一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地，涉及一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统。

背景技术

人类的生存离不开气体环境，且各种气体在整个地球生态环境中都有着广泛的分布。以二氧化碳为例，环境中二氧化碳浓度分布范围很宽，根据WMO温室气体公报，全球大气环境中二氧化碳平均摩尔分数为410.5ppm±0.2ppm，人体呼出气体中二氧化碳含量在4％左右(40000pm)，工业二氧化碳排放浓度更高，如大型钢铁厂烧结机废气可达4-7％，当环境中二氧化碳浓度高于5％时，会导致人严重缺氧，昏迷甚至死亡。现有的气体传感技术主要包括气敏法、质谱法、气相色谱法、电化学分析方法和各种光学方法，如色散红外光谱(NDIR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、光声光谱(PAS)、腔增强吸收光谱(CEAS)以及可调谐二极管吸收光谱(TDLAS)技术等。非光学方法主要通过待测气体的物理化学特性，例如因化学反应产生的电阻、电容或电位的变化等，优势在于工艺简单，成本低，然而他们的长期稳定性以及与杂质气体的交叉敏感性较差。相反，光学方法具有特异性好的优势，但其中FTIR扫描速度慢，易受水汽及杂质气体干扰；PAS容易受其它气体影响，且系统较为复杂，成本较高；CEAS对光路要求高，调试过程复杂，稳定性差；TDLAS需对光源进行精确调制，系统复杂，成本较高。而NDIR具有选择性好，灵敏度高，响应速度快，寿命长且易维修等优势，因而在气体检测领域被广泛应用。

现有技术中的基于NDIR的气体技术大多采用具有参考通道和测量通道的双通道设计，通过测量通道和参考通道的比值以降低部分噪声和基线漂移，提高测量精度，但是参考通道与被测通道采用固定式的光程，其检测浓度范围较小，气室结构比较复杂，调试过程较繁杂。特别是在有些测量中的多通道设计为非共光路系统，抗干扰能力较弱，且测量通道与参考通道中还包含有不同相的噪声，这部分噪声无法通过比值消除，而且两个通道采用的探测器存在响应不一致的问题。此外，因为待测气体浓度测量会受环境因素(比如温度、湿度、气压等)干扰，测量通道和参考通道所测量的波长不一致，无法通过参考通道测量消除环境因素的干扰，所以双通道测量方法受温湿度等环境因素影响较大，需要定期校准零点或增设补偿算法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统，通过单通道变光程测量消除环境温湿度干扰，并且扩大气体测量范围。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法，包括：

基于朗伯比尔定律，修正环境参数，建立传感器输出电压与气体浓度及光程差的函数关系；

根据所述函数关系，建立分析模型，并确定所述分析模型的常量；

利用所述分析模型对待测气体的浓度进行定量分析。

进一步地，所述建立传感器器输出电压与气体浓度及光程差的函数关系，包括：

选择光谱范围包含被测气体的特征吸收波长的光源，在光源照射下，气体浓度C和光程差L以及传感器输出电压U之间的关系表达式S1为：

其中，K

进一步地，所述根据所述函数关系，建立分析模型，并确定所述分析模型的常量，包括：

在不含被测气体的条件下，测量不同光程下的传感器输出电压，并采用最小二乘法进行优化拟合，从而确定函数S(L)；

建立被测气体在所需测量浓度范围的一系列梯度气体浓度的样本，测量不同光程下，不同气体浓度对应的传感器电压，得到作为建模依据的原始电压数据；

对所述原始电压数据进行处理后，进行多项式优化拟合，从而确定表达式S1中的参数K

进一步地，所述利用所述分析模型对待测气体的浓度进行定量分析，包括：

确定合适的光程长度L

根据所选取的光程长度L

将光程差ΔL＝L

进一步地，所述确定合适的光程长度L

以光程最小处L

根据预判断结果，若浓度范围偏大，L

根据本发明的第二方面，提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测系统，用于实现上述的方法，包括：

光源，用于发射红外光，所述红外光的光谱范围包含被测气体的特征吸收波长；

光源驱动模块，用于给光源提供稳定的供电电压以及调制光源；

气室，所述气室为单通道可变光程气室；

探测器模块，用于获取待测气体在不同的气体浓度和光程下的原始电压数据；

数据采集处理模块，用于对所述原始电压进行数据采集并进行数字信号处理。

进一步地，所述光源为带有抛物反射面的宽带光源。

进一步地，所述气室为直射型气室，所述气室呈空心圆柱形，所述气室的内径被构造为能够放置轴向对准的光源和探测器，所述气室在空心圆柱的主体部分开设有通气槽。

进一步地，所述气室的表面开设有多个与外界连通的限位孔，相邻两个所述限位孔之间的间隔距离相同。

进一步地，所述探测器为热释电探测器、热电堆探测器和光电二极管中的任一种，所述探测器的前方设有滤光片，所述滤光片的光谱特性与待测气体的红外吸收峰波段匹配。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

(1)本发明仅用一个通道，通过改变光程进行多次测量来获得包含了多个影响因素参量(如湿度、温度、探测器响应度等)的多组数据，从而解析出气体的浓度，由于温度和湿度等环境因素的影响在解析运算过程中抵消了，所以使用本发明变换光程的测量方法可以避免环境温湿度等因素的干扰。

(2)因为气室采用的是单通道，变光程进行的多次测量属于共光路测量，抗干扰能力强，噪声相同，能够得到比较彻底的消除，并且只需用一个探测器，克服了多个探测器响应不均一的问题，还具有结构简单、量程宽的特点。

(3)本发明的可变光程NDIR宽量程气体检测系统和方法，二氧化碳气体定量分析模型决定系数达0.9929，预测的均方根误差为0.0136，证明本发明的检测系统和方法能显著提高NDIR气体检测方法的量程范围；而且，除了适用于二氧化碳气体，本发明的气体检测系统和方法还适用于其他的气体，具有广泛的应用范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中单通道可变光程测量方法的示意图；

图2为本发明实施例中可变光程NDIR宽量程气体检测系统的结构框图；

图3为本发明实施例中可变光程NDIR宽量程CO

图4为本发明实施例中原始测量需要经过数据处理流程图；

图5为本发明实施例中固定光程下的传感器响应曲线；

图6为本发明本发明实施例中7种气体浓度(0-6000ppm)以及对应的9种光程长度(1-9cm)的实际数据的C-ΔL三维曲面模型；

图7为本发明实施例中温度对测量系统的干扰影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例中的可变光程NDIR宽量程气体检测方法，其设计原理如下：

在气体测量中，不同的气体分子具有各自不同的特征红外吸收峰，在光程一定的情况下，吸光度与浓度满足朗伯比尔定律如表达式(1)：

式中A是待测气体的吸光度，I

式中，I

U＝K×I (4)

综合以上各式，可得

表达式(4)中K为光电转换的系数，与探测器型号以及后续调理电路的放大倍数有关。进一步简化可得出探测器输出电压与气体浓度及光程差的函数关系，满足表达式(5)，其中K

本发明实施例提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法，该方法基于上述设计原理实现，参阅图1，该方法包括：

步骤一：基于朗伯比尔定律，修正环境参数，建立传感器输出电压与气体浓度及光程差的函数关系，该步骤目的为修正环境参数，构建实际测量模型。

表达式(5)为不考虑环境温湿度等因素影响以及光在传播路径上损耗的理想化模型，在实际测量中需要考虑这些问题，现对模型进行环境因素干扰的修正。假设温度T和湿度R对待测气体浓度的干扰用函数f(T，R)表示，如表达式(6)；且在不同光程处，光源发出的光到达探测器过程存在不同程度的损耗，假设损耗函数为S(L)，可得到达探测器的光强I′和修正后的探测器输出的电压U′，如表达式(7)和(8)。

C′＝f(T，R)+C (6)

I′＝S(L)I (7)

U′＝K×I′＝K×S(L)×I (8)

那么修正后的模型为式(9)，

该表达式即为在光谱范围包含被测气体的特征吸收波长的光源照射下，气体浓度C和光程差L

步骤二：建立分析数据模型，确定常量，具体地，根据步骤一中的函数关系，建立分析模型，并确定分析模型的常量。

基于公式(9)，建立分析模型，并确定分析模型的常量，包括：

首先，在不含被测气体的条件(即被测气体浓度为0ppm)下，测量不同光程下的传感器输出电压，并采用最小二乘法进行优化拟合，从而确定公式(9)中的函数S(L)。然后，建立被测气体在所需测量浓度范围的系列梯度气体浓度的样本，测量不同光程下，不同气体浓度对应的传感器电压，得到作为建模依的原始电压数据据；最后，对原始电压数据采用平滑、数字滤波算法等进行处理后，进行多项式优化拟合，从而确定公式(9)中的参数K

由此建立气体浓度和光程差为自变量，传感器输出电压为因变量的三维曲面关系模型，得到分析模型。

步骤三：利用分析模型对待测气体的浓度进行定量分析。具体地，采用具体的测试装置进行测量，将上述的分析模型应用于气体浓度定量，并基于以上三维曲面模型分析待测气体物质的浓度。

首先确定合适的L

然后根据所选取L

再将光程差ΔL＝L

本发明实施例还提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测系统，参阅图2，该系统包括：光源，用于发射红外光，红外光的光谱范围包含被测气体的特征吸收波长；光源驱动模块，用于给光源提供稳定的供电电压以及调制光源；气室，该气室为单通道可变光程气室；探测器模块，用于获取待测气体在不同的气体浓度和光程下的原始电压数据；数据采集处理模块，用于对原始电压进行数据采集并进行数字信号处理。

光源选用宽带光源，其光谱范围包含被测气体的特征吸收波长，为了提高能量利用率，在一些优选的实施例中，光源为带有抛物反射面的宽带光源，采用抛物反射面将反方向传播的光反射到样品通道中。光源驱动模块包括PWM发生器和光源驱动电路，PWM发生器用于产生固定占空比的方波信号传输至电源驱动电路，光源驱动电路用于驱动光源光强按类正弦曲线变化。

在一些优选的实施例中，单通道可变光程气室为直射型气室，结构简单，气室呈空心圆柱形，气室的内径被构造为能够放置轴向对准的光源和探测器，气室在空心圆柱的主体部分开设有通气槽，以保证气室内外气体能够自由交换。气室的圆筒式外壳设计减少光的发散，同时能够固定光源与探头位置。

为实现在与外界交换气体同时便于自由调整光程，气室的表面开设有多个与外界连通的限位孔，相邻两个限位孔之间的间隔距离相同。限位孔除了同通气槽一样具有通气功能外，还具有定位的功能，通过人工操作移动光源到限定位置来实现变化不同的光程。

在一些优选的实施例中，探测器模块包括探头及其驱动电路，探测器为热释电探测器、热电堆探测器和光电二极管中的任一种，探测器的前方设有滤光片，滤光片的光谱特性与待测气体的红外吸收峰波段匹配。

为实现对原始电压的数据采集以及数字信号处理，在一些优选的实施例中，数据采集处理模块包括滤波放大电路、AD转换和数据采集电路。

本实施例中系统还包括电源模块，电源模块通过电压转换电路共分为两部分，一部分用于驱动光源驱动模块，另一部分通过用于驱动探测器模块。

本发明一优选实施例中，CO

根据上述原理，本发明实施例中的可变光程NDIR宽量程气体检测系统，仅用一个通道，通过改变光程进行多次测量，获得包含多个影响因素参量的多组数据，从而解析出气体的浓度；同时气室采用的是单通道，变光程进行的多次测量属于共光路测量，抗干扰能力强，噪声相同，能够得到彻底的消除，并且只用一个探测器，克服了探测器响应不均一的问题，还具有结构简单，特别是量程宽的特点。相对于现有技术中的双通道探测系统，本发明测量范围更大、系统体积更小、成本更低、稳定性更高，从而为二氧化碳等气体的检测提供了一种更简单准确的方法。

为了更好说明本发明上述的超宽范围的可变光程NDIR宽量程气体检测系统和方法，以下结合具体的应用实施例来进行描述，以便了解实现的细节，但是应当理解的是，以下实施例并不用于限定本发明。具体的，以二氧化碳的浓度测量为例。

本应用实施例中，二氧化碳的浓度定量分析方法按照以下步骤进行：

第一步，建立气体测量系统。

本步骤中采用的可变光程NDIR宽量程气体检测系统，参阅图3。为了测量二氧化碳的浓度，测量系统的具体结构参数选择为：

光源选择涵盖CO

第二步，为了确定二氧化碳的C-ΔL模型中的参数，进行以下操作：

本发明实施例选取M种不同的浓度的标准气体样品和N种不同的光程长度作为定标自变量，使用单通道可变光程的NDIR宽量程高精度气体检测平台，获得探测器模块输出的原始电压信号。不同浓度测量前需进行洗气操作，即用氮气(纯度达99.99％)冲扫整个气体密封罐(包含气室在内)，然后用真空泵将容器抽至真空，重复以上操作3-4次，接着开始气体测量。对传感器输出的M*N组原始输出电压数据进行平滑、数字滤波算法，提取原始数据中电压峰值强度作为传感器输出电压。以气体浓度和光程长度作为自变量，以传传感器输出电压作为因变量，构建三维曲面定标模型，进行定量分析。

第三步，根据建立的定标模型获取待测气体的浓度，如图4所示的流程图进行浓度测量。

首先测量光程取最小L

实施例结果分析：

传统固定光程的测量方法中，光程会限制测量气体的浓度检测范围，如图5显示。图5为固定光程L分别为2、4、8cm时的传感器响应变化曲线，可知在长光程下测量范围有限，但是拟合曲线斜率搭说明测量精度高，反之短光程测量范围大，但测量精度小。

二氧化碳气体浓度分别选取(0，500，1000，2000，3000，4000，6000ppm)共七种，光程选取1，2，3，4，5，6，7，8，9cm共9种光程，进行原始电压数据采集，然后对原始电压数据进行处理。对于原始电压数据进行处理包括Goertzel数字滤波、归一化，获得传感器输出电压。利用所有样品的最终传感器输出电压，和对应的样品的浓度与光程，建立定量分析模型即三维曲面定标模型。以气体浓度和光程长度作为自变量，传感器响应作为因变量构建三维曲面定标模型。本实施例中，以7种气体浓度(0，496，1001，2002，3000，4004和6000ppm)作为x轴，光程差(ΔL＝1，2，3，4，5，6，7，8cm)作为y轴，相对应的传感器输出电压作为z轴构建三维曲面模型，并进行三维曲面拟合，拟合二元五次曲面方程的形式为：

z＝p

p

p

p

p

其中，x为气体浓度，y为光程差，拟合曲面模型的决定系数R

此外，为了验证模型式(9)的建立过程中消除了环境温湿度的干扰，选取不同温度的实验环境进行对照测量。实验过程中控制环境温度分别为25℃、35℃、45℃、55℃，待测气体选取浓度为2000ppm的标样气体，光程选取L

实验结果充分证明，本发明实施例提出的方法，相比于单光程测量方法，能获取更宽量程的待测气体信息，且消除环境温度和湿度的干扰(如图7所示)，能显著扩大非色散红外技术的测量范围和测量精度。除了适用于二氧化碳气体，本发明的气体检测系统和方法还适用于其他的气体，具有广泛的应用范围。

本发明上述实施例中的单通道可变光程的NDIR宽量程高精度检测方法和系统，仅用一个通道，通过改变光程进行多次测量来获得包含了多个影响因素参量(如湿度、温度、探测器响应度等)的多组数据，从而解析出气体的浓度，得到气体浓度C和光程差ΔL的关系式。由于温度和湿度等环境因素的影响在解析运算过程中被抵消了，所以使用变换光程的测量方法可以避免环境温湿度等因素的干扰，因为气室采用的是单通道，变光程进行的多次测量属于共光路测量，抗干扰能力强，噪声相同，能够得到彻底的消除，并且只用一个探测器，克服了探测器响应不均一的问题，还具有结构简单，特别是量程宽的特点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。