[发明专利]一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统

说明书

本发明提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统，仅用一个通道，通过改变光程进行多次测量获得包含多个影响因素参量的多组数据，从而解析出气体浓度，得到气体浓度C和光程差ΔL的关系式，可以避免环境温湿度等因素的干扰。该检测系统包括：光源，用于发射红外光，光谱范围包含被测气体的特征吸收波长；光源驱动模块，用于给光源提供稳定的供电电压以及调制光源；气室，为单通道可变光程气室；探测器模块，用于获取待测气体在不同的气体浓度和光程下的原始电压数据；数据采集处理模块，用于对原始电压进行数据采集并进行数字信号处理。本发明测量范围更大、系统体积更小、成本更低、稳定性更高，为气体检测提供了更加简单准确的方法。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地，涉及一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统。

背景技术

人类的生存离不开气体环境，且各种气体在整个地球生态环境中都有着广泛的分布。以二氧化碳为例，环境中二氧化碳浓度分布范围很宽，根据WMO温室气体公报，全球大气环境中二氧化碳平均摩尔分数为410.5ppm±0.2ppm，人体呼出气体中二氧化碳含量在4％左右(40000pm)，工业二氧化碳排放浓度更高，如大型钢铁厂烧结机废气可达4-7％，当环境中二氧化碳浓度高于5％时，会导致人严重缺氧，昏迷甚至死亡。现有的气体传感技术主要包括气敏法、质谱法、气相色谱法、电化学分析方法和各种光学方法，如色散红外光谱(NDIR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、光声光谱(PAS)、腔增强吸收光谱(CEAS)以及可调谐二极管吸收光谱(TDLAS)技术等。非光学方法主要通过待测气体的物理化学特性，例如因化学反应产生的电阻、电容或电位的变化等，优势在于工艺简单，成本低，然而他们的长期稳定性以及与杂质气体的交叉敏感性较差。相反，光学方法具有特异性好的优势，但其中FTIR扫描速度慢，易受水汽及杂质气体干扰；PAS容易受其它气体影响，且系统较为复杂，成本较高；CEAS对光路要求高，调试过程复杂，稳定性差；TDLAS需对光源进行精确调制，系统复杂，成本较高。而NDIR具有选择性好，灵敏度高，响应速度快，寿命长且易维修等优势，因而在气体检测领域被广泛应用。

现有技术中的基于NDIR的气体技术大多采用具有参考通道和测量通道的双通道设计，通过测量通道和参考通道的比值以降低部分噪声和基线漂移，提高测量精度，但是参考通道与被测通道采用固定式的光程，其检测浓度范围较小，气室结构比较复杂，调试过程较繁杂。特别是在有些测量中的多通道设计为非共光路系统，抗干扰能力较弱，且测量通道与参考通道中还包含有不同相的噪声，这部分噪声无法通过比值消除，而且两个通道采用的探测器存在响应不一致的问题。此外，因为待测气体浓度测量会受环境因素(比如温度、湿度、气压等)干扰，测量通道和参考通道所测量的波长不一致，无法通过参考通道测量消除环境因素的干扰，所以双通道测量方法受温湿度等环境因素影响较大，需要定期校准零点或增设补偿算法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法和系统，通过单通道变光程测量消除环境温湿度干扰，并且扩大气体测量范围。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种可变光程NDIR宽量程气体检测方法，包括：

基于朗伯比尔定律，修正环境参数，建立传感器输出电压与气体浓度及光程差的函数关系；

根据所述函数关系，建立分析模型，并确定所述分析模型的常量；

利用所述分析模型对待测气体的浓度进行定量分析。

进一步地，所述建立传感器器输出电压与气体浓度及光程差的函数关系，包括：

选择光谱范围包含被测气体的特征吸收波长的光源，在光源照射下，气体浓度C和光程差L以及传感器输出电压U之间的关系表达式S1为：