CN101915747A

CN101915747A - 气体浓度量测装置及其方法

Info

Publication number: CN101915747A
Application number: CN2010102366230A
Authority: CN
Inventors: 曹琦; 臧永刚; 顾丁洁
Original assignee: Radiant Innovation Inc
Current assignee: Radiant Innovation Inc
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明是揭露一种气体浓度量测装置及其方法，其是应用于量测二氧化碳浓度，利用单通道红外线气体侦测模块侦测一待测气体的电压讯号，数字转模拟转换器可将电压讯号转换为电压值，经由处理模块将电压值与一参考电压值进行校正，以产生待测气体的浓度值。若参考电压值为初始参考电压值时，是根据在大气环境中的二氧化碳浓度值作为参考基准，并由处理模块进行待测气体的电压偏移的校正；藉此，可提高量测准确度。

Description

气体浓度量测装置及其方法

技术领域

本发明是有关一种气体浓度量测装置及其方法，特别是关于一种利用虚拟双通道红外线量测二氧化碳气体浓度，且可校正量测时的电压偏移问题的技术领域。

背景技术

根据美国冷暖及空调工程师学会(America Society of Heating，Refrigerationand Air Conditioning Engineers，ASHRAE)研究结果指出，室内二氧化碳浓度超过1,000ppm就应换气，而统计亦显示有90％的建筑物都高于此值。由于人类呼吸会产生二氧化碳，在一定的局限空间内活动时，若人体吸入过多二氧化碳，将导致脑部活动减缓，反应迟钝，并容易进入昏昏欲睡、精神不振的状态。因此，通常会采用诸如侦测二氧化碳浓度的气体侦测器，以对气体浓度进行量测。

现在市场上贩售的二氧化碳侦测器或二氧化碳分析仪，几乎都是采用非分散式红外线(Non-dispersive Infrared，NDIR)吸收法来感测。它的原理是运用二氧化碳分子对红外线特殊波长的吸收特性以及二氧化碳浓度与吸收量成正比的特性，例如二氧化碳对4.26μm波长的红外线的吸收性最强，得以侦测二氧化碳气体浓度。先前技术中的单通道二氧化碳感测器是一气体采样管，其一端是红外线源，另一端是红外线感测器，二氧化碳分子在气体采样管内吸收4.26um辐射能，通过比尔(Beer’s)定律，可得知二氧化碳气体分子吸收强度与浓度的对应关系，可计算光谱的吸收强度以测量气体的浓度值。然而，单通道光学感测器的红外线源强度在长期操作期间，红外线源的电压值改变而形成电压偏移情况，也就是感测器老化问题，因此量测二氧化碳浓度时就会产生误差而使量测不准确。为了校正电压偏移的问题，如美国专利第5,347,474号是揭露一种补偿偏移的单通道气体感测器的方法，通过确定静止的期间来作自我校正方法，这期间二氧化碳浓度是在300-500ppm，由外差及推断之前稳态的数值标准来校正，然而，此方法需要很多资料及复杂的数学分析，因此校正时间长且量测准确性无法提高。

此外，如美国专利第6,114,700号案揭露一种为单通道光学感测器量测方法，是通过气体取样而测量红外线幅射的吸收率的非分散性红外线设备及其测量方法，其是以具有不同温度系数并设置于样品槽一端的平行光源而提高管道中的温度，并以设置于样品槽另一端的NDIR侦测器监视二氧化碳的浓度，而在伺服回路中设置另一监控器以控制不断输出的光源，藉此以光学感测方式来量测二氧化碳的浓度。此前案是将待测气体以非分散性红外线气体分析，并经过温度补偿及讯号转换后进行自动检测及显示。惟，由于未加入非线性补正线路，于高浓度及低浓度气体量测时误差过大，故仅适用于侦测特定浓度的待测气体。

为了有效克服长期电压偏移的问题，典型的解决长期偏移方法是使用双通道气体侦测器，如图1所示，气体侦测器包含一气体采样管11，其一端设有一红外线源111，另一端设有二红外线感测器112、113，二红外线感测器112、113是为双通道温差电堆侦测器，二红外线感测器112、113分别连接于二放大器12、13，而二放大器12、13连接于转换器14。红外线感测器112是为量测通道，用以接收红外线源而升高温度，以产生量测电压讯号，并传送至放大器12将量测电压讯号放大后输出至转换器14，再由转换器14将放大后量测电压讯号转换为一量测电压值，另一红外线感测器为参考通道，未接收红外线源且保持在一固定较低温度，以产生一参考电压讯号，并传送至放大器13将参考电压讯号放大后输出至一转换器14，再由转换器14将放大后参考电压讯号转换为一参考电压值，转换器14连接于微处理器15，微处理器15对量测电压值与参考电压讯号校正，可准确测量二氧化碳浓度与校正电压偏移值。然而，双通道温差电堆侦测器为复杂真空与光学结构，因此造价昂贵而无法普遍适用于一般家庭、办公室或广大区域等场合。

有鉴于此，本发明遂提出一种气体浓度量测装置及其方法，以有效改善前述的问题。

发明内容

本发明的主要目的是在提供一种气体浓度量测装置及其方法，其是利用结构简单的单通道红外线量测结构配合量测的电压值与参考电压值进行校正来达到气体量测的高准确度，进而解决习知复杂的双通道红外线量测结构及制造成本高的问题。

本发明的另一目的是在提供一种气体浓度量测装置及其方法，根据大气中适宜的400ppm二氧化碳浓度为初始参考电压值基准，来校正感测器因老化而产生电压偏移的问题，可提高气体量测的精准度及可靠度，进而可达到虚拟双通道的校正功效。

本发明的再一目的是在提供一种气体浓度量测装置及其方法，适用于居家、办公室建物、学校或商业场所等各种场合，且可量测不同气体浓度范围，极具有市场竞争优势。

为达到上述的目的，本发明的气体浓度量测装置，应用于量测二氧化碳浓度，气体浓度量测装置包括一单通道红外线气体侦测模块，是侦测一待测气体的电压讯号；一转换器，是将电压讯号转换为一电压值；及一处理模块，是将电压值与一参考电压值进行校正，以产生待测气体的浓度值。其中单通道红外线气体侦测模块的红外线发射器经一气体通道中的待测气体通往红外线发射器，使其依接收红外线强度而产生待测气体的电压讯号，经由放大器将微小的电压讯号放大为放大电压讯号，将其传送至数字转模拟转换器，进行放大电压讯号转换为电压值并传送至处理模块，处理模块依据电压值与参考电压值进行校正，以产生待测气体的浓度值。

此外，本发明另一提供气体浓度量测方法，用以校正电压偏移，先设定初始的参考电压值，且参考电压值是根据在大气中进行量测气体浓度为参考基准；利用一单通道红外线气体侦测模块一量测待测气体的电压讯号；将电压讯号转换为一电压值；对电压值与参考电压值进行校正，以产生待测气体的浓度值；可于夜间定期或不定期的更新参考电压值；并对电压值与更新后的参考电压值进行校正，以产生待测气体的浓度值。

其中，所述单通道红外线气体侦测模块包含一气体通道、一红外线发射器及一红外线侦测器，所述红外线发射器及所述红外线侦测器分别设置于所述气体通道的两端，所述红外线发射器是发射红外线，经过所述气体通道通往所述红外线侦测器，使其依接收所述红外线强度以产生所述电压讯号。

其中，所述单通道红外线气体侦测模块更包含一滤波器，是允许所述待测气体吸收所述红外线的窄频波长通过，所述红外线侦测器是依据所述入射窄频波长强度以产生所述电压讯号。

其中，所述更包括一红外线控制器，电性连接于所述红外线发射器，是控制所述红外线发射器发射所述红外线。

其中，所述红外线侦测器是为一热电堆红外线侦测器。

其中，所述参考电压值是为所述单通道红外线气体侦测模块更新的量测值。

其中，所述参考电压值是为所述单通道红外线气体侦测模块于夜间更新的量测值。

其中，所述参考电压值是为所述单通道红外线气体侦测模块依据环境更新的量测值。

其中，所述参考电压为一初始参考电压值时，是根据在大气环境中的二氧化碳浓度值作为参考基准，并由所述处理模块进行所述待测气体的电压偏移的校正。

其中，所述待测气体的所述浓度值是为二氧化碳的浓度值。

其中，所述更包括一显示器，连接所述处理模块，以显示所述浓度值。

其中，所述转换器是为一模拟转数字转换器。

其中，所述更包括一放大器，一端连接所述单通道红外线气体侦测模块，另一端连接所述转换器，所述放大器是将所述电压讯号放大为一放大电压讯号，并将其传送至所述转换器进行转换为所述电压值。

其中，在量测待测气体的步骤前，更包括设定初始的所述参考电压值，且所述参考电压值是根据在大气中进行量测气体浓度为参考基准。

其中，所述更包括更新所述参考电压值的步骤。

其中，所述更新所述参考电压值是利用所述单通道红外线气体侦测模块于夜间更新的量测值。

其中，所述更新所述参考电压值是利用所述单通道红外线气体侦测模块依据环境更新的量测值。

其中，所述待测气体的所述浓度值是为二氧化碳的浓度值。

底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为先前技术的双通道气体浓度量测装置的示意图；

图2为本发明的气体浓度量测装置的示意图；

图3为本发明的气体浓度量测方法的步骤流程图；

图4为本发明于建筑物内进行多天量测二氧化碳浓度的校正前与校正后的曲线图；

图5为本发明的气体浓度量测装置于不同二氧化碳浓度下的电压值曲线图；

图6为不同校正方法的二氧化碳浓度误差曲线图。

附图标记说明：

11-气体采样管；111-红外线源；112、113-红外线感测器；12、13-放大器；14-转换器；15-微处理器；21-单通道红外线气体侦测模块；211-红外线发射器；212-气体通道；213-红外线侦测器；214-滤波器；22-红外线控制器；23-处理模块；24-放大器；25-转换器；216-显示器；27-待测二氧化碳气体。

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明实施例的气体浓度量测装置，为使便于理解，下述实施例中的相同元件是以相同的符号标示来说明。

请参阅图2，其是为本发明的气体浓度量测装置的示意图。利用虚拟双通道的原理以进行二氧化碳浓度的量测方式，气体浓度量测装置包括一单通道红外线气体侦测模块21是量测一待测二氧化碳气体的电压讯号，而单通道红外线气体侦测模块21包含一红外线发射器211、一气体通道212与一红外线侦测器213，红外线侦测器213是为热电堆红外线侦测器。一红外线控制器22是一端连接于红外线发射器211，另一端连接于一处理器23，当红外线控制器22控制红外线发射器211发射红外线时，红外线会经过气体通道212中的待测二氧化碳气体27通往红外线侦测器213，其中待测二氧化碳气体分子会吸收特定波长红外线，使红外线侦测器213依接收红外线强度而产生待测二氧化碳气体27的电压讯号。此外，为了让红外线侦测器213可以单一量测二氧化碳气体27，单通道红外线气体侦测模块21可设一滤波器214，仅允许待测二氧化碳气体吸收红外线的窄频波长通过，使红外线侦测器213可依据入射窄频波长强度以产生待测二氧化碳气体27的电压讯号。红外线发射器213连接于一放大器24，由放大器24将微小的电压讯号放大以产生一放大电压讯号，并将其传送至一转换器25，是为数字转模拟转换器，将放大电压讯号转换为一电压值并传送至处理模块23。处理模块23依据电压值与一参考电压值进行校正，而校正方法如以下运算公式(1)：

V_seAcor＝V_seA*(V_seBold/V_seBnew)......................(1)

其中，V_seAcor为校正后的电压值，V_seA为量测到待测二氧化碳气体27的电压值，V_seBold为参考电压值，V_seBnew为更新后的参考电压值，通过此公式(1)可使长期使用期间所产生的电压偏移得以校正，并产生准确的待测二氧化碳气体27的浓度值，再由连接于处理模块23的一显示器26以显示浓度值，藉此，本发明利用结构简单的单通道红外线量测结构来达到虚拟双通道的气体量测的高准确度。

由于二氧化碳于外界大气中的浓度约为每百万份中占350份至450份(ppm；parts per million)，而此大气中的二氧化碳浓度也是人类最适宜的范围，因此本发明于量测待测气体的步骤前，先设定初始的参考电压值，且此参考电压值是根据在大气中进行量测气体浓度为参考基准，请配合参阅图3，是用以校正电压偏移的气体浓度量测方法的步骤流程，若以白天期间对一建筑物内进行待测气体的量测时，则执行步骤S31，利用单通道红外线气体侦测模块21以量测待测气体的电压讯号，由于白天期间的建筑物内依据人员的数量及活动量的增加而使二氧化碳气体浓度随的增加，当二氧化碳气体浓度越高，如从400ppm增加至1000ppm时，所侦测的电压讯号随之下降。执行步骤S32，将电压讯号放大并转换为一电压值，再执行步骤S33，对电压值与参考电压值进行校正，以产生待测气体的浓度值，通过步骤S31至S33重复量测与校正，可提高量测气体浓度的准确度。由于单通道红外线气体侦测模块21于长时间使用会因老化而有电压偏移的问题，因此可定期或不定期进行的更新参考电压值如步骤S34所示，较佳者是于夜间更新参考电压值。由于夜间期间的建筑物内依据人员的数量及活动量的减少而使二氧化碳气体浓度随之下降，当二氧化碳气体浓度下降，如从1000ppm下降至400ppm，甚至更低于400ppm时，此时二氧化碳浓度与外界大气中的二氧化碳浓度较为相近，因此更新参考电压值可通过步骤S31，利用单通道红外线气体侦测模块21于夜间量测到的量测值，直接取代步骤S33中使用的参考电压值，即可使用更新后的参考电压值来将偏移的电压值校正为正确的电压值。如图4所示，为本发明于建筑物内进行多天量测二氧化碳浓度的校正前与校正后的曲线图，由此可知，于夜间或不同环境中定期或不定期的更新参考电压值，可有效校正电压偏移值。

为更进一步了解本发明的虚拟双通道气体浓度量测装置，其如何利用公式(1)来校正长期使用期间所产生的电压偏移问题，并达到双通道红外线侦测二氧化碳浓度的精准度，请参阅下列表格(一)：

表格(一)

此表格(一)为本发明与先前技术进行模拟量测的数值，其中，二氧化碳气体浓度取样值(Symbol)从0ppm至8000ppm，而初始电压值(V_se)为1.6908mV至1.1490mV为例说明如后，一开始量测的二氧化碳浓度(CntAA)且未校正时，先前技术有几种校正方式：如单通道的二氧化碳浓度校正偏移(CntSh)方法，是将所量测到的CntAA全部减掉103ppm，或利用单通道的二氧化碳浓度斜率/比率校正(CntSp)方法，是将所量测到的CntAA全部除以113％，或利用双通道(Cnt2Ch)是将所量测到的CntAA完全校正为标准二氧化碳浓度(Cnt0)。而本发明的校正方法(CntV2Ch)，先设定一参考电压值(作为虚拟参考通道的参考电压值)，并与量测到的电压值作校正，如以大气环境中的二氧化碳浓度400ppm为基准，设定初始的参考电压值1.6030mV，当参考电压值为初始参考电压值时，此参考电压值可作为V_seBold，由于单通道红外线气体侦测模块于长期使用期间会产生电压偏移，因此可定期或不定期于夜间期间量测待测气体的电压值，如1.5870mV，其用以取代初始参考电压值，作为V_seBnew。若于白天期间所量测到的二氧化碳气体浓度于1000ppm时，初始电压值应为1.5204mV，但单通道红外线量测待测气体的电压值(V_seA)若为1.5052mV时，可利用如下公式(1)进行运算：

V_seAcor＝1.5052*(1.6030/1.5870)＝1.5204mV

由公式(1)运算后，即可校正为1.5204mV，且与初始电压值相同，故可产生准确的待测二氧化碳气体的浓度值。

如图5所示，为本发明的气体浓度量测装置于不同二氧化碳浓度下的电压值曲线图，其中二氧化碳浓度的标准电压值(V_sez)与校正后的待测气体的电压值曲线重迭。然而，本发明仍受单通道红外线气体侦测模块长期使用下的老化，而产生约存在0.1％的误差值，也就是说二氧化碳气体浓度约有0.1％的误差值，但本发明的校正方法已几近完美。

如图6所示，其为不同校正方法的二氧化碳浓度误差曲线图，本发明的校正方法虽略差于先前技术使用双通道红外线侦测二氧化碳浓度的精准度，但可达到近似双通道红外线侦测二氧化碳浓度量测精准度的功效，因此可解决先前技术复杂的双通道红外线量测结构而价格昂贵的问题，也就是说，本发明利用结构简单的单通道红外线量测结构，并配合量测电压值与参考电压值的校正可有效克服长期的电压偏压问题，且可大幅降低制造成本，相对价格较为低廉，适用于居家、办公室建物、学校或商业场所等各种场合，且可量测不同气体浓度范围，极具有市场竞争优势。再者，先前技术使用单通道的二氧化碳浓度校正偏移(CntSh)校正方法；是将所量测到的二氧化碳浓度值全部减掉103ppm，另一先前技术使用单通道的二氧化碳浓度斜率/比率(CntSp)校正方法；是将所量测到的二氧化碳浓度值全部除以113％，对于此两种先前技术的校正方法会随着操作期间越长及二氧化碳浓度越高，所校正后的误差值越大，以致无法准确量测气体浓度。相较于而先前技术的使用单通道光学感测器，本发明可解决先前技术于校正后因无法有效克服电压偏移，而使量测气体浓度的准确度及可靠度差的问题。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种气体浓度量测装置，其特征在于，包括：

一单通道红外线气体侦测模块，是侦测待测气体的电压讯号；

一转换器，是将所述电压讯号转换为一电压值；及

一处理模块，是将所述电压值与一参考电压值进行校正，以产生所述待测气体的浓度值。

2.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述单通道红外线气体侦测模块包含一气体通道、一红外线发射器及一红外线侦测器，所述红外线发射器及所述红外线侦测器分别设置于所述气体通道的两端，所述红外线发射器发射红外线，经过所述气体通道通往所述红外线侦测器，使其依接收所述红外线强度以产生所述电压讯号。

3.根据权利要求2所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述单通道红外线气体侦测模块更包含一滤波器，是允许所述待测气体吸收所述红外线的窄频波长通过，所述红外线侦测器是依据所述入射窄频波长强度以产生所述电压讯号。

4.根据权利要求2所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述装置还包括一红外线控制器，其电性连接于所述红外线发射器，是控制所述红外线发射器发射所述红外线。

5.根据权利要求2所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述红外线侦测器是为一热电堆红外线侦测器。

6.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述参考电压值是为所述单通道红外线气体侦测模块更新的量测值。

7.根据权利要求6所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述参考电压值是为所述单通道红外线气体侦测模块于夜间更新的量测值。

8.根据权利要求6所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述参考电压值是为所述单通道红外线气体侦测模块依据环境更新的量测值。

9.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述参考电压为一初始参考电压值时，是根据在大气环境中的二氧化碳浓度值作为参考基准，并由所述处理模块进行所述待测气体的电压偏移的校正。

10.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述待测气体的所述浓度值是为二氧化碳的浓度值。

11.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述装置更包括一显示器，其连接所述处理模块，以显示所述浓度值。

12.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述转换器是为一模拟转数字转换器。

13.根据权利要求1所述的气体浓度量测装置，其特征在于，所述更包括一放大器，一端连接所述单通道红外线气体侦测模块，另一端连接所述转换器，所述放大器是将所述电压讯号放大为一放大电压讯号，并将其传送至所述转换器进行转换为所述电压值。

14.一种气体浓度量测方法，是用以校正电压偏移，其特征在于，所述气体浓度量测方法包括：

利用一单通道红外线气体侦测模块以量测待测气体的电压讯号；

将所述电压讯号转换为一电压值；及

对所述电压值与一参考电压值进行校正，以产生所述待测气体的浓度值。

15.根据权利要求14所述的气体浓度量测方法，其特征在于，在量测待测气体的步骤前，更包括设定初始的所述参考电压值，且所述参考电压值是根据在大气中进行量测气体浓度为参考基准。

16.根据权利要求14所述的气体浓度量测方法，其特征在于，所述方法更包括更新所述参考电压值的步骤。

17.根据权利要求16所述的气体浓度量测方法，其特征在于，所述更新所述参考电压值是利用所述单通道红外线气体侦测模块于夜间更新的量测值。

18.根据权利要求16所述的气体浓度量测方法，其特征在于，所述更新所述参考电压值是利用所述单通道红外线气体侦测模块依据环境更新的量测值。

19.根据权利要求14所述的气体浓度量测方法，其特征在于，所述待测气体的所述浓度值是为二氧化碳的浓度值。

20.根据权利要求14所述的气体浓度量测方法，其特征在于，所述转换器是为一模拟转数字转换器。