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

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。

主权项

一种具有温度气压自动补偿的CO₂气体浓度监测方法，利用具有温度气压自动补偿的CO₂气体浓度监测装置，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)、锥形集光器(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(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，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；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。