气体检测装置及气体检测方法

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种气体检测装置及气体检测方法。

背景技术

非色散红外气体传感(NDIR)技术是一种精度高、稳定性好、寿命长等优点的气体传感技术，其大量应用于大气环境污染物监测、工业流程污染物监测及汽车尾气检测等领域。其原理是基于特定波长的红外光经过待测气体时被吸收发生衰减的特性，根据衰减前后的光强对比，利用比尔-郎伯Beer-Lambert定律：I＝I

目前，上述气体检测技术已被广泛应用于工业生产中，但是有些气体的红外吸收比较弱，用NDIR方法很难直接进行测量。例如，对于一氧化碳CO的检测。在一些工业发达地区，空气污染一直是社会十分关注的一大问题，而CO是导致空气污染的重要因素之一，且CO中毒事件也呈逐年增加的趋势。然而，目前的CO检测基本都是针对工业生产需求，而忽略了对人们日常生活环境进行有效的CO检测，当然，这个问题的形成也是有一定的原因：首先，由于空气中CO的允许浓度是＜5ppm，最高可忍受水平是＜50ppm，检测浓度区间低，同时CO气体的红外吸收比较弱，用NDIR方法很难直接进行测量；其次，含碳物质混合物中含碳量g/m3测量成本高，需要使用GC-FID或GC-MS先分离再测量，这一定程度上增加了检测成本，从而限制了CO浓度监测在日常生活检测中的普及性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种低量程、高精度的气体检测装置和检测方法，其可改善某些气体不易检测的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种气体检测装置，包括：参比气路、测量气路及与所述参比气路和所述测量气路均通讯连接的控制系统，所述参比气路与测量气路相互独立设置以分别进行气体浓度检测，所述测量气路中设有一将测量气路内的待测气体转换成易测气体的气体转换器；所述控制系统根据转换后的易测气体的浓度计算得出所述待测气体的浓度。

进一步地，所述气体转换器包括催化器，该催化器设置于所述测量气路的进气端，且该催化器内设有催化剂。

进一步地，所述参比气路呈长条管状，其包括第一气体腔室、位于第一气体腔室一端的第一光源及位于第一气体腔室另一端的第一探测器；所述测量气路呈长条管状，其包括第二气体腔室、位于第二气体腔室一端的第二光源及位于第二气体腔室另一端的第二探测器，所述气体转换器连接至第二气体腔室的进气口。

进一步地，所述催化剂为将一氧化碳转化为二氧化碳的催化剂，所述第一光源和第二光源均为红外光源，所述第一光源、所述第二光源分别与所述第一探测器、第二探测器相对设置，所述第一探测器和第二探测器的敏感波长为4.0μm-4.5μm。

进一步地，所述第一气体腔室与所述第一探测器之间设有滤光片，所述第二气体腔室与所述第二探测器之间设有滤光片。

进一步地，所述参比气路中，所述第一光源、滤光片及第一探测器均位于同一方向上呈对齐设置；所述测量气路中，所述第二光源、滤光片及第二探测器均位于同一方向上呈对齐设置。

一种气体检测方法，包括如下步骤：

设置参比气路和测量气路，且测量气路具有用以将测量气路内的待测气体转换成易测气体的气体转换器；

确定测量气路相对参比气路的转换常数K；

将未知待测气体浓度的测量气体分别通入参比气路和测量气路，获取所述参比气路、所述测量气路分别测得的所述测量气体中的待测气体的浓度差X3，并根据所述转换常数K计算得到该测量气体中的待测气体的浓度C。

进一步地，确定测量气路的转换常数K包括如下步骤：

向参比气路、测量气路均通入第一样本气体，第一样本内的待测气体浓度为A1，获取参比气路和测量气路测得的第一样本气体中的易测气体的浓度差X1；

向参比气路、测量气路均通入第二样本气体，第二样本内的待测气体浓度为A2，获得参比气路和测量气路测得的第二样本气体中的易测气体的浓度差X2；

指依据公式K＝(X2-X1)/(A2-A1)计算得到转换常数K。

进一步地，向参比气路、测量气路通入气体的流量相同。

进一步地，所述待测气体浓度A1＝0ppm；所述待测气体浓度A2大于0ppm。

进一步地，所述待测气体为一氧化碳，所述测量气路利用气体转换器将所述第一样本气体、第二样本气体及测量气体中的一氧化碳转换成二氧化碳，并利用红外光源和探测器对二氧化碳气体的浓度检测。

与现有技术相比，本发明通过气体转换器的设置，将不易被检测的待测气体转换成相对更容易被检测的易测气体，再根据检测结果计算得到转换前的待测气体的浓度，例如在进行一氧化碳CO检测的场景下，利用本发明的检测装置和检测方法，可有效避开一氧化碳CO红外吸收弱不易检测的难点，将一氧化碳转化为红外吸收较强的二氧化碳，降低了一氧化碳的测量难度，提高了检测灵敏度，又保留了NDIR即时测量的优点，在大气一氧化碳监测领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的一种气体检测装置的示意图。

图2为本发明图1所述的气体检测装置的气体流向示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明提供一种气体检测装置，其包括参比气路10、独立于所述参比气路10的测量气路20、与所述参比气路10和测量气路20均通讯连接的控制系统30。

所述参比气路10包括长条管状的第一气体腔室11、位于第一气体腔室11一端的第一光源12、位于第一气体腔室11另一端的第一探测器13。其中，所述第一气体腔室11呈纵长形延伸，其纵向两端分别为进气端及一出气端，所述进气端处设有进气口14，所述第一光源12位于所述进气端处且位于所述进气口14的一侧，两者相邻设置；所述出气端处设有出气口15，且所述出气口15与所述进气口14的延伸方向相同。

在本发明较佳实施例中，所述出气端处还设有一滤光片16，所述滤光片16与所述进气端处的第一光源12相对设置，其可作用于第一光源12发出的光线，使所需的特定波长的光线能够穿过并到达所述第一探测器13。所述第一探测器13位于所述滤光片16的外侧，并与所述滤光片16相对设置，在一种优选方案中，本发明所述的第一光源12、滤光片16及第一探测器13位于同一直线上，使得光线未经额外的折射或反射便可直接到达第一探测器13内，可提高探测结果的准确性，而且所述滤光片16介于第一气体腔室11与第一探测器13之间，使得来自第一气体腔室11的光线必须经过滤波后才能抵达第一探测器13。

所述测量气路20包括管形的第二气体腔室21、位于第二气体腔室21一端的第二光源22、位于第二气体腔室21另一端的第二探测器23以及与所述第二气体腔室21相连的气体转换器27。其中，所述第二气体腔室21呈纵长形延伸，其纵向两端分别为进气端及出气端，所述进气端设有一进气口24，所述第二光源22位于所述进气端处且位于所述进气口24的一侧，两者相邻设置；所述出气端处设有出气口25。同样地，所述第二气体腔室21的出气端处也设有一滤光片26，且所述第二探测器23与所述滤光片26相对设置，所述第二气体腔室21的第二光源22、滤光片26及第二探测器23也位于同一直线上。

可见，所述测量气路20的构造和布局与所述参比气路10大致相似，主要的不同点在于，所述测量气路20的进气端设有气体转换器27，所述气体转换器27的一端与所述第二气体腔室21的进气口24相连接，而所述气体转换器27的另一端也设有进气口28，用于接入气源，在一种优选方案中，本发明所述的气体转换器27为一催化器，催化器内设有催化剂，用于将引入的气源中的待测气体转换生成易测气体，进入所述第二气体腔室21内对易测气体的浓度检测测量，这种设计尤其适用一些对光源吸收较弱的气体的浓度检测。

本发明的实质为：参比气路10测的是进入到该气路中的气体内的易测气体的浓度，而测量气路20测的是进入到该气路中的气体内的易测气体加上待测气体转化成的易测气体的浓度之和。

例如，对一氧化碳CO的浓度检测。所述气体转换器27将一氧化碳转换为二氧化碳进行测量，催化剂为将一氧化碳转换为二氧化钛的催化剂，所述第一光源和第二光源均为红外光源，所述第一光源、所述第二光源分别与所述第一探测器、第二探测器相对设置，所述第一探测器和第二探测器的敏感波长为4.0μm-4.5μm，测的是二氧化碳对红外光线的吸收，然后根据转换后的二氧化碳的浓度转换成一氧化碳的浓度。

所述参比气路10与所述测量气路20并列设置，两者同步进行测量并同时连接至所述控制系统30。所述控制系统30的一端同时连接至所述参比气路10的第一光源12和所述测量气路20的第二光源22，用于对控制所述第一光源12和第二光源22的运行。而控制系统30的另一端则同时连接至所述参比气路10的探测器和测量气路20的探测器13、23，用于接收所述探测器的探测数据，并根据探测数据进行计算并最终输出检测结果。

基于上述气体检测装置，本发明还提供一种气体检测方法，包括如下步骤：

设置参比气路10和测量气路20，且测量气路20具有用以将测量气路内的待测气体转换成易测气体的气体转换器；

确定测量气路相对参比气路的转换常数K；

将未知待测气体浓度的测量气体分别通入参比气路10和测量气路20，获取所述参比气路10、所述测量气路20分别测得的所述测量气体中的待测气体的浓度差X3，并根据所述转换常数K计算得到该测量气体中的待测气体的浓度C。

确定测量气路20相对参比气路10的转换常数K包括如下步骤：1)向参比气路、测量气路均通入第一样本气体，第一样本气体内的待测气体浓度为A1，获取参比气路和测量气路测得的第一样本气体内的易测气体的浓度差X1；2)向参比气路、测量气路均通入第二样本气体，第二样本内的待测气体浓度为A2，获得参比气路和测量气路测得的第二样本气体内的易测气体的浓度差X2；3)指依据公式K＝(X2-X1)/(A2-A1)计算得到转换常数K。

以下将对上述方法进行详细说明，所述气体检测方法包括如下步骤：

Step 1标定零点：利用所述第一样本气体，确定参比气路10和测量气路20测得的易测气体的浓度差X1；

Step 2标定参考点：利用所述第二样本气体，确定参比气路10和测量气路20测得的易测气体的浓度差X2；

Step 3确定转换常数：根据X1和X2，计算得到该测量气路20相对参比气路10的转换常数K；

Step 4测量待测气体：将未知浓度的测量气体通入参比气路10和测量气路20，确定两者测得的易测气体的浓度差X3，并根据所述转换常数K计算得到该待测气体的浓度C。

具体来说，所述Step 1中，利用第一样本气体是指，采用待测气体浓度为A1的第一样本气体，将其以相同流量通入参比气路10和测量气路20内，由探测器分别测出该两气路中的易测气体的浓度值，并计算出两者的浓度差值X1。

所述Step 2中，利用第二样本气体是指，采用待测气体浓度为A2的第二样本气体，将其以相同流量通入参比气路10和测量气路20内，由探测器分别测出该两气路中的易测气体的浓度值，并计算出两者的浓度差值X2。

具体来说，所述Step 3中，确定转换常数是指，利用公式K＝(X2-X1)/(A2-A1)计算得到转换常数K。

具体来说，所述Step 4中，测量待测气体是指，利用公式X＝(X3-X1)/K计算得到该待测气体的浓度C。

由上可知，本发明的气体检测方法的基本原理是，利用在测量气路中设置的气体转换器，将测量气体中不易检测的待测气体成分转换成易测气体；然后通入两次已知待测气体浓度的测量气体进行检测，根据测量气路和参比气路测得的易测气体的浓度差获得测量气路相对参比气路的转换常数K，再将未知待测气体浓度的测量气体通入参比气路、测量气路，并测得两个气路中易测气体的浓度差；最后，利用所述浓度差值与转换常数K，计算得到转换前的待测气体的浓度值。

为了更好地展示本发明气体检测装置及检测方法的运行原理，以下以检测空气中所含一氧化碳CO的浓度为例进行阐述，需要说明的是，以下仅是举例说明，本发明所述的气体检测装置及检测方法并非仅限于对一氧化碳CO的浓度检测。由于空气中一氧化碳CO的浓度很低，普通的检测技术难以进行直接测量，因此，十分适合采用本发明气体检测装置及气体检测方法进行浓度检测。

以下为具体的测量空气中所含一氧化碳CO浓度的检测过程：

标定零点：以相同流量向第一气体腔室11的进气口14和气体转换器的进气口28通入一氧化碳CO浓度为A1的第一样本气体，获得第一探测器13的浓度测量值和第二探测器的浓度测量值，对二者做差值得到浓度差X1；A1优选0ppm，即测量气路20中通过一氧化碳转换成的二氧化碳的浓度为0，此时该浓度差X1为两个气路测量造成的偏差。

标定参考点：以相同流量向第一气体腔室11的进气口14和气体转换器的进气口14通入已知一氧化碳CO浓度为A2的被测气体，获得第一探测器13的浓度测量值和第二探测器的浓度测量值，对二者做差值得到X2；该差值X2包括两个气路测量造成的偏差和一氧化碳转换成的二氧化碳的浓度。

确定转换常数：利用公式K＝(X2-X1)/(A2-A1)计算得到测量气路相对参比气路的转换常数K；

测量待测气体：以相同流量向第一气体腔室11的进气口14和气体转换器的进气口14通入一氧化碳CO浓度未知的测量气体，获得第一探测器13的浓度测量值和第二探测器的浓度测量值，对二者做差值得到X3，并进而根据公式X＝(X3-X1)/K计算得到该待测气体中一氧化碳CO的浓度。通过(X3-X1)去除了两个气路测量造成的偏差。

在整个检测过程中，利用了本发明气体检测装置中的气体转换器，可将浓度较低、对红外吸收较弱的一氧化碳CO转换成二氧化碳CO

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。