CN102608063A - 三通道红外气体传感器的co气体测量方法 - Google Patents

三通道红外气体传感器的co气体测量方法 Download PDF

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CN102608063A CN2012101023529A CN201210102352A CN102608063A CN 102608063 A CN102608063 A CN 102608063A CN 2012101023529 A CN2012101023529 A CN 2012101023529A CN 201210102352 A CN201210102352 A CN 201210102352A CN 102608063 A CN102608063 A CN 102608063A
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Abstract

本发明提供一种三通道红外气体传感器的CO气体测量方法，该测量方法包括以下步骤：分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO2气体，以建立CO2气体浓度查询表；分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO气体，以建立CO气体浓度查询表；向所述测量气室中通入待测CO气体，进行气体浓度测量。在该发明方法中，气体的透射比与气体浓度之间存在对应的关系，通过利用红外探测器输出信号的比值与气体浓度之间的关系，建立CO2和CO气体浓度查询表，消除了CO中所含有的CO2对测量CO气体浓度的影响，提高了CO气体浓度测量的精度，还能测量所含CO2气体的浓度，特别适于低浓度的CO气体浓度测量。

Description

三通道红外气体传感器的CO气体测量方法
技术领域
本发明涉及一种红外气体传感器的测量方法，具体的说，涉及了一种三通道红外气体传感器的CO气体测量方法。
背景技术
众所周知，CO是无色无味的有毒气体，在化工厂、矿井、钢铁冶炼等行业中，往往会产生大量的CO，而日常生活所用的天燃气中也含有大量的CO，因此检测CO对维护工业安全生产、预防中毒和保障生命安全具有非常重大的意义。在传统的CO检测装置成熟技术中，主要是采用催化或电化学传感器，而此类传感器却存在着易中毒、检测精度低、使用寿命短等缺点，因此，具有良好发展前景的CO红外传感器检测技术受到了业内人士的普遍重视。
通常情况下，CO2在空气中的浓度值大概在400PPm左右，而空气中的CO浓度只有几个PPm，而且，CO2在CO的4.6um吸收峰处也有一定的吸收，因此，CO2对CO红外传感器的测量特别是低浓度的测量影响比较大。通常，解决CO2干扰的方法为：在气路前方加上过滤装置，滤去待测CO气体中的CO2气体，但这种方法的效果不是很好，同时还需要定期更换过滤物质，极为不便。 
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种能完全消除CO2对CO气体测量影响、并且能同时测量CO和CO2气体浓度的三通道红外气体传感器的CO气体测量方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种三通道红外气体传感器的CO气体测量方法，包括：红外光源模块发出宽带脉冲红外光，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号：4.0um吸收峰处的参考通道输出信号                                                
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE001
、 4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 64718DEST_PATH_IMAGE002
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE003
；
三个输出信号具有如下关系：
           
Figure 80210DEST_PATH_IMAGE004
           
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE005
                       1-1
           
Figure 489195DEST_PATH_IMAGE006
其中，表示4.0um处的光源强度，表示4.26um处的光源光强，
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE009
表示4.6um处的光源光强，表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度，
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE011
表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度，表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度，
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE013
表示测量气室的透射比，
Figure 612560DEST_PATH_IMAGE014
表示CO2气体在4.26um处的透射比，
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE015
表示CO2气体在4.6um处的透射比，表示CO气体在4.6um处的透射比；
由比尔朗伯定律可知，气体透射比与气体浓度有如下关系：
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE017
                                   1-2
其中，k表示气体的吸收系数，c表示气体的浓度，l表示气体的吸收厚度；
该测量方法包括以下步骤：
步骤1、建立CO2气体浓度查询表：当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO2时，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号，由关系1-1可知如下关系
Figure 826296DEST_PATH_IMAGE018
           
Figure 49336DEST_PATH_IMAGE005
                       1-3
           
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE019
由于同一光源光强的光谱分布是不变的，可知
Figure 613173DEST_PATH_IMAGE020
与
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE021
的比值是定值，同时，同一三通道红外探测器不同波长的响应度的比值也是一个定值，则使
Figure 688707DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure 730613DEST_PATH_IMAGE003
相比，可得到
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 73738DEST_PATH_IMAGE003
的比值、
Figure 808476DEST_PATH_IMAGE024
与的比值之间的对应关系
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE025
                      1-4
由前述可知，A为已知的定值；
使
Figure 213973DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure 224654DEST_PATH_IMAGE026
相比，可得到
Figure 379561DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure 475693DEST_PATH_IMAGE026
的比值、CO2气体在4.26um处的透射比
Figure 859401DEST_PATH_IMAGE024
之间的对应关系
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE027
                        1-5
由前述可知，B为已知的定值；
由关系1-4和关系1-5，建立关于CO2浓度、
Figure 678584DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE029
的比值、与的比值之间对应关系的CO2气体浓度查询表；
建立CO气体浓度查询表：当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO气体时，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号，由关系1-1可知如下关系
Figure 775218DEST_PATH_IMAGE018
           
Figure 760492DEST_PATH_IMAGE030
                           1-6
           
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE031
使
Figure 7934DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 787581DEST_PATH_IMAGE022
相比，得
Figure 840988DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 618451DEST_PATH_IMAGE022
的比值、CO气体在4.6um处的透射比
Figure 99111DEST_PATH_IMAGE032
之间的对应关系
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE033
                        1-7
由前述可知，D为已知的定值；
由关系1-7，建立关于CO浓度、
Figure 578503DEST_PATH_IMAGE029
与
Figure 373283DEST_PATH_IMAGE028
的比值之间对应关系的CO气体浓度查询表；
步骤2、气体浓度测量：当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并向所述测量气室中通入待测CO气体，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号；
基于关系1-1，令
Figure 67570DEST_PATH_IMAGE027
然后，由
Figure 719131DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 452863DEST_PATH_IMAGE026
的比值，通过CO2气体浓度查询表，查得CO2浓度、
Figure 848072DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 334548DEST_PATH_IMAGE029
的比值，进而，根据A值和关系1-4，可计算得到
Figure 422590DEST_PATH_IMAGE034
与
Figure 876574DEST_PATH_IMAGE015
的比值；
基于关系1-1，令
得到关系
Figure 747578DEST_PATH_IMAGE036
                                  1-8
然后，将
Figure 416457DEST_PATH_IMAGE029
与
Figure 360886DEST_PATH_IMAGE028
的比值乘以A计算得到的
Figure 849636DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 789910DEST_PATH_IMAGE015
的比值，再结合关系1-7和关系1-8，并通过CO气体浓度查询表，查得CO浓度。 
在该发明方法中，气体的透射比与气体浓度之间存在对应的关系，通过利用红外探测器输出信号的比值与气体浓度之间的关系，建立CO2和CO气体浓度查询表，消除了CO中所含有的CO2对测量CO气体浓度的影响，提高CO气体浓度测量的精度还能测量所含CO2的浓度，特别适于低浓度的CO气体浓度测量。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
一种三通道红外气体传感器的CO气体测量方法，包括：红外光源模块发出宽带脉冲红外光，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号：4.0um吸收峰处的参考通道输出信号
Figure 313295DEST_PATH_IMAGE001
、 4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 906137DEST_PATH_IMAGE003
；
三个输出信号具有如下关系：
           
Figure 384522DEST_PATH_IMAGE004
           
Figure 762414DEST_PATH_IMAGE005
                       1-1
           
Figure 51575DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 514918DEST_PATH_IMAGE007
表示4.0um处的光源强度，表示4.26um处的光源光强，
Figure 294972DEST_PATH_IMAGE009
表示4.6um处的光源光强，
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE037
表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度，
Figure 987990DEST_PATH_IMAGE011
表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度，
Figure 141891DEST_PATH_IMAGE012
表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度，表示测量气室的透射比，
Figure 49DEST_PATH_IMAGE024
表示CO2气体在4.26um处的透射比，表示CO2气体在4.6um处的透射比，
Figure 301904DEST_PATH_IMAGE016
表示CO气体在4.6um处的透射比。
由以上公式可知，在同一光源下，输出信号
Figure 988100DEST_PATH_IMAGE002
会受到CO2浓度、探测器的响应度及气室的透射比
Figure 246223DEST_PATH_IMAGE013
的影响；输出信号
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE039
会受到CO浓度、CO2浓度、探测器的响应度
Figure 859869DEST_PATH_IMAGE040
和气室的透射比
Figure 21860DEST_PATH_IMAGE013
的共同影响；参考输出信号
Figure 348936DEST_PATH_IMAGE026
只受到探测器的响应度
Figure 820238DEST_PATH_IMAGE037
和气室透射比
Figure 967185DEST_PATH_IMAGE013
的影响。
由比尔朗伯定律可知，气体透射比与气体浓度有如下关系：
Figure 932867DEST_PATH_IMAGE017
                                   1-2
其中，k表示气体的吸收系数，c表示气体的浓度，l表示气体的吸收厚度。
由比尔朗伯定律可知，气体的浓度和气体的透射比在吸收系数和吸收厚度一致的情况下具有一一对应的关系。
    该测量方法包括以下步骤：
步骤1、分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO2气体，以建立CO2气体浓度查询表：
当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并向所述测量气室中通入不同浓度的CO2时，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号，由关系1-1可知如下关系
Figure 114450DEST_PATH_IMAGE018
           
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE041
                       1-3
           
Figure 255188DEST_PATH_IMAGE019
由于同一光源光强的光谱分布是不变的，可知
Figure 92694DEST_PATH_IMAGE020
与
Figure 658804DEST_PATH_IMAGE042
的比值是定值，同时，同一三通道红外探测器不同波长的响应度的比值也是一个定值，则使
Figure 881844DEST_PATH_IMAGE022
与
Figure 507998DEST_PATH_IMAGE003
相比，可得到
Figure 567221DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 937022DEST_PATH_IMAGE003
的比值、
Figure 781612DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 578667DEST_PATH_IMAGE015
的比值之间的对应关系
Figure 125186DEST_PATH_IMAGE025
                      1-4
由前述可知，A为已知的定值；
使与
Figure 230731DEST_PATH_IMAGE026
相比，可得到
Figure 198687DEST_PATH_IMAGE022
与的比值、CO2气体在4.26um处的透射比
Figure 944106DEST_PATH_IMAGE024
之间的对应关系
Figure 760359DEST_PATH_IMAGE027
                        1-5
由前述可知，B为已知的定值；
由关系1-4和关系1-5，建立关于CO2浓度、
Figure 899217DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 154748DEST_PATH_IMAGE029
的比值、
Figure 670043DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 842268DEST_PATH_IMAGE026
的比值之间对应关系的CO2气体浓度查询表，如表1所示。
表1：
CO2的浓度
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE043
Figure 89709DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 894854DEST_PATH_IMAGE026
C1 A1 B1
C2 A2 B2
C3 A3 B3
C4 A4 B4
由表1可知，只需得出
Figure 636677DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 476457DEST_PATH_IMAGE026
的比值，即可得CO2的浓度。
分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO气体，以建立CO气体浓度查询表：
当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并向所述测量气室中通入不同浓度的CO气体时，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号，由关系1-1可知如下关系
           
Figure 639771DEST_PATH_IMAGE030
                           1-6
           
使
Figure 128838DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 465885DEST_PATH_IMAGE022
相比，得与的比值、CO气体在4.6um处的透射比
Figure 392887DEST_PATH_IMAGE032
之间的对应关系
Figure 402300DEST_PATH_IMAGE033
                        1-7
由前述可知，D为已知的定值；
由关系1-7，建立关于CO浓度、
Figure 669333DEST_PATH_IMAGE029
与
Figure 805916DEST_PATH_IMAGE028
的比值之间对应关系的CO气体浓度查询表，如表2所示。
表2：
CO的浓度
c1 D1
c2 D2
c3 D3
c4 D4
由表2可知，只需得出
Figure 2012101023529100002DEST_PATH_IMAGE045
的比值，即可得CO的浓度。
步骤2、向所述测量气室中通入待测CO气体，进行气体浓度测量：
基于关系1-1，令
Figure 156574DEST_PATH_IMAGE027
然后，由
Figure 848587DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 851178DEST_PATH_IMAGE026
的比值，通过CO2气体浓度查询表，查得CO2浓度、
Figure 561514DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 725779DEST_PATH_IMAGE039
的比值，进而，根据A值和关系1-4，可计算得到
Figure 905088DEST_PATH_IMAGE034
与
Figure 131276DEST_PATH_IMAGE015
的比值；
基于关系1-1，令
Figure 509168DEST_PATH_IMAGE035
得到关系
Figure 109913DEST_PATH_IMAGE036
                                  1-8
由公式1-8可知，公式中的
Figure 510939DEST_PATH_IMAGE046
/即为CO2对CO的影响，而与
Figure 274682DEST_PATH_IMAGE015
的比值由
Figure 984012DEST_PATH_IMAGE028
与的比值计算得出，
Figure 505571DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 858055DEST_PATH_IMAGE015
的比值乘以
Figure 738286DEST_PATH_IMAGE029
与
Figure 176221DEST_PATH_IMAGE028
的比值得CO气体浓度查询表的查询值，从而消除CO2对CO浓度测量的影响，通过查询CO气体浓度查询表，查询值所对应的CO的浓度即为所需要测量的CO浓度。
由以上方法步骤可知，该方法消除了CO气体中所含CO2气体对CO气体浓度测量的影响，不仅提高了CO气体浓度测量的精确度，还能测量所含CO2气体的浓度，而且还特别适于低浓度的CO气体测量。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (1)

1.一种三通道红外气体传感器的CO气体测量方法，包括：红外光源模块发出宽带脉冲红外光，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号：4.0um吸收峰处的参考通道输出信号                                                
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE001
、4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 160504DEST_PATH_IMAGE002
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE003
；
三个输出信号具有如下关系：
           
Figure 560523DEST_PATH_IMAGE004
           
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE005
                       1-1
    
其中，
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE007
表示4.0um处的光源强度，
Figure 689202DEST_PATH_IMAGE008
表示4.26um处的光源光强，
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE009
表示4.6um处的光源光强，表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度，
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE011
表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度，
Figure 145515DEST_PATH_IMAGE012
表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度，表示测量气室的透射比，表示CO2气体在4.26um处的透射比，
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE015
表示CO2气体在4.6um处的透射比，
Figure 378230DEST_PATH_IMAGE016
表示CO气体在4.6um处的透射比；
由比尔朗伯定律可知，气体透射比与气体浓度有如下关系：
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE017
                                   1-2
其中，k表示气体的吸收系数，c表示气体的浓度，l表示气体的吸收厚度；
其特征在于，该测量方法包括以下步骤：
步骤1、建立CO2气体浓度查询表：当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO2时，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号，由关系1-1可知如下关系
Figure 635905DEST_PATH_IMAGE018
           
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE019
                       1-3
    
Figure 626995DEST_PATH_IMAGE020
由于同一光源光强的光谱分布是不变的，可知与
Figure 155190DEST_PATH_IMAGE022
的比值是定值，同时，同一三通道红外探测器不同波长的响应度的比值也是一个定值，则使与相比，可得到
Figure 865974DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure 723072DEST_PATH_IMAGE003
的比值、
Figure 604309DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 255870DEST_PATH_IMAGE015
的比值之间的对应关系
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE025
                      1-4
由前述可知，A为已知的定值；
使
Figure 238870DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 634079DEST_PATH_IMAGE026
相比，可得到
Figure 868358DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 956400DEST_PATH_IMAGE026
的比值、CO2气体在4.26um处的透射比
Figure 161116DEST_PATH_IMAGE014
之间的对应关系
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE027
                        1-5
由前述可知，B为已知的定值；
由关系1-4和关系1-5，建立关于CO2浓度、
Figure 546967DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 950267DEST_PATH_IMAGE028
的比值、
Figure 209210DEST_PATH_IMAGE023
与的比值之间对应关系的CO2气体浓度查询表；
建立CO气体浓度查询表：当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并分别向所述测量气室中通入不同浓度的CO气体时，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号，由关系1-1可知如下关系
Figure 638234DEST_PATH_IMAGE018
                                      1-6
    
Figure 850035DEST_PATH_IMAGE030
使
Figure 279879DEST_PATH_IMAGE003
与相比，得
Figure 734311DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 564733DEST_PATH_IMAGE024
的比值、CO气体在4.6um处的透射比
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE031
之间的对应关系
Figure 899899DEST_PATH_IMAGE032
                        1-7
由前述可知，D为已知的定值；
由关系1-7，建立关于CO浓度、
Figure 566504DEST_PATH_IMAGE028
与的比值之间对应关系的CO气体浓度查询表；
步骤2、气体浓度测量：当红外光源模块发出宽带脉冲红外光，并向所述测量气室中通入待测CO气体，则三通道红外气体探测器输出三个输出信号；
基于关系1-1，令
Figure 828782DEST_PATH_IMAGE027
然后，由
Figure 334849DEST_PATH_IMAGE024
与的比值，通过CO2气体浓度查询表，查得CO2浓度、
Figure 371255DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 723739DEST_PATH_IMAGE028
的比值，进而，根据A值和关系1-4，可计算得到
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE033
与
Figure 853238DEST_PATH_IMAGE015
的比值；
基于关系1-1，令
Figure 228856DEST_PATH_IMAGE034
得到关系
Figure 2012101023529100001DEST_PATH_IMAGE035
                                  1-8
然后，将
Figure 649473DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 810458DEST_PATH_IMAGE036
的比值乘以A计算得到的
Figure 658328DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 521242DEST_PATH_IMAGE015
的比值，再结合关系1-7和关系1-8，并通过CO气体浓度查询表，查得CO浓度。
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