電機2和斬波片3；斬波片3有通孔，驅動電機2經電機控制10連接單片機系統8，在單片機系統8的控制下帶動斬波片3以穩定的速率旋轉，紅外光源1發出的光經斬波片3的通孔後變成紅外光脈衝；一個氣路組件，包括與檢測氣室4a進氣口連接的採樣氣路9和與檢測氣室4a排氣口連接的限流閥15和抽氣泵14，用於在一定時間內把定量的待測量氣體送入檢測氣室4a並在測量完成後排出；所述限流閥15和抽氣泵14分別通過流速檢測12和氣泵控制13連接單片機系統8；一個主控單元，包括儲存有計算程序和控制程序的單片機系統8以及與單片機系統8信號輸出埠連接的控制電路，該控制電路包括電機控制10、腔室切換控制11、流速檢測12和氣泵控制13，用於把所述測量光路組件輸出的電信號反演計算出待測氣體的濃度值以及根據測量需要對所述測量光路組件和氣路組件實施控制；本發明裝置有別於現有技術之處是在所述測量光路組件增設一個參考氣室4b，該參考氣室4b預先氣密封裝有已知濃度的氣體，所述參考氣室4b和檢測氣室4a被安裝在一個腔室切換裝置中，該腔室切換裝置經腔室切換控制11連接所述單片機系統8，所述參考氣室4b與檢測氣室4a在單片機系統8的控制下能夠互相切換，讓其中一個進入所述測量光路組件的測量光路中，以測算反映裝置觀測誤差和計算誤差的校準係數β，用於對氣體濃度的測量結果進行修正。所述校準係數β可以在每一次測量氣體濃度時都進行計算，如果考慮在一段時間內計算出的校準係數β變化很微小，則可讓其在該段時間內維持不變，這個時間段的長短由系統程序設定，所述單片機系統8根據程序設定的時間控制所述參考氣室4b定期(如1個月)切換進入測量光路，以計算測量誤差的校準係數。
所述腔室切換裝置包括槽底有滑軌的凹槽18以及由單片機系統8控制的第一電磁開關17a和第二電磁開關17b，所述參考氣室4b和檢測氣室4a並排安裝在所述凹槽18的滑軌上，第一電磁開關17a和第二電磁開關17b分別設置在所述凹槽18的兩側槽壁，在檢測氣室4a和第二電磁開關17b之間設置一彈簧16；在常態下，所述檢測氣室4a位於測量光路中，當所述單片機系統8控制第一電磁開關17a關閉、第二電磁開關17b打開時，所述參考氣室4b右移被切換到測量光路中，如圖2所示。
所述裝置的控制面板設有與所述腔室切換控制11連接的人工控制按鈕，用戶可根據裝置的使用情況，在認為有必要時人工發出切換參考氣室4b的指令，啟動校準過程，更新裝置內的校準係數。
應用上述測量裝置的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法包括如下步驟a.把一定量的待測氣體通過採樣氣路9抽送至檢測氣室4a；b.驅動電機2在單片機系統8的控制下帶動斬波片3以穩定的速率旋轉，紅外光源1發出的光經斬波片3的通孔後變成紅外光脈衝，該紅外光脈衝穿過檢測氣室4a時被檢測氣室4a內待測氣體的濃度信號所調製；c.調製後的光信號經過中心波長為λ的帶通濾光片5後被紅外傳感器6轉換成電信號，所述待測氣體對波長λ的紅外光具有最大的吸收；例如待測氣體是人體呼吸氣體二氧化碳，則所述波長λ為4.24微米。
d.所述電信號經放大後被送往單片機系統8；e.所述單片機系統8根據所接收到的信號反算出檢測氣室4a內待測氣體的濃度C0，該濃度C0含有儀器元器件的觀測誤差和計算誤差，必須對其進行校準修正；
f.對有誤差的濃度值C0進行校準，C＝C0*β，其中β為校準係數，C即是待測氣體濃度最後的測量結果；本發明方法有別於現有技術之處是採用下面的步驟g獲得所述校準係數β，g.把封裝有濃度為C1的氣體的參考氣室4b切換到上述過程同一個檢測光路中，然後經過與前述完全相同的步驟b至步驟e獲得所述參考氣室4b內氣體濃度的測量值C2，則所述校準係數β＝C1/C2；該係數β體現了裝置測量結果C2相對已知濃度C1的偏離程度，所述校準係數β可以在每次測量時被實時計算，也可以把校準係數β保存在單片機系統8中的非易失存儲器(EEPROM)中供系統在一段時間內反覆使用，測量儀器定期自動啟動步驟g更新所述校準係數β。
測量裝置的面板還設置了一個人工啟動校準的按鈕，因此也可以由用戶根據測量裝置的表現手工啟動步驟g更新所述校準係數β。
所述參考氣室4b內氣體的已知濃度C1的值應選擇與待測氣體濃度範圍的中間值相同或相接近。對某些濃度變化範圍較寬的待測氣體，校準係數β有可能與C1的選擇有關，在這種情況下選擇中間值會有較好的代表性。
不同的氣體具有不同的光吸收特性，只要改變本發明裝置中光源的波長，採用相應的感光元件，改變參考氣室中密封氣體的類型，本發明裝置和方法可以用於所有對紅外光有吸收作用的氣體濃度的測量並實現自動校準。
作為一個實施例，我們可以利用本發明的技術方案製造在醫療上廣泛使用的測量人體呼吸氣體中二氧化碳濃度的裝置，由於二氧化碳對波長為4.24微米的紅外光有最大吸收，因此裝置的光源及感光元件應能產生和分離4.24微米波長的紅外光，相應參考氣室中的密封氣體也為二氧化碳。下面簡述自動校準的測量人體呼吸氣體中二氧化碳濃度的裝置的工作原理斬波片3由驅動電機2帶動以一定頻率旋轉，斬波片上有個通孔，紅外光源1發出的紅外光經過斬波片3後變成光脈衝信號。此光脈衝信號作為經過充有CO2氣體的檢測氣室4a，其中波長在4.26微米附近的紅外光被CO2氣體吸收，使到達探測器的紅外光能量隨測量室中CO2濃度的變化而變化，穿過檢測氣室4a的紅外光經過中心波長為4.24微米的帶通濾光片5後被紅外傳感器6轉換成相應的電信號。並送入單片機系統8進行後續的處理。抽氣泵14通過採樣管從病人呼吸氣體中連續抽取一定量的採樣氣體進入檢測氣室4a進行測量，然後通過排氣口排放到大氣中。單片機系統8通過流速檢測13檢測實時的抽氣速率，並通過氣泵控制14控制氣泵10的抽氣速度，達到穩定採樣氣體抽氣速度的目的。
光源發出的紅外光經過被測氣體後，被二氧化碳氣體吸收，紅外傳感器接收到的光強就發生變化，其變化的規律滿足Beer-Lambert定律I＝I0·e-aLC式中，I0、I分別為吸收前、後的紅外光光強，a為4.24微米波長下二氧化碳氣體的吸收係數，L為被測氣體的有效吸收光程，C為被測氣體的濃度，在測量裝置中I0、a、L均保持不變，所以通過測量衰減後的光強，根據事先制定的衰減光強與二氧化碳濃度關係的曲線查表就可以得到被測二氧化碳氣體的濃度。但是由於不同測量裝置的光源、傳感器、放大電路等之間有差異，因此不同的檢測儀得到的光強——濃度曲線與事先制定的曲線之間有所差異。消除這種差異，一般通過標定的方法來實現。即在檢測儀中通入某種濃度已知(C1)的二氧化碳氣體，檢測儀測量到的濃度為C2，則校準係數β＝C1/C2。檢測儀經過校準後的測量結果就是C*β。
在進行正常測量過程中，檢測氣室4a位於光路中，紅外探測器測量的是通過檢測氣室後4a衰減的光強。參考氣室4b中密封固定濃度的CO2氣體，如5％，當需要校準的時候，由單片機系統8控制電磁開關17a關閉，電磁開關17b打開，則參考氣室4b被切換到光路中，紅外探測器測量的是通過已知濃度的CO2氣體後衰減的光強。單片機系統8根據測量的結果，自動計算校準係數β，並保存在系統中的非易失存儲器(EEPROM)中。校準過程結束後，單片機系統再控制電磁開關，將檢測氣室4a重新切換回到光路中。所述參考氣室4b的長度和密封窗口的材料與檢測氣室4a的完全一致。
權利要求
1.一種利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，包括如下步驟a.把一定量的待測氣體抽送至檢測氣室(4a)；b.讓紅外光脈衝穿過檢測氣室(4a)，穿過檢測氣室(4a)的紅外光脈衝被檢測氣室(4a)內待測氣體的濃度信號所調製；c.調製後的光信號經過中心波長為λ的帶通濾光片(5)後被紅外傳感器(6)轉換成電信號，所述待測氣體對波長λ的紅外光具有最大的吸收；d.所述電信號經放大後被送往單片機系統(8)；e.所述單片機系統(8)根據所接收到的信號反算出檢測氣室(4a)內待測氣體的濃度C0，該濃度C0含有儀器元器件的觀測誤差和計算誤差；f.對有誤差的濃度值C0進行校準，C＝C0*β，其中β為校準係數，C即是待測氣體濃度最後的測量結果；其特徵在於採用下面的步驟g獲得所述校準係數β，g.把封裝有濃度為C1的氣體的參考氣室(4b)切換到上述過程同一個檢測光路中，然後經過與前述完全相同的步驟b至步驟e獲得所述參考氣室(4b)內氣體濃度的測量值C2，則所述校準係數β＝C1/C2。
2.根據權利要求1所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，其特徵在於所述校準係數β在一段時間內維持不變，測量儀器定期自動啟動步驟g更新所述校準係數β。
3.根據權利要求1所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，其特徵在於所述待測氣體為人體呼吸二氧化碳氣體，所述波長λ為4.24微米。
4.根據權利要求1、2或3所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，其特徵在於所述參考氣室(4b)內氣體的已知濃度C1的值與待測氣體濃度範圍的中間值相同或相接近。
5.根據權利要求1、2或3所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，其特徵在於所述步驟b的紅外光脈衝信號是這樣形成的驅動電機(2)在單片機系統(8)的控制下帶動具有通孔的斬波片(3)以一定速率旋轉，紅外光源(3)經過斬波片(3)的通孔後，成為紅外光脈衝。
6.根據權利要求1或3所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法，其特徵在於可以由用戶根據測量裝置的表現，在認為有必要時手工啟動步驟g更新所述校準係數β。
7.一種利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置，包括一個測量光路組件，包括順序布置的紅外光脈衝發生器，檢測氣室(4a)、濾光片(5)、紅外傳感器(6)和放大電路(7)，用於把位於測量光路中的氣體的濃度信號轉換成電信號並把電信號進行選頻放大；一個氣路組件，包括與檢測氣室(4a)進氣口連接的採樣氣路(9)和與檢測氣室(4a)排氣口連接的限流閥(15)和抽氣泵(14)，用於在一定時間內把定量的待測量氣體送入檢測氣室(4a)並在測量完成後排出；一個主控單元，包括儲存有計算程序和控制程序的單片機系統(8)以及與單片機系統(8)信號輸出埠連接的控制電路，用於把所述測量光路組件輸出的電信號反演計算出待測氣體的濃度值以及根據測量需要對所述測量光路組件和氣路組件實施控制，其特徵在於所述測量光路組件還包括預先氣密封裝有已知濃度氣體的參考氣室(4b)，用於測算裝置測量誤差的校準係數，所述參考氣室(4b)和檢測氣室(4a)被安裝在一個腔室切換裝置中，該腔室切換裝置由所述單片機系統(8)發出在所述參考氣室(4b)和檢測氣室(4a)之間的切換指令，讓其中一個進入所述測量光路組件的測量光路中。
8.根據權利要求7所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置，其特徵在於所述腔室切換裝置包括槽底有滑軌的凹槽(18)以及由單片機系統(8)控制的第一電磁開關(17a)和第二電磁開關(17b)，所述參考氣室(4b)和檢測氣室(4a)並排安裝在所述凹槽(18)的滑軌上，第一電磁開關(17a)和第二電磁開關(17b)分別設置在所述凹槽(18)的兩側槽壁，在檢測氣室(4a)和第二電磁開關(17b)之間設置一彈簧(16)；在常態下，所述檢測氣室(4a)位於測量光路中，當所述單片機系統(8)控制第一電磁開關(17a)關閉、第二電磁開關(17b)打開時，所述參考氣室(4b)右移被切換到測量光路中。
9.根據權利要求8所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置，其特徵在於所述紅外光脈衝發生器包括紅外光源(1)、驅動電機(2)和斬波片(3)，所述斬波片(3)上有通孔，驅動電機(2)在單片機系統(8)的控制下帶動斬波片(3)以穩定的速率旋轉，所述紅外光源(1)發出的光經斬波片(3)的通孔後變成紅外光脈衝。
10.根據權利要求9所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置，其特徵在於所述主控單元中的控制電路包括與所述驅動電機(2)連接的電機控制(10)、與所述腔室切換裝置連接的腔室切換控制(11)、與所述限流閥(15)連接的流速檢測(12)和與所述抽氣泵(14)連接的氣泵控制(13)。
11.根據權利要求10所述的利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的裝置，其特徵在於所述裝置的控制面板設有與腔室切換控制(11)連接的人工控制按鈕，用戶可根據裝置的使用情況在認為有必要時人工發出切換參考氣室(4b)的指令，啟動校準過程，更新裝置內的校準係數。
全文摘要
利用紅外光吸收特性自動校準和測量氣體濃度的方法和裝置，其自動校準功能是通過在檢測儀中增加一個參考氣室，該參考氣室中密封有已知濃度的CO
文檔編號G12B13/00GK1912585SQ200510036628
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月12日 優先權日2005年8月12日
發明者張偉, 周慧玲, 武志剛 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司