CN102608063B - 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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CN102608063B CN201210102352.9A CN201210102352A CN102608063B CN 102608063 B CN102608063 B CN 102608063B CN 201210102352 A CN201210102352 A CN 201210102352A CN 102608063 B CN102608063 B CN 102608063B
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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 359628DEST_PATH_IMAGE001
、 4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 754837DEST_PATH_IMAGE002
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 368877DEST_PATH_IMAGE003
三个输出信号具有如下关系:
            
                                   1-1
            
Figure 109803DEST_PATH_IMAGE006
其中,
Figure 575419DEST_PATH_IMAGE007
表示4.0um处的光源强度,
Figure 834362DEST_PATH_IMAGE008
表示4.26um处的光源光强,
Figure 651008DEST_PATH_IMAGE009
表示4.6um处的光源光强,
Figure 450337DEST_PATH_IMAGE010
表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度,
Figure 36039DEST_PATH_IMAGE011
表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度,
Figure 465884DEST_PATH_IMAGE012
表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度,
Figure 337255DEST_PATH_IMAGE013
表示测量气室的透射比,表示CO2气体在4.26um处的透射比,
Figure 646062DEST_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:
                                   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 913598DEST_PATH_IMAGE018
                                   1-3
            
由于同一光源光强的光谱分布是不变的,可知的比值是定值,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 621048DEST_PATH_IMAGE022
Figure 625913DEST_PATH_IMAGE023
相比,可得到
Figure 126164DEST_PATH_IMAGE024
Figure 546781DEST_PATH_IMAGE023
的比值、
Figure 81668DEST_PATH_IMAGE025
Figure 991855DEST_PATH_IMAGE015
的比值之间的对应关系
Figure 917086DEST_PATH_IMAGE026
                      1-4
由前述可知,A为已知的定值;
使
Figure 203711DEST_PATH_IMAGE022
Figure 593104DEST_PATH_IMAGE027
相比,可得到
Figure 352298DEST_PATH_IMAGE027
的比值、CO2气体在4.26um处的透射比
Figure 174105DEST_PATH_IMAGE025
之间的对应关系
Figure 418004DEST_PATH_IMAGE028
                        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 935573DEST_PATH_IMAGE029
Figure 835396DEST_PATH_IMAGE030
的比值、
Figure 463824DEST_PATH_IMAGE022
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 188383DEST_PATH_IMAGE018
            
Figure 637819DEST_PATH_IMAGE031
                           1-6
            
Figure 804358DEST_PATH_IMAGE032
使
Figure 819905DEST_PATH_IMAGE022
相比,得
Figure 493987DEST_PATH_IMAGE023
Figure 729796DEST_PATH_IMAGE022
的比值、CO气体在4.6um处的透射比之间的对应关系
Figure 833068DEST_PATH_IMAGE034
                        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 929200DEST_PATH_IMAGE030
Figure 437541DEST_PATH_IMAGE029
的比值之间对应关系的CO气体浓度查询表;
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,4.0um吸收峰处的参考通道输出信号
Figure 630625DEST_PATH_IMAGE035
、4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 769482DEST_PATH_IMAGE036
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 415227DEST_PATH_IMAGE037
基于关系1-1,令
Figure 727260DEST_PATH_IMAGE038
然后,由
Figure 771921DEST_PATH_IMAGE036
Figure 81679DEST_PATH_IMAGE035
的比值,通过CO2气体浓度查询表,查得CO2浓度、
Figure 330444DEST_PATH_IMAGE039
的比值,进而,根据A值和关系1-4,可计算得到
Figure 170224DEST_PATH_IMAGE040
Figure 713201DEST_PATH_IMAGE015
的比值;
基于关系1-1,令
得到关系
Figure 987373DEST_PATH_IMAGE042
                                  1-8
然后,将
Figure 681660DEST_PATH_IMAGE037
Figure 395538DEST_PATH_IMAGE036
的比值乘以A计算得到的
Figure 503171DEST_PATH_IMAGE025
Figure 963627DEST_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 512420DEST_PATH_IMAGE001
、 4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 662779DEST_PATH_IMAGE029
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 992129DEST_PATH_IMAGE003
三个输出信号具有如下关系:
            
Figure 987767DEST_PATH_IMAGE004
            
Figure 656645DEST_PATH_IMAGE005
                       1-1
            
Figure 977905DEST_PATH_IMAGE006
其中,
Figure 528972DEST_PATH_IMAGE007
表示4.0um处的光源强度,
Figure 531564DEST_PATH_IMAGE008
表示4.26um处的光源光强,
Figure 117266DEST_PATH_IMAGE009
表示4.6um处的光源光强,
Figure 343848DEST_PATH_IMAGE043
表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度,
Figure 644860DEST_PATH_IMAGE011
表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度,
Figure 185563DEST_PATH_IMAGE012
表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度,
Figure 625772DEST_PATH_IMAGE013
表示测量气室的透射比,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 158887DEST_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 719181DEST_PATH_IMAGE002
会受到CO2浓度、探测器的响应度
Figure 287566DEST_PATH_IMAGE044
及气室的透射比
Figure 503784DEST_PATH_IMAGE013
的影响;输出信号会受到CO浓度、CO2浓度、探测器的响应度和气室的透射比
Figure 605622DEST_PATH_IMAGE013
的共同影响;参考输出信号
Figure 43557DEST_PATH_IMAGE027
只受到探测器的响应度
Figure 792070DEST_PATH_IMAGE043
和气室透射比
Figure 61377DEST_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 237144DEST_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 162375DEST_PATH_IMAGE018
 
Figure 448999DEST_PATH_IMAGE046
                       1-3
  
Figure 838392DEST_PATH_IMAGE019
由于同一光源光强的光谱分布是不变的,可知
Figure 185060DEST_PATH_IMAGE020
Figure 332008DEST_PATH_IMAGE047
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 686731DEST_PATH_IMAGE023
相比,可得到
Figure 204300DEST_PATH_IMAGE024
Figure 166440DEST_PATH_IMAGE023
的比值、
Figure 794867DEST_PATH_IMAGE025
的比值之间的对应关系
Figure 519426DEST_PATH_IMAGE026
                      1-4
由前述可知,A为已知的定值;
使
Figure 703283DEST_PATH_IMAGE022
Figure 135401DEST_PATH_IMAGE027
相比,可得到
Figure 353893DEST_PATH_IMAGE022
Figure 150948DEST_PATH_IMAGE027
的比值、CO2气体在4.26um处的透射比
Figure 825030DEST_PATH_IMAGE025
之间的对应关系
Figure 795260DEST_PATH_IMAGE028
                        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 836215DEST_PATH_IMAGE030
的比值、
Figure 994664DEST_PATH_IMAGE024
Figure 768584DEST_PATH_IMAGE027
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:
Figure 961668DEST_PATH_IMAGE048
由表1可知,只需得出
Figure 162843DEST_PATH_IMAGE024
Figure 480691DEST_PATH_IMAGE027
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 102964DEST_PATH_IMAGE049
                           1-6
Figure 475040DEST_PATH_IMAGE032
使
Figure 395908DEST_PATH_IMAGE022
相比,得
Figure 360322DEST_PATH_IMAGE023
的比值、CO气体在4.6um处的透射比
Figure 461319DEST_PATH_IMAGE033
之间的对应关系
Figure 115154DEST_PATH_IMAGE034
                        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 854145DEST_PATH_IMAGE029
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:
    
由表2可知,只需得出
Figure 91408DEST_PATH_IMAGE051
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,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 968097DEST_PATH_IMAGE035
、4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 852877DEST_PATH_IMAGE052
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 119910DEST_PATH_IMAGE037
基于关系1-1,令
Figure 381127DEST_PATH_IMAGE038
然后,由
Figure 112323DEST_PATH_IMAGE036
Figure 105686DEST_PATH_IMAGE053
的比值,通过CO2气体浓度查询表,查得CO2浓度、
Figure 922333DEST_PATH_IMAGE002
Figure 987241DEST_PATH_IMAGE039
的比值,进而,根据A值和关系1-4,可计算得到
Figure 570013DEST_PATH_IMAGE040
Figure 734278DEST_PATH_IMAGE015
的比值;
基于关系1-1,令
得到关系
Figure 641240DEST_PATH_IMAGE042
                                  1-8
由公式1-8可知,公式中的
Figure 81449DEST_PATH_IMAGE055
/
Figure 682194DEST_PATH_IMAGE056
即为CO2对CO的影响,而
Figure 207854DEST_PATH_IMAGE025
Figure 614564DEST_PATH_IMAGE015
的比值由
Figure 909279DEST_PATH_IMAGE002
Figure 680926DEST_PATH_IMAGE039
的比值计算得出,
Figure 693882DEST_PATH_IMAGE025
Figure 641634DEST_PATH_IMAGE015
的比值乘以
Figure 56434DEST_PATH_IMAGE057
Figure 998983DEST_PATH_IMAGE052
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                                                、4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 692939DEST_PATH_IMAGE002
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 534993DEST_PATH_IMAGE003
三个输出信号具有如下关系:
           
Figure 930203DEST_PATH_IMAGE004
           
Figure 806892DEST_PATH_IMAGE005
                       1-1
      
Figure 691671DEST_PATH_IMAGE006
其中,
Figure 958705DEST_PATH_IMAGE007
表示4.0um处的光源强度,
Figure 219922DEST_PATH_IMAGE008
表示4.26um处的光源光强,表示4.6um处的光源光强,
Figure 947411DEST_PATH_IMAGE010
表示三通道红外气体探测器在4.0um处的响应度,表示三通道红外气体探测器在4.26um处的响应度,
Figure 501069DEST_PATH_IMAGE012
表示三通道红外气体探测器在4.6um处的响应度,
Figure 86771DEST_PATH_IMAGE013
表示测量气室的透射比,
Figure 578932DEST_PATH_IMAGE014
表示CO2气体在4.26um处的透射比,
Figure 820558DEST_PATH_IMAGE015
表示CO2气体在4.6um处的透射比,
Figure 220315DEST_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 926103DEST_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 261269DEST_PATH_IMAGE018
                                  1-3
      
Figure 190709DEST_PATH_IMAGE020
由于同一光源光强的光谱分布是不变的,可知
Figure 688687DEST_PATH_IMAGE021
Figure 522651DEST_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
Figure 418111DEST_PATH_IMAGE024
相比,可得到
Figure 775460DEST_PATH_IMAGE024
的比值、
Figure 275712DEST_PATH_IMAGE014
Figure 758646DEST_PATH_IMAGE015
的比值之间的对应关系
Figure 231215DEST_PATH_IMAGE026
                      1-4
由前述可知,A为已知的定值;
使
Figure 406982DEST_PATH_IMAGE023
Figure 394529DEST_PATH_IMAGE027
相比,可得到
Figure 618837DEST_PATH_IMAGE023
的比值、CO2气体在4.26um处的透射比
Figure 92249DEST_PATH_IMAGE014
之间的对应关系
Figure 504775DEST_PATH_IMAGE028
                        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 595091DEST_PATH_IMAGE002
的比值、
Figure 28664DEST_PATH_IMAGE023
Figure 990803DEST_PATH_IMAGE027
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 619231DEST_PATH_IMAGE018
                                      1-6
      
Figure 343790DEST_PATH_IMAGE031
使
Figure 793226DEST_PATH_IMAGE024
Figure 163028DEST_PATH_IMAGE023
相比,得
Figure 995819DEST_PATH_IMAGE025
的比值、CO气体在4.6um处的透射比
Figure 604655DEST_PATH_IMAGE032
之间的对应关系
Figure 840465DEST_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 913463DEST_PATH_IMAGE029
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,4.0um吸收峰处的参考通道输出信号
Figure 39868DEST_PATH_IMAGE034
、4.26um吸收峰处的CO2通道输出信号
Figure 751472DEST_PATH_IMAGE035
和4.6um吸收峰处的CO通道输出信号
Figure 678976DEST_PATH_IMAGE036
基于关系1-1,令
Figure 880151DEST_PATH_IMAGE037
然后,由
Figure 775611DEST_PATH_IMAGE039
的比值,通过CO2气体浓度查询表,查得CO2浓度、
Figure 826132DEST_PATH_IMAGE040
的比值,进而,根据A值和关系1-4,可计算得到
Figure 384655DEST_PATH_IMAGE015
的比值;
基于关系1-1,令
Figure 224435DEST_PATH_IMAGE043
得到关系                                  1-8
然后,将
Figure 122170DEST_PATH_IMAGE045
Figure 979267DEST_PATH_IMAGE035
的比值乘以A计算得到的
Figure 735871DEST_PATH_IMAGE014
Figure 449749DEST_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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