採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法

2023-12-11 15:02:07 3

專利名稱：採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法
技術領域：
本發明涉及利用非色散紅外技術來測量氣體的方法領域，具體為一種採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法。
背景技術：
工農業生產中經常檢測二氧化碳的濃度的需要，早期採用電化學式和熱傳導式傳感器，這類傳感器體積小，但抗幹擾性差，長時間使用性能不穩定；也有採用固體電解質傳感器，這種傳感器工作溫度高，加熱功耗大。目前應用最多的是採用非色散紅外(英文全稱non dispersive infrared,簡稱NDIR)的傳感器，NDIR檢測的原理是檢測二氧化碳分子對特定波長的吸收，根據測得的吸收強度再依據朗伯-比爾吸收定律計算二氧化碳濃度。NDIR檢測儀的構成包括:紅外光源、探測器、鍍金氣室以及數據採集系統，其中紅外光源和探測器置於鍍金氣室內，紅外光源發射特定波長範圍的紅外線，由探測器經過濾光片只接收特定波長的紅外譜線，探測器有單窗口和雙窗口兩種類型，兩種探測器都設有溫度傳感器，用以溫度補償。雙窗口型的一個窗口是參比窗口，這個窗口所吸收的波長不受二氧化碳影響，另一個窗口吸收的波長是和二氧化碳有關，兩個窗口輸出的信號經過對比換算，就可以消除光源老化、氣室進入灰塵等因素的影響，也可以減小溫度變化帶來的影響，因此雙窗口型檢測精度高，工作穩定，但價格較高。單窗口沒有參比窗口，就會受上述因素的影響，但價格相對便宜。然而，單雙窗口的探測器在使用一定時間後都會產生線性漂移，由於各地的大氣壓強不同導致測量的結果也不同，這就需要重新校正檢測儀，校正時需要配備標準氣體，由專業人員配備專用校準器具校正，操作複雜，維護困難。

發明內容
為了克服現有技術的缺陷，提供一種操作方便、檢測精度高、維護容易的二氧化碳濃度檢測具有自校正的方法，本發明公開了一種採用非色散紅外(NDIR)檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法。本發明通過如下技術方案達到發明目的:
一種採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，採用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測儀包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數據採集器，單窗口探測器內設有溫度傳感器，數據採集器內設有緩衝區和寄存器，其特徵是:按預備、自校正數據處理和溫度補償這3個步驟依次進行:
(1)預備:預備步驟時，對非色散紅外檢測儀通電30分鐘以上，直至鍍金氣室的溫度達到平衡，隨後將非色散紅外檢測儀置於大氣流通的潔淨場所開始自校正，對大氣的要求是二氧化碳含量為360ppm 440ppm且風力不小於2級；
(2)自校正數據處理:自校正數據處理步驟包括定時等待、定時採集和數據換算，
定時等待時，定時等待時間為2分鐘，定時等待期內數據採集器只採集探測器輸出經
放大器放大後的電壓值，不做任何處理；定時採集時，定時採集時間為6分鐘，定時採集包括數據採集、數據處理和數據存儲，數據採集時，數據採集器連續採集探測器輸出經放大器放大後的電壓值，並將數據逐個存入緩衝區，緩衝區的數量至少為10個，
緩衝區數據存滿後執行數據處理，數據處理按如下步驟依次進行:找出緩衝區中數據的最大值和最小值並求出最大值和最小值的差值，令差值為V (最大-最小)，然後剔除最大值和最小值以對剩餘的數據求平均值，令平均值為V(平均)，同時測量並記錄當前單窗口探測器內溫度傳感器的溫度值，令溫度值為T (校正時溫度)，
數據存儲時，將V (最大-最小)、V (平均)和T (校正時溫度)分別存入寄存器；
完成數據存儲後，若定時採集時間尚未結束，則重新進行數據採集和數據處理，隨後比較本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大於上次平均值，則執行數據存儲，將本次平均值V (平均)、差值V (最大-最小)和溫度值T (校正時溫度)分別存入寄存器以覆蓋原有數據，否則保持寄存器原有數值不變，如此循環直至定時採集時間結束，此時寄存器內存儲的即為多個平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所對應樣本中最大值和最小值的差值V (最大-最小)，和所述平均值最大值所對應時刻探測器溫度傳感器所測得的溫度值T (校正時溫度)，
數據換算時，根據下述二氧化碳濃度換算公式:C(測量值)=v(測量值)X [Cn-C (η-1) ] / [V (n-1) -Vn]，並將寄存器中的差值V (最大-最小)代替V測量值換算成二氧化碳濃度值，如果求出的C測量值大於20ppm則返回定時等待步驟重新進行，如果小於20ppm則再定時2分鐘，
定時2分鐘時間內，首先根據二氧化碳濃度換算公式將寄存器中的平均值V (平均)的最大值代替V(測量值)計算出濃度值，將計 算出的濃度值與400ppm比較得出一個差值，即C(400ppm差值)，然後連續採集數據，根據下述實際二氧化碳濃度換算公式將採集的數據代替V (測量值)，求出實際二氧化碳濃度值，直至本次定時結束，將每次求出的實際濃度值判斷是否在380ppm 420ppm之間，如果超出這一範圍則返回定時等待步驟重新進行，否則跳轉正常測量模式，
實際二氧化碳濃度換算公式:
C(實際濃度值)=C(測量值)+C(400ppm差值)=V(測量值)X [Cn-C(n-1)]/[V (n-1) -Vn] +C (400ppm 差值)，
由採集的數據換算二氧化碳濃度的公式推導:換算公式推導根據查表數據，查表數據的求出根據試驗幾種不同標準濃度測出探測器輸出經放大器放大後的電壓值，試驗數據對應表:{Cl/Vl ；C2/V2 ；……;Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳標準濃度值，Vn表示標準二氧化碳濃度值測出對應探測器輸出的電壓值，可推導出二氧化碳濃度換算公式:
C (測量值)=V (測量值)X [Cn-C (n-1) ] / [V (n-1) -Vn]，
其中:v(測量值)指測量出的電壓值，C(測量值)指換算出的二氧化碳濃度值；
(3)溫度補償:C(溫度補償後的標準濃度值)=C(實際濃度值)+C(溫度補償值)，
求C(溫度補償值)的方法:將非色散紅外檢測儀放置在標準濃度下的二氧化碳氣箱中，改變氣箱溫度並使之平衡然後記錄數據:{T1/C1 ；T2/C2 ；……；Tn/Cn}，Tn表示不同溫度，Cn表示溫度在Tn時所對應的二氧化碳濃度，則溫度T的補償值為:C(溫度補償值)=[Cn-C (n-1) ] / [Tn-T (n-1) ] X [T-T (校正溫度)]，其中 T 在 Tn 和 T [η-1]之間。
所述的採用非色散紅外自校正式檢測二氧化碳濃度的方法，其特徵是:數據採集器內緩衝區的數量為12個。本發明採用單窗口探測器的非色散紅外檢測儀，用軟體做溫度補償，用自校正方法消除光源老化和氣室中進入灰塵的影響，校準方法簡單，可消除任何影響測量準確性的因素，如環境中二氧化碳濃度不穩定、環境溫度和大氣壓強的波動、紅外光源老化、氣室進入灰塵等因素，保證了校正的準確度。本發明的有益效果是:測量精確可靠，抗幹擾性強，長時工作穩定性好。
具體實施例方式以下通過具體實施例進一步說明本發明。實施例1
一種採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，採用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測儀包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數據採集器，單窗口探測器內設有溫度傳感器，數據採集器內設有緩衝區和寄存器，其特徵是:按預備、自校正數據處理和溫度補償這3個步驟依次進行:
(1)預備:預備步驟時，對非色散紅外檢測儀通電30分鐘以上，直至鍍金氣室的溫度達到平衡，隨後將非色散紅外檢測儀置於大氣流通的潔淨場所開始自校正，對大氣的要求是二氧化碳含量為360ppm 440ppm且風力不小於2級，；
(2)自校正數據處理:自校正數據處理步驟包括定時等待、定時採集和數據換算，
定時等待時，定時等待時間為2分鐘，定時等待期內數據採集器只採集探測器輸出經
放大器放大後的電壓值，不做任何處理；
定時採集時，定時採集時間為6分鐘，定時採集包括數據採集、數據處理和數據存儲，數據採集時，數據採集器連續採集探測器輸出經放大器放大後的電壓值，並將數據逐個存入緩衝區，緩衝區的數量至少為10個，本實施例取12個，
緩衝區數據存滿後執行數據處理，數據處理按如下步驟依次進行:找出緩衝區中數據的最大值和最小值並求出最大值和最小值的差值，令差值為V (最大-最小)，然後剔除最大值和最小值以對剩餘的數據求平均值，令平均值為V (平均)，同時測量並記錄當前單窗口探測器內溫度傳感器的溫度值，令溫度值為T (校正時溫度)，
數據存儲時，將V (最大-最小)、V (平均)和T (校正時溫度)分別存入寄存器；
完成數據存儲後，若定時採集時間尚未結束，則重新進行數據採集和數據處理，隨後比較本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大於上次平均值，則執行數據存儲，將本次平均值V (平均)、差值V (最大-最小)和溫度值T (校正時溫度)分別存入寄存器以覆蓋原有數據，否則保持寄存器原有數值不變，如此循環直至定時採集時間結束，此時寄存器內存儲的即為多個平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所對應樣本中最大值和最小值的差值V (最大-最小)，和所述平均值最大值所對應時刻探測器溫度傳感器所測得的溫度值T (校正時溫度)，
數據換算時，根據下述二氧化碳濃度換算公式:C(測量值)=v(測量值)X [Cn-C (n-1) ] / [V (n-1) -Vn]，並將寄存器中的差值V (最大-最小)代替V測量值換算成二氧化碳濃度值，如果求出的C測量值大於20ppm則返回定時等待步驟重新進行，如果小於20ppm則再定時2分鐘，
定時2分鐘時間內，首先根據二氧化碳濃度換算公式將寄存器中的平均值V (平均)的最大值代替V(測量值)計算出濃度值，將計算出的濃度值與400ppm比較得出一個差值，即C(400ppm差值)，然後連續採集數據，根據下述實際二氧化碳濃度換算公式將採集的數據代替V (測量值)，求出實際二氧化碳濃度值，直至本次定時結束，將每次求出的實際濃度值判斷是否在380ppm 420ppm之間，如果超出這一範圍則返回定時等待步驟重新進行，否則跳轉正常測量模式，
實際二氧化碳濃度換算公式:
C(實際濃度值)=C(測量值)+C(400ppm差值)=V(測量值)X [Cn-C(n-1)]/[V (n-1) -Vn] +C (400ppm 差值)，
由採集的數據換算二氧化碳濃度的公式推導:換算公式推導根據查表數據，查表數據的求出根據試驗幾種不同標準濃度測出探測器輸出經放大器放大後的電壓值，試驗數據對應表:{Cl/Vl ；C2/V2 ；……;Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳標準濃度值，Vn表示標準二氧化碳濃度值測出對應探測器輸出的電壓值，可推導出二氧化碳濃度換算公式: C (測量值)=V (測量值)X [Cn-C (n-1) ] / [V (n-1) -Vn]，
其中:v(測量值)指測量出的電壓值，C(測量值)指換算出的二氧化碳濃度值；
(3)溫度補償:C(溫度補償後的標準濃度值)=C(實際濃度值)+C(溫度補償值)，
求C(溫度補償值)的方法:將非色散紅外檢測儀放置在標準濃度下的二氧化碳氣箱中，改變氣箱溫度並使之平衡然後記錄數據:{T1/C1 ；T2/C2 ；……；Tn/Cn}，Tn表示不同溫度，Cn表示溫度在Tn時所對應的二氧化碳濃度，則溫度T的補償值為:C(溫度補償值)=[Cn-C (n-1) ] / [Tn-T (n-1) ] X [T-T (校正溫度)]，其中 T 在 Tn 和 T [η-1]之間。
權利要求
1.一種採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，採用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測儀包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數據採集器，單窗口探測器內設有溫度傳感器，數據採集器內設有緩衝區和寄存器，其特徵是:按預備、自校正數據處理和溫度補償這3個步驟依次進行: (1)預備:預備步驟時，對非色散紅外檢測儀通電30分鐘以上，直至鍍金氣室的溫度達到平衡，隨後將非色散紅外檢測儀置於大氣流通的潔淨場所開始自校正，對大氣的要求是二氧化碳含量為360ppm 440ppm且風力不小於2級； (2)自校正數據處理:自校正數據處理步驟包括定時等待、定時採集和數據換算， 定時等待時，定時等待時間為2分鐘，定時等待期內數據採集器只採集探測器輸出經放大器放大後的電壓值，不做任何處理； 定時採集時，定時採集時間為6分鐘，定時採集包括數據採集、數據處理和數據存儲，數據採集時，數據採集器連續採集探測器輸出經放大器放大後的電壓值，並將數據逐個存入緩衝區，緩衝區的數量至少為10個， 緩衝區數據存滿後執行數據處理，數據處理按如下步驟依次進行:找出緩衝區中數據的最大值和最小值並求出最大值和最小值的差值，令差值為V(最大-最小)，然後剔除最大值和最小值以對剩餘的數據求平均值，令平均值為V(平均)，同時測量並記錄當前單窗口探測器內溫度傳感器的溫度值，令溫度值為T (校正時溫度)， 數據存儲時，將V(最大-最小)、V(平均)和T (校正時溫度)分別存入寄存器； 完成數據存儲後，若定時採集時間尚未結束，則重新進行數據採集和數據處理，隨後比較本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大於上次平均值，則執行數據存儲，將本次平均值V (平均)、差值V (最大-最小)和溫度值T (校正時溫度)分別存入寄存器以覆蓋原有數據，否則保持 寄存器原有數值不變，如此循環直至定時採集時間結束，此時寄存器內存儲的即為多個平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所對應樣本中最大值和最小值的差值V (最大-最小)，和所述平均值最大值所對應時刻探測器溫度傳感器所測得的溫度值T (校正時溫度)， 數據換算時，根據下述二氧化碳濃度換算公式:C(測量值)=v(測量值)X [Cn-C (η-1) ] / [V (n_l) -Vn]，並將寄存器中的差值V (最大-最小)代替V測量值換算成二氧化碳濃度值，如果求出的C測量值大於20ppm則返回定時等待步驟重新進行，如果小於20ppm則再定時2分鐘， 定時2分鐘時間內，首先根據二氧化碳濃度換算公式將寄存器中的平均值V (平均)的最大值代替V (測量值)計算出濃度值，將計算出的濃度值與400ppm比較得出一個差值，即C(400ppm差值)，然後連續採集數據，根據下述實際二氧化碳濃度換算公式將採集的數據代替V (測量值)，求出實際二氧化碳濃度值，直至本次定時結束，將每次求出的實際濃度值判斷是否在380ppm 420ppm之間，如果超出這一範圍則返回定時等待步驟重新進行，否則跳轉正常測量模式， 實際二氧化碳濃度換算公式: C(實際濃度值)=C(測量值)+C(400ppm差值)=V(測量值)X [Cn_C(n_l)]/[V (η-1) -Vn] +C (400ppm 差值)， 由採集的數據換算二氧化碳濃度的公式推導:換算公式推導根據查表數據，查表數據的求出根據試驗幾種不同標準濃度測出探測器輸出經放大器放大後的電壓值，試驗數據對應表:{Cl/Vl ；C2/V2 ；……;Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳標準濃度值，Vn表示標準二氧化碳濃度值測出對應探測器輸出的電壓值，可推導出二氧化碳濃度換算公式:C (測量值)=V (測量值)X [Cn-C (η-1) ] / [V (n_l) -Vn]， 其中:v(測量值)指測量出的電壓值，C(測量值)指換算出的二氧化碳濃度值； (3)溫度補償:C(溫度補償後的標準濃度值)=C(實際濃度值)+C(溫度補償值)， 求C(溫度補償值)的方法:將非色散紅外檢測儀放置在標準濃度下的二氧化碳氣箱中，改變氣箱溫度並使之平衡然後記錄數據:{Tl/Cl ；T2/C2 ；……；Tn/Cn}，Tn表示不同溫度，Cn表示溫度在Tn時所對應的二氧化碳濃度，則溫度T的補償值為:C (溫度補償值)=[Cn-C (n-1) ] / [Tn-T (n_l) ] X [T-T (校正溫度)]，其中 T 在 Tn 和 T [n_l]之間。
2.如權利要求1所述的採用非色散紅外自校正式檢測二氧化碳濃度的方法，其特徵是:數據採集器內緩衝 區的數量為12個。
全文摘要
本發明涉及利用非色散紅外技術來檢測氣體濃度的方法領域，具體為一種採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法。一種採用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，採用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測部分包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數據採集器，單窗口探測器內設有溫度傳感器，數據採集器內設有緩衝區和寄存器。其自校正特徵是按預備、自校正數據處理和溫度補償這3個步驟依次進行。本發明測量精確可靠，抗幹擾性強，長時工作穩定性好。
文檔編號G01N21/35GK103175803SQ20111044162
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者黃立彬, 孟志華 申請人:上海儀華儀器有限公司