專利名稱：采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用非色散紅外技術(shù)來測量氣體的方法領(lǐng)域，具體為一種采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法。
背景技術(shù)：
工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常檢測二氧化碳的濃度的需要，早期采用電化學(xué)式和熱傳導(dǎo)式傳感器，這類傳感器體積小，但抗干擾性差，長時間使用性能不穩(wěn)定；也有采用固體電解質(zhì)傳感器，這種傳感器工作溫度高，加熱功耗大。目前應(yīng)用最多的是采用非色散紅外(英文全稱non dispersive infrared,簡稱NDIR)的傳感器，NDIR檢測的原理是檢測二氧化碳分子對特定波長的吸收，根據(jù)測得的吸收強度再依據(jù)朗伯-比爾吸收定律計算二氧化碳濃度。NDIR檢測儀的構(gòu)成包括:紅外光源、探測器、鍍金氣室以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中紅外光源和探測器置于鍍金氣室內(nèi)，紅外光源發(fā)射特定波長范圍的紅外線，由探測器經(jīng)過濾光片只接收特定波長的紅外譜線，探測器有單窗口和雙窗口兩種類型，兩種探測器都設(shè)有溫度傳感器，用以溫度補償。雙窗口型的一個窗口是參比窗口，這個窗口所吸收的波長不受二氧化碳影響，另一個窗口吸收的波長是和二氧化碳有關(guān)，兩個窗口輸出的信號經(jīng)過對比換算，就可以消除光源老化、氣室進(jìn)入灰塵等因素的影響，也可以減小溫度變化帶來的影響，因此雙窗口型檢測精度高，工作穩(wěn)定，但價格較高。單窗口沒有參比窗口，就會受上述因素的影響，但價格相對便宜。然而，單雙窗口的探測器在使用一定時間后都會產(chǎn)生線性漂移，由于各地的大氣壓強不同導(dǎo)致測量的結(jié)果也不同，這就需要重新校正檢測儀，校正時需要配備標(biāo)準(zhǔn)氣體，由專業(yè)人員配備專用校準(zhǔn)器具校正，操作復(fù)雜，維護(hù)困難。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種操作方便、檢測精度高、維護(hù)容易的二氧化碳濃度檢測具有自校正的方法，本發(fā)明公開了一種采用非色散紅外(NDIR)檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案達(dá)到發(fā)明目的:
一種采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，采用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測儀包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數(shù)據(jù)采集器，單窗口探測器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器內(nèi)設(shè)有緩沖區(qū)和寄存器，其特征是:按預(yù)備、自校正數(shù)據(jù)處理和溫度補償這3個步驟依次進(jìn)行:
(1)預(yù)備:預(yù)備步驟時，對非色散紅外檢測儀通電30分鐘以上，直至鍍金氣室的溫度達(dá)到平衡，隨后將非色散紅外檢測儀置于大氣流通的潔凈場所開始自校正，對大氣的要求是二氧化碳含量為360ppm 440ppm且風(fēng)力不小于2級；
(2)自校正數(shù)據(jù)處理:自校正數(shù)據(jù)處理步驟包括定時等待、定時采集和數(shù)據(jù)換算，
定時等待時，定時等待時間為2分鐘，定時等待期內(nèi)數(shù)據(jù)采集器只采集探測器輸出經(jīng)
放大器放大后的電壓值，不做任何處理；定時采集時，定時采集時間為6分鐘，定時采集包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，并將數(shù)據(jù)逐個存入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的數(shù)量至少為10個，
緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存滿后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理按如下步驟依次進(jìn)行:找出緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的最大值和最小值并求出最大值和最小值的差值，令差值為V (最大-最小)，然后剔除最大值和最小值以對剩余的數(shù)據(jù)求平均值，令平均值為V(平均)，同時測量并記錄當(dāng)前單窗口探測器內(nèi)溫度傳感器的溫度值，令溫度值為T (校正時溫度)，
數(shù)據(jù)存儲時，將V (最大-最小)、V (平均)和T (校正時溫度)分別存入寄存器；
完成數(shù)據(jù)存儲后，若定時采集時間尚未結(jié)束，則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，隨后比較本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大于上次平均值，則執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲，將本次平均值V (平均)、差值V (最大-最小)和溫度值T (校正時溫度)分別存入寄存器以覆蓋原有數(shù)據(jù)，否則保持寄存器原有數(shù)值不變，如此循環(huán)直至定時采集時間結(jié)束，此時寄存器內(nèi)存儲的即為多個平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所對應(yīng)樣本中最大值和最小值的差值V (最大-最小)，和所述平均值最大值所對應(yīng)時刻探測器溫度傳感器所測得的溫度值T (校正時溫度)，
數(shù)據(jù)換算時，根據(jù)下述二氧化碳濃度換算公式:C(測量值)=v(測量值)X [Cn-C (η-1) ] / [V (n-1) -Vn]，并將寄存器中的差值V (最大-最小)代替V測量值換算成二氧化碳濃度值，如果求出的C測量值大于20ppm則返回定時等待步驟重新進(jìn)行，如果小于20ppm則再定時2分鐘，
定時2分鐘時間內(nèi)，首先根據(jù)二氧化碳濃度換算公式將寄存器中的平均值V (平均)的最大值代替V(測量值)計算出濃度值，將計 算出的濃度值與400ppm比較得出一個差值，即C(400ppm差值)，然后連續(xù)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)下述實際二氧化碳濃度換算公式將采集的數(shù)據(jù)代替V (測量值)，求出實際二氧化碳濃度值，直至本次定時結(jié)束，將每次求出的實際濃度值判斷是否在380ppm 420ppm之間，如果超出這一范圍則返回定時等待步驟重新進(jìn)行，否則跳轉(zhuǎn)正常測量模式，
實際二氧化碳濃度換算公式:
C(實際濃度值)=C(測量值)+C(400ppm差值)=V(測量值)X [Cn-C(n-1)]/[V (n-1) -Vn] +C (400ppm 差值)，
由采集的數(shù)據(jù)換算二氧化碳濃度的公式推導(dǎo):換算公式推導(dǎo)根據(jù)查表數(shù)據(jù)，查表數(shù)據(jù)的求出根據(jù)試驗幾種不同標(biāo)準(zhǔn)濃度測出探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)表:{Cl/Vl ；C2/V2 ；……;Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)濃度值，Vn表示標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳濃度值測出對應(yīng)探測器輸出的電壓值，可推導(dǎo)出二氧化碳濃度換算公式:
C (測量值)=V (測量值)X [Cn-C (n-1) ] / [V (n-1) -Vn]，
其中:v(測量值)指測量出的電壓值，C(測量值)指換算出的二氧化碳濃度值；
(3)溫度補償:C(溫度補償后的標(biāo)準(zhǔn)濃度值)=C(實際濃度值)+C(溫度補償值)，
求C(溫度補償值)的方法:將非色散紅外檢測儀放置在標(biāo)準(zhǔn)濃度下的二氧化碳?xì)庀渲?，改變氣箱溫度并使之平衡然后記錄?shù)據(jù):{T1/C1 ；T2/C2 ；……；Tn/Cn}，Tn表示不同溫度，Cn表示溫度在Tn時所對應(yīng)的二氧化碳濃度，則溫度T的補償值為:C(溫度補償值)=[Cn-C (n-1) ] / [Tn-T (n-1) ] X [T-T (校正溫度)]，其中 T 在 Tn 和 T [η-1]之間。
所述的采用非色散紅外自校正式檢測二氧化碳濃度的方法，其特征是:數(shù)據(jù)采集器內(nèi)緩沖區(qū)的數(shù)量為12個。本發(fā)明采用單窗口探測器的非色散紅外檢測儀，用軟件做溫度補償，用自校正方法消除光源老化和氣室中進(jìn)入灰塵的影響，校準(zhǔn)方法簡單，可消除任何影響測量準(zhǔn)確性的因素，如環(huán)境中二氧化碳濃度不穩(wěn)定、環(huán)境溫度和大氣壓強的波動、紅外光源老化、氣室進(jìn)入灰塵等因素，保證了校正的準(zhǔn)確度。本發(fā)明的有益效果是:測量精確可靠，抗干擾性強，長時工作穩(wěn)定性好。
具體實施例方式以下通過具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實施例1
一種采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，采用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測儀包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數(shù)據(jù)采集器，單窗口探測器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器內(nèi)設(shè)有緩沖區(qū)和寄存器，其特征是:按預(yù)備、自校正數(shù)據(jù)處理和溫度補償這3個步驟依次進(jìn)行:
(1)預(yù)備:預(yù)備步驟時，對非色散紅外檢測儀通電30分鐘以上，直至鍍金氣室的溫度達(dá)到平衡，隨后將非色散紅外檢測儀置于大氣流通的潔凈場所開始自校正，對大氣的要求是二氧化碳含量為360ppm 440ppm且風(fēng)力不小于2級，；
(2)自校正數(shù)據(jù)處理:自校正數(shù)據(jù)處理步驟包括定時等待、定時采集和數(shù)據(jù)換算，
定時等待時，定時等待時間為2分鐘，定時等待期內(nèi)數(shù)據(jù)采集器只采集探測器輸出經(jīng)
放大器放大后的電壓值，不做任何處理；
定時采集時，定時采集時間為6分鐘，定時采集包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，并將數(shù)據(jù)逐個存入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的數(shù)量至少為10個，本實施例取12個，
緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存滿后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理按如下步驟依次進(jìn)行:找出緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的最大值和最小值并求出最大值和最小值的差值，令差值為V (最大-最小)，然后剔除最大值和最小值以對剩余的數(shù)據(jù)求平均值，令平均值為V (平均)，同時測量并記錄當(dāng)前單窗口探測器內(nèi)溫度傳感器的溫度值，令溫度值為T (校正時溫度)，
數(shù)據(jù)存儲時，將V (最大-最小)、V (平均)和T (校正時溫度)分別存入寄存器；
完成數(shù)據(jù)存儲后，若定時采集時間尚未結(jié)束，則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，隨后比較本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大于上次平均值，則執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲，將本次平均值V (平均)、差值V (最大-最小)和溫度值T (校正時溫度)分別存入寄存器以覆蓋原有數(shù)據(jù)，否則保持寄存器原有數(shù)值不變，如此循環(huán)直至定時采集時間結(jié)束，此時寄存器內(nèi)存儲的即為多個平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所對應(yīng)樣本中最大值和最小值的差值V (最大-最小)，和所述平均值最大值所對應(yīng)時刻探測器溫度傳感器所測得的溫度值T (校正時溫度)，
數(shù)據(jù)換算時，根據(jù)下述二氧化碳濃度換算公式:C(測量值)=v(測量值)X [Cn-C (n-1) ] / [V (n-1) -Vn]，并將寄存器中的差值V (最大-最小)代替V測量值換算成二氧化碳濃度值，如果求出的C測量值大于20ppm則返回定時等待步驟重新進(jìn)行，如果小于20ppm則再定時2分鐘，
定時2分鐘時間內(nèi)，首先根據(jù)二氧化碳濃度換算公式將寄存器中的平均值V (平均)的最大值代替V(測量值)計算出濃度值，將計算出的濃度值與400ppm比較得出一個差值，即C(400ppm差值)，然后連續(xù)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)下述實際二氧化碳濃度換算公式將采集的數(shù)據(jù)代替V (測量值)，求出實際二氧化碳濃度值，直至本次定時結(jié)束，將每次求出的實際濃度值判斷是否在380ppm 420ppm之間，如果超出這一范圍則返回定時等待步驟重新進(jìn)行，否則跳轉(zhuǎn)正常測量模式，
實際二氧化碳濃度換算公式:
C(實際濃度值)=C(測量值)+C(400ppm差值)=V(測量值)X [Cn-C(n-1)]/[V (n-1) -Vn] +C (400ppm 差值)，
由采集的數(shù)據(jù)換算二氧化碳濃度的公式推導(dǎo):換算公式推導(dǎo)根據(jù)查表數(shù)據(jù)，查表數(shù)據(jù)的求出根據(jù)試驗幾種不同標(biāo)準(zhǔn)濃度測出探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)表:{Cl/Vl ；C2/V2 ；……;Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)濃度值，Vn表示標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳濃度值測出對應(yīng)探測器輸出的電壓值，可推導(dǎo)出二氧化碳濃度換算公式: C (測量值)=V (測量值)X [Cn-C (n-1) ] / [V (n-1) -Vn]，
其中:v(測量值)指測量出的電壓值，C(測量值)指換算出的二氧化碳濃度值；
(3)溫度補償:C(溫度補償后的標(biāo)準(zhǔn)濃度值)=C(實際濃度值)+C(溫度補償值)，
求C(溫度補償值)的方法:將非色散紅外檢測儀放置在標(biāo)準(zhǔn)濃度下的二氧化碳?xì)庀渲?，改變氣箱溫度并使之平衡然后記錄?shù)據(jù):{T1/C1 ；T2/C2 ；……；Tn/Cn}，Tn表示不同溫度，Cn表示溫度在Tn時所對應(yīng)的二氧化碳濃度，則溫度T的補償值為:C(溫度補償值)=[Cn-C (n-1) ] / [Tn-T (n-1) ] X [T-T (校正溫度)]，其中 T 在 Tn 和 T [η-1]之間。
權(quán)利要求
1.一種采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，采用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測儀包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數(shù)據(jù)采集器，單窗口探測器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器內(nèi)設(shè)有緩沖區(qū)和寄存器，其特征是:按預(yù)備、自校正數(shù)據(jù)處理和溫度補償這3個步驟依次進(jìn)行: (1)預(yù)備:預(yù)備步驟時，對非色散紅外檢測儀通電30分鐘以上，直至鍍金氣室的溫度達(dá)到平衡，隨后將非色散紅外檢測儀置于大氣流通的潔凈場所開始自校正，對大氣的要求是二氧化碳含量為360ppm 440ppm且風(fēng)力不小于2級； (2)自校正數(shù)據(jù)處理:自校正數(shù)據(jù)處理步驟包括定時等待、定時采集和數(shù)據(jù)換算， 定時等待時，定時等待時間為2分鐘，定時等待期內(nèi)數(shù)據(jù)采集器只采集探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，不做任何處理； 定時采集時，定時采集時間為6分鐘，定時采集包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，并將數(shù)據(jù)逐個存入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的數(shù)量至少為10個， 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存滿后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理按如下步驟依次進(jìn)行:找出緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的最大值和最小值并求出最大值和最小值的差值，令差值為V(最大-最小)，然后剔除最大值和最小值以對剩余的數(shù)據(jù)求平均值，令平均值為V(平均)，同時測量并記錄當(dāng)前單窗口探測器內(nèi)溫度傳感器的溫度值，令溫度值為T (校正時溫度)， 數(shù)據(jù)存儲時，將V(最大-最小)、V(平均)和T (校正時溫度)分別存入寄存器； 完成數(shù)據(jù)存儲后，若定時采集時間尚未結(jié)束，則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，隨后比較本次求得的平均值和上次平均值，如果本次平均值大于上次平均值，則執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲，將本次平均值V (平均)、差值V (最大-最小)和溫度值T (校正時溫度)分別存入寄存器以覆蓋原有數(shù)據(jù)，否則保持 寄存器原有數(shù)值不變，如此循環(huán)直至定時采集時間結(jié)束，此時寄存器內(nèi)存儲的即為多個平均值V(平均)中的最大值，所述平均值最大值所對應(yīng)樣本中最大值和最小值的差值V (最大-最小)，和所述平均值最大值所對應(yīng)時刻探測器溫度傳感器所測得的溫度值T (校正時溫度)， 數(shù)據(jù)換算時，根據(jù)下述二氧化碳濃度換算公式:C(測量值)=v(測量值)X [Cn-C (η-1) ] / [V (n_l) -Vn]，并將寄存器中的差值V (最大-最小)代替V測量值換算成二氧化碳濃度值，如果求出的C測量值大于20ppm則返回定時等待步驟重新進(jìn)行，如果小于20ppm則再定時2分鐘， 定時2分鐘時間內(nèi)，首先根據(jù)二氧化碳濃度換算公式將寄存器中的平均值V (平均)的最大值代替V (測量值)計算出濃度值，將計算出的濃度值與400ppm比較得出一個差值，即C(400ppm差值)，然后連續(xù)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)下述實際二氧化碳濃度換算公式將采集的數(shù)據(jù)代替V (測量值)，求出實際二氧化碳濃度值，直至本次定時結(jié)束，將每次求出的實際濃度值判斷是否在380ppm 420ppm之間，如果超出這一范圍則返回定時等待步驟重新進(jìn)行，否則跳轉(zhuǎn)正常測量模式， 實際二氧化碳濃度換算公式: C(實際濃度值)=C(測量值)+C(400ppm差值)=V(測量值)X [Cn_C(n_l)]/[V (η-1) -Vn] +C (400ppm 差值)， 由采集的數(shù)據(jù)換算二氧化碳濃度的公式推導(dǎo):換算公式推導(dǎo)根據(jù)查表數(shù)據(jù)，查表數(shù)據(jù)的求出根據(jù)試驗幾種不同標(biāo)準(zhǔn)濃度測出探測器輸出經(jīng)放大器放大后的電壓值，試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)表:{Cl/Vl ；C2/V2 ；……;Cn/Vn}，其中Cn表示二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)濃度值，Vn表示標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳濃度值測出對應(yīng)探測器輸出的電壓值，可推導(dǎo)出二氧化碳濃度換算公式:C (測量值)=V (測量值)X [Cn-C (η-1) ] / [V (n_l) -Vn]， 其中:v(測量值)指測量出的電壓值，C(測量值)指換算出的二氧化碳濃度值； (3)溫度補償:C(溫度補償后的標(biāo)準(zhǔn)濃度值)=C(實際濃度值)+C(溫度補償值)， 求C(溫度補償值)的方法:將非色散紅外檢測儀放置在標(biāo)準(zhǔn)濃度下的二氧化碳?xì)庀渲?，改變氣箱溫度并使之平衡然后記錄?shù)據(jù):{Tl/Cl ；T2/C2 ；……；Tn/Cn}，Tn表示不同溫度，Cn表示溫度在Tn時所對應(yīng)的二氧化碳濃度，則溫度T的補償值為:C (溫度補償值)=[Cn-C (n-1) ] / [Tn-T (n_l) ] X [T-T (校正溫度)]，其中 T 在 Tn 和 T [n_l]之間。
2.如權(quán)利要求1所述的采用非色散紅外自校正式檢測二氧化碳濃度的方法，其特征是:數(shù)據(jù)采集器內(nèi)緩沖 區(qū)的數(shù)量為12個。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用非色散紅外技術(shù)來檢測氣體濃度的方法領(lǐng)域，具體為一種采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法。一種采用非色散紅外檢測二氧化碳濃度具有自校正的方法，采用非色散紅外檢測儀實施檢測，所述的非色散紅外檢測部分包括紅外光源、單窗口探測器、鍍金氣室和數(shù)據(jù)采集器，單窗口探測器內(nèi)設(shè)有溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器內(nèi)設(shè)有緩沖區(qū)和寄存器。其自校正特征是按預(yù)備、自校正數(shù)據(jù)處理和溫度補償這3個步驟依次進(jìn)行。本發(fā)明測量精確可靠，抗干擾性強，長時工作穩(wěn)定性好。
文檔編號G01N21/35GK103175803SQ20111044162
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者黃立彬, 孟志華 申請人:上海儀華儀器有限公司