气体浓度监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有温度气压自动补偿的CO2气体浓度监测装置及方法，可以实现在更宽的温度范围和气压范围中对CO2气体浓度的精确检测，适应于低温低压环境中CO2气体浓度监测。本发明采用双波长红外监测原理和吸入式结构进行CO2气体的浓度监测，具有适应低温低压环境、精度和可靠性高等优点。采用双通道红外探测器消除了光源不稳定等因素的干扰、采用反射镜增加红外光的吸收长度、采用加热元件和保温材料增强装置环境适应性、采用锥形集光器增强了接收光强以及进行温度气压自动补偿、修正，有效地提高了CO2气体监测的精度。
【专利说明】一种具有温度气压自动补偿的co2气体浓度监测装置及方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于co2气体浓度监测领域，具体涉及采用双波长红外监测原理和吸入式 结构，带有温度补偿压力自动补偿，具有数字信号输出的高精度co2气体浓度监测方法及装 置。
【背景技术】
[0002] 日常环境中存在一定浓度的C02气体，但是若C02气体浓度过高将对人的生命安全 造成威胁，因此在某些特殊场合对环境中co2气体浓度的实时监测越来越受到重视。
[0003] 红外气体浓度监测技术是目前C02气体浓度监测方法的热点之一，红外气体浓度 监测技术具备灵敏度高、精度高、稳定性好、具有良好的选择性、可靠性高、寿命长等优点。 但是，目前常见的红外co2气体浓度监测技术存在温度补偿范围较小，且不带压力补偿等问 题，对于高海拔地区无法进行精确监测，使得红外co2气体浓度监测技术在高海拔地区的应 用受到限制。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种高精度和高可靠性的吸入式co2气体浓度 监测方法及装置，带有加热保温措施、温度气压自动补偿处理程序，可以实现在更宽的温度 范围和气压范围中对co2气体浓度的精确检测，适应于低温低压环境的co2气体浓度监测。
[0005] 本发明采用的技术方案为：一种具有温度气压自动补偿的C02气体浓度监测装置， 包括红外光源、聚光镜、压力传感器、温度传感器、反射镜、集光器、双通道红外探测器、参比 滤光片、测量滤光片、气室、信号处理板、加热元件、保温材料、引气管、出气口、进气口、信号 输出接口、金属外壳、骨架和反射镜座；内部中空的骨架形成一个气室，其上设出气口和进 气口，气室左端装有红外光源，红外光源前设置聚光镜，气室右端装有反射镜，反射镜通过 反射镜座固定，双通道红外探测器前面设置有测量滤光片和参比滤光片，测量滤光片和参 比滤光片的前端设有集光器，在双通道红外探测器侧面设置一个温度传感器，实时监测双 通道红外探测器的温度，在双通道红外探测器和红外光源之间设置引气管，将压力传感器 置于引气管中，从而获得气压信号，双通道红外探测器和红外光源左侧与信号处理板相接， 将获得的气体浓度、气压和双通道红外探测器的温度信号送入信号处理板中，然后通过信 号传输接口向外输出信号，紧贴骨架环绕一圈的加热元件，对装置进行加热，在加热元件外 层包裹保温材料，以防热量的散失，整个装置外安装金属外壳进行固定和保护。
[0006] 本发明另外提供一种具有温度气压自动补偿的C02气体浓度监测方法，利用上述 的具有温度气压自动补偿的co2气体浓度监测装置，该co2气体浓度监测方法具体是：
[0007] 启动加热元件，进行自动恒温控制，通过真空泵连接出气口，促使被测气体由进气 口不断流入气室，在气室中，红外光源发出红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气 室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸 收，锥形集光器将反射镜反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片和参比滤光片到达双 通道红外探测器，双通道红外探测器两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信 号和一个包含被测气体浓度信息的信号，根据事先写入的co2气体浓度计算模型得到被测 co2气体的浓度。与此同时，由压力传感器获得的气压信号和由温度传感器获得的双通道红 外探测器的温度信号输入到信号处理板，信号处理板再对co2气体浓度进行温度、气压自动 补偿，从而得到真实的co2气体的浓度，将此co2气体浓度对外输出。
[0008] 其中，针对co2气体的特性，采用多点标定方法，建立co2气体浓度计算模型。标定 时，在co2气体浓度监测量程范围内选择多个浓度点，配制不同浓度的标准混合气，根据测 量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量C以消除光源的影响，根据C值与 标准浓度仰值之间的对应关系建立co2气体浓度计算模型，将此模型及标定时的温度、气压 信息一并写入单片机存储器内。实际测量时，信号处理板接收测量电压、参比电压和温度、 气压四个数值，先计算出co2气体浓度信息变量C，以排除可能存在的光源波动和环境影响， 再根据事先写入的co2气体浓度计算模型计算出对应的浓度值。然后根据温度、气压进行 温度、气压补偿，得到补偿后的co2气体浓度，此浓度即为被测co2气体的真实浓度值。
[0009] 本发明与现有相比的优点为：
[0010] 本发明采用双波长红外监测原理和吸入式结构进行co2气体的浓度监测，具有适 应于低温低压环境、精度和可靠性高等优点。采用双通道红外探测器消除了光源不稳定等 因素的干扰、采用反射镜增加红外光的吸收长度、采用加热元件和保温材料增强装置环境 适应性、采用锥形集光器增强了接收光强以及进行温度气压自动补偿、修正，有效地提高了 co2气体监测的精度。根据co2气体特性建立的计算模型、标定及算法，保证了co2气体监测 的准确性。测试结果数字输出，带有温度气压自动补偿等，使得输出结果更加准确、便利。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的装置的结构示意图；
[0012] 图中：1为红外光源；2为聚光镜；3为压力传感器；4为温度传感器；5为反射镜；6 为集光器；7为双通道红外探测器；8为参比滤光片；9为测量滤光片；10为气室；11为信号 处理板；12为加热元件；13为保温材料；14为引气管；15为出气口；16为进气口；17为信号 输出接口； 18为金属外壳；19为骨架；20为反射镜座；
[0013] 图2为九点标定方法流程图；
[0014] 图3为本发明的数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0016] 本实施例的结构如图1所示，内部中空的骨架19形成一个气室10,其上设出气口 15和进气口 16,气室10左端装有红外光源1，红外光源1前设置聚光镜2,气室10右端装 有反射镜5,反射镜5通过反射镜座20固定，双通道红外探测器7前面设置有测量滤光片9 和参比滤光片8,测量滤光片9和参比滤光片8的前端设有锥形集光器6,在双通道红外探 测器7侧面设置一个温度传感器4,实时监测双通道红外探测器的温度，在双通道红外探测 器7和红外光源1之间设置引气管14,将压力传感器3置于引气管14中，从而获得气压信 号，双通道红外探测器7和红外光源1左侧与信号处理板11相接，将获得的气体浓度、压力 和双通道红外探测器的温度信号送入信号处理板11中，然后通过信号传输接口 17向外输 出信号，紧贴骨架19环绕一圈加热元件12,对装置进行加热，在加热元件12外层包裹保温 材料13,以防热量的散失，整个装置外安装金属外壳18进行固定和保护。
[0017] 根据红外光谱理论，不同气体分子对其特定波长的红外光有明显的吸收作用。根 据朗伯-比尔定律：I=Lexp^iiCL)其中I为出射光强，L为入射光强，ii为气体的吸收 系数，C为待测气体浓度，L为透射光路的长度；从以上公式可知，当透射光路长度L和气体 吸收系数U已知时，可以通过测量I和^的比值计算出被测气体的浓度。实际应用中，由 于红外光很容易受多种因素（如温度，气压，电源电压波动，光源老化等）影响，仅通过单一 光束透射光强的衰减不能足以准确地监测气体的浓度。基于双波长红外监测原理在单波长 红外监测的基础上增加一个参比波长，即使用双通道红外探测器、双滤光片及处理双波长 信号对应的电子电路及算法实现对气体浓度的监测。一个滤光片为测量滤光片，监测被测 气体对红外光的吸收，其中心波长对应被监测气体的吸收波长，另一个为参比滤光片，用于 监测红外光源的波动，其中心波长为对所有气体均不吸收的波长。双波长监测方法就是通 过监测，得到透过两个滤光片后，相应波长的红外吸收能量的变化，确定被测气体的存在及 浓度信息。
[0018] 装置工作时，启动加热元件，进行恒温控制，通过真空泵连接出气口，促使被测气 体由进气口不断流入气室10,在气室中，红外光源1发出红外光，经过聚光镜2的聚焦、准 直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜5上之后被反射，红外光 再次通过气室并被吸收，锥形集光器6将反射镜5反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光 片9和参比滤光片8到达双通道红外探测器7,双通道红外探测器7两个通道分别产生一 个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的信号，根据事先写入的 C〇2气体浓度计算模型得到被测C02气体的浓度。与此同时，由压力传感器3获得的气压信 号和由温度传感器4获得的双通道红外探测器7的温度信号输入到信号处理板11，信号处 理板11再对C02气体浓度进行温度、压力自动补偿，从而得到真实的C02气体的浓度，将此 C〇2气体浓度对外输出。
[0019] 数据处理程序针对co2气体的特性，采用多点标定的方法，本实施例选择九个标定 点，建立C02气体浓度计算模型，九点标定方法的流程见附图2。标定时，在C02监测量程范围 内选择9个浓度点，配制标准混合气，送入标准混合气后，根据测量电压Vm和参比电压VK6f 得到一个只包含气体浓度信息的变量C以消除光源的影响，根据C值与标准浓度q>0值之间 的对应关系建立co2气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内。实际监测时，信号 处理板11接收测量电压Vm、参比电压VKrf、气压Pm和温度Tm四个数值，先计算出气体浓度信 息变量C，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型采用查 表法计算出对应的浓度值9?。然后根据温度Tm计算出温度补偿系数Ki进行温度补偿，根据 气压Pm计算出气压补偿系数K2进行气压补偿，得到补偿后的气体浓度9,此浓度即为被测 C〇2气体的真实浓度值，将此数值对外输出，其流程见附图3。
[0020] 本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1. 一种具有温度气压自动补偿的CO2气体浓度监测装置，其特征在于：包括红外光源 (1)、聚光镜（2)、压力传感器（3)、温度传感器（4)、反射镜（5)、集光器（6)、双通道红外探测 器（7)、参比滤光片（8)、测量滤光片（9)、气室（10)、信号处理板（11)、加热元件（12)、保温 材料（13)、引气管（14)、出气口（15)、进气口（16)、信号输出接口（17)、金属外壳（18)、骨 架（19)和反射镜座（20);内部中空的骨架（19)形成一个气室（10)，其上设出气口（15)和 进气口（16)，气室（10)左端装有红外光源（1)，红外光源（1)前设置聚光镜（2)，气室（10) 右端装有反射镜（5)，反射镜（5)通过反射镜座（20)固定，双通道红外探测器（7)前面设置 有测量滤光片（9)和参比滤光片（8)，测量滤光片（9)和参比滤光片（8)的前端设有锥形集 光器（6)，在双通道红外探测器（7)侧面设置一个温度传感器（4)，实时监测双通道红外探 测器（7)的温度，在双通道红外探测器（7)和红外光源⑴之间设置引气管（14)，将压力传 感器⑶置于引气管（14)中，从而获得气体压力值信号，双通道红外探测器（7)和红外光 源（1)左侧与信号处理板（11)相接，将获得的气体浓度、气压和双通道红外探测器温度信 号送入信号处理板（11)中，然后通过信号传输接口（17)向外输出信号，紧贴骨架（19)环 绕一圈加热元件（12)，对装置进行加热，在加热元件（12)外层包裹保温材料（13)，以防热 量的散失，整个装置外安装金属外壳（18)进行固定和保护。
2. -种具有温度气压自动补偿的CO2气体浓度监测方法，利用权利要求1所述的具有 温度气压自动补偿的CO2气体浓度监测装置，其特征在于：该CO2气体浓度监测方法具体是： 启动加热元件，进行自动恒温控制，通过真空泵连接出气口，促使被测气体由进气口不断流 入气室（10)，在气室中，红外光源（1)发出红外光，经过聚光镜（2)的聚焦、准直作用后，射 向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜（5)上之后被反射，红外光再次通过气 室并被吸收，锥形集光器（6)将反射镜（5)反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片（9) 和参比滤光片（8)到达双通道红外探测器（7)，双通道红外探测器（7)两个通道分别产生 一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的信号，根据事先写入 的CO2气体浓度计算模型得到被测CO2气体的浓度；与此同时，由压力传感器（3)获得的气 压信号和由温度传感器（4)获得的双通道红外探测器的温度信号输入到信号处理板（11)， 信号处理板（11)再对CO2气体浓度进行温度、气压自动补偿，从而得到真实的CO2气体的浓 度，将此CO2气体浓度对外输出。
3. 根据权利要求2所述的一种具有温度气压自动补偿的CO2气体浓度监测方法，其特 征在于：针对CO2气体的特性，采用多点标定方法，建立CO2气体浓度计算模型；标定时，启 动加热元件，对装置进行加热，同时利用保温材料使得装置处于恒温状态，在CO2气体浓度 监测量程范围内选择多个浓度点，配制不同浓度的标准混合气，根据测量电压和参比电压 得到一个只包含气体浓度信息的变量C以消除光源的影响，根据C值与标准浓度Φ〇值之 间的对应关系建立CO2气体浓度计算模型，将此模型及标定时的温度、气压信息一并写入单 片机存储器内；实际测量时，信号处理板（11)接收测量电压、参比电压和温度、气压四个数 值，先计算出CO2气体浓度信息变量C，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先 写入的CO2气体浓度计算模型计算出对应的浓度值；然后根据温度、气压进行温度、气压补 偿，得到补偿后的CO2气体浓度，此浓度即为被测CO2气体的真实浓度值。
【文档编号】G01N21/3504GK104458636SQ201410770815
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】赵建华, 方丽丽 申请人:中国科学技术大学