光学气体检测装置及测量方法与流程

本技术涉及气体检测领域，尤其是涉及一种光学气体检测装置及测量方法。

背景技术：

1、现市场上使用的气体传感器主要分为催化型、电化学型、半导体型和光学吸收型，催化型传感器灵敏度高、响应时间快、受湿度和温度影响小、方便使用，但其量程小，易受高浓度气体及硫化物影响产生中毒现象，且存在零点漂移和灵敏度漂移等，使得其需要频繁校准；电化学型传感器具有结构简单、价格低廉、选择性良好等优点，但同时也存在设备易老化、使用寿命短、检测精度不高、易中毒等缺点；半导体型传感器体积小、不易中毒、寿命长，但选择性差，尤其是受水蒸气影响严重，准确度较差、较高浓度下几乎饱和；光学吸收型气体传感器包括红外吸收原理、可调谐半导体激光吸收原理以及紫外吸收原理的传感器，与催化型、电化学型、半导体型传感器相比，光学吸收型气体传感器因准确度高、选择性好、不易受有害气体影响而中毒老化、响应速度快及稳定性好而被广泛应用于民用、工业以及临床医疗等众多领域，但由于光学气体传感器的光源、光探测器等光电器件性能会随着使用时间的推移，环境条件的变化而发生改变，存在着需要定期校准的缺点。

2、以市面上的红外气体传感器为例，其校准周期一般为3天或7天，校准方式分为手动和自动校准。手动校准需要操作人员定期向传感器内部通入标准气体，再发指令实现零点和量程点的校准检验，校准的准确度高，但是增加了人工维护成本；自动校准需要引入新鲜空气，通过周期性判断当前的测量浓度与环境浓度，基于软件算法做逻辑分析实现调零操作，但是应用现场无新鲜空气时无法实现自动调零。

3、为了解决上述技术问题，现有技术中通常对光束进行分光，使得一束光通过待测气所在的测量室，另一束光通过密封已知浓度气体的参考室，从而实现对光学检测装置的自校准，如abb公司的专利us5077469a和siemens公司的专利us5764354a。然而这种方式需要采用单独分光元件，比如旋转光圈或者分束器，这对探测器能准确接收光信号提出了很高的调试要求，而且只能实现单点气体浓度校准。

4、专利cn111044487a公开了一种tdlas技术危险气体泄露检测装置，通过设置激光导入机构和激光导出机构，自动将激光发射单元的激光导入标准气体室，并进行有效的接收分析和测量校准，在本方案中激光导入结构和导出结构为可调的导光镜。然而在在切换光路时，难以对导光镜精确调节后使得光被探测器接收。

5、综上所述，现有的校准方式校准精度不高，无法实现多点气体浓度校准、无法保障设备的长期稳定运行。

技术实现思路

1、为了解决现有的校准方式校准精度不高的技术问题，本技术提供一种光学气体检测装置及测量方法。

2、本技术提供的一种光学气体检测装置采用如下的技术方案：

3、第一方面，

4、一种光学气体检测装置，包括:

5、气室组，包括第一参比气室、测量气室以及至少一个第二参比气室，所述第一参比气室用于对所述光学气体检测装置调零校准，所述测量气室供待测气体流动,至少一个所述第二参比气室封装有已知量程点浓度的待测气体或已知爆炸点浓度的待测气体；

6、至少一个光源，位于所述气室组的进光侧；

7、至少一个探测器，位于所述气室组的出光侧；

8、检测切换单元，用于带动至少一个所述光源和/或至少一个所述探测器移动；

9、控制单元，用于周期性控制所述检测切换单元将至少一个所述光源和/或至少一个所述探测器移动至与所述气室组中的目标气室相对，以实现所述光学气体检测装置的自校准；

10、处理单元，用于基于所述探测器的输出信号，获得待测气体的浓度。

11、通过采用上述技术方案，本技术通过周期性移动光源和探测器，周期性切换到不同气室腔上，检测不同气室腔内气体浓度，通过比较气室腔内不同的气体浓度值，得出测量结果和标准值之间的差异，免去人工维护成本，实现装置的自动校准，同时本技术可以扩展出多个气室设计，实现多点校准，提高校准数据准确性。由于是移动光源和探测器，光源和探测器重量轻、体积小，移动光源和探测器精度更高，校准精度更高；同时，检测切换单元能够设计为小型化，光学气体检测装置整体体积更小型，更便于携带。

12、可选的，所述光源和探测器的数量均为一个，所述控制单元周期性控制所述检测切换单元将一个所述光源和一个所述探测器同时移动至与所述气室组中的目标气室相对。

13、通过采用上述技术方案，此方案能够消除不同气室之间光源或探测器长时间温漂特性不一样带来的影响，提高测量结果准确性。

14、可选的，所述光源的数量为一个，所述探测器的数量为多个，所述控制单元周期性控制所述检测切换单元将所述光源移动至与所述气室组中的每个目标气室相对。

15、可选的，所述光源的数量为多个，所述探测器的数量为一个，所述控制单元周期性控制所述检测切换单元将所述探测器移动至与所述气室组中的每个目标气室相对。

16、可选的，所述检测切换单元包括安装座和位置调节组件，所述光源和\或所述探测器安装在所述位置调节组件上，所述位置调节组件安装在所述安装座上且可移动光源和\或所述探测器至与所述气室组中的目标气室相对。

17、可选的，所述位置调节组件包括微型电机、导轨连接件以及双导轨，所述微型电机安装在所述安装座上，所述导轨连接件安装在所述微型电机的输出端，所述光源和探测器分别安装在所述导轨连接件上，所述导轨连接件同时滑动连接于所述双导轨内。

18、通过采用上述技术方案，实现光源、探测器的移动限位，避免光源、探测器在移动时发生位置偏差，影响光信号的发射与接收。微型电机由单片机驱动实现定期运转，并增加有保护电路，可有效防止电机出现卡死问题，同时保证移动位置的准确性。

19、可选的，所述位置调节组件包括驱动电机和旋转轮，所述驱动电机安装在所述安装座上，所述旋转轮安装在所述驱动电机的输出端，所述光源和探测器分别安装在所述旋转轮上。

20、可选的，所述光源为红外光源、激光光源或非分光紫外光源。

21、通过采用上述技术方案，可以随意更换光源和探测器实现多种气体组分的测量。

22、可选的，所述光源为红外光源，所述探测器为单通道、双通道或三通道及以上探测器。。

23、可选的，所述气室组内通入有与所述待测气体互不干扰的校准气体，所述校准气体为氮气或惰性气体。

24、第二方面

25、一种光学气体检测装置的测量方法，包括以下步骤：

26、利用所述探测器对穿过封有已知浓度校准气体的所述第一参比气室的光线进行检测，得到第一信号值xr；

27、向所述测量气室内通入待测气体对应的校准气体，并利用所述探测器对穿过所述测量气室的光线进行检测，得到第二信号值x0；

28、达到预设时间后，利用所述探测器对穿过所述第一参比气室的光线进行检测，得到第三信号值xr′；

29、根据所述第一信号值xr、所述第二信号值x0和所述第三信号值xr′，计算得到第四信号值zero，所述第四信号值zero是达到预设时间后，预测利用所述探测器对穿过所述测量气室的光线进行检测得到的信号值；

30、向所述测量气室内通入未知浓度的待测气体，并利用所述探测器对穿过所述测量气室的光线进行检测，得到第五信号值x；

31、获取所述待测气体的浓度、所述待测气体对应的探测器信号值、以及所述校准气体对应的探测器信号值之间的关系式，并将所述第四信号值zero和所述第五信号值x代入所述关系式，得到所述待测气体的浓度。

32、通过采用上述技术方案，利用上述信号值对漂移量进行修正后，修正后检测浓度的误差在1％f.s以内，而未修正前的检测浓度误差超过3％f.s。可见，通过本技术校准方法和测量方法，能够有效提高浓度检测精度。

33、可选的，所述获取所述待测气体的浓度、所述待测气体对应的探测器信号值、以及所述校准气体对应的探测器信号值之间的关系式，包括：

34、达到所述预设时间前，依次向所述测量气室内通入多组已知浓度的待测气体，并在每次向所述测量气室内通入一组已知浓度的待测气体后，利用所述探测器对穿过所述测量气室的光线进行检测，得到第六信号值xi；

35、根据所述第二信号值x0、多次得到的所述第六信号值xi和对应的待测气体的浓度ci，确定所述待测气体的浓度、所述待测气体对应的探测器信号值、以及所述校准气体对应的探测器信号值之间的关系式。

36、可选的，所述根据所述第二信号值x0、多次得到的所述第六信号值xi和对应的待测气体的浓度ci，确定所述待测气体的浓度、所述待测气体对应的探测器信号值、以及所述校准气体对应的探测器信号值之间的关系式，包括：

37、根据所述第二信号值x0和多次得到的所述第六信号值xi，得到多次得到的所述第六信号值xi相对于第二信号值x0的变化率absi

38、

39、将多组变化率absi与对应待测气体浓度ci进行拟合，得到待测气体的信号变化率absi与浓度ci的线性关系ci＝f(absi)。

40、可选的，所述将所述第四信号值zero和所述第五信号值x代入所述关系式，得到所述待测气体的浓度，包括：

41、计算所述第五信号值x相对于第四信号值zero的信号变化率abs，

42、

43、基于线性关系ci＝f(absi)和信号变化率abs，得到所述待测气体的浓度。

44、通过采用上述技术方案，通过拟合计算的方式，计算简单，准确性高。

45、可选的，所述待测气体的信号变化率absi与浓度ci的线性关系ci＝f(absi)为

46、其中，a0、a1、a2、a3为拟合系数。

47、可选的，所述根据所述第一信号值xr、所述第二信号值x0和所述第三信号值xr′，得到第四信号值zero，包括：

48、

49、可选的，所述气室还包括第二参比气室，所述获取所述待测气体的浓度、所述待测气体对应的探测器信号值、以及所述校准气体对应的探测器信号值之间的关系式，还包括：达到所述预设时间前，利用所述探测器对穿过所述第二参比气室的光线进行检测，得到第七信号值xspan；

50、向所述测量气室内通入已知量程点浓度cspan的待测气体，并利用所述探测器对穿过所述测量气室的光线进行检测，得到第八信号值x4；

51、达到所述预设时间后，利用所述探测器对穿过所述第二参比气室的光线进行检测，得到第九信号值xspan′；

52、根据所述第七信号值xspan、所述第八信号值x4和所述第九信号值xspan′，计算得到第十信号值span，所述第十信号值span是达到预设时间后，预测利用所述探测器对穿过所述测量气室的光线进行检测得到的信号值；

53、基于所述已知量程点浓度cspan、所述第十信号值span和所述第四信号值zero，对所述关系式进行更新；

54、相应地，所述将所述第四信号值zero和所述第五信号值x代入所述关系式，得到所述待测气体的浓度，包括：

55、将所述第四信号值zero和所述第五信号值x代入更新后的所述关系式。

56、通过采用上述技术方案，实现多点校准，进一步提高检测数据准确性。

57、可选的，所述基于所述已知量程点浓度cspan、所述第十信号值span和所述第四信号值zero，更新所述关系式，包括：

58、获取所述关系式中的参数值，并根据所述关系式中的参数值、所述第四信号值zero、所述第十信号值span、和所述已知量程点浓度cspan，计算得到第十一信号值k,所述第十一信号值k是达到预设时间后，未知气体浓度的量程点偏移量；

59、采用所述第十一信号值k，对所述关系式进行更新。

60、可选的，所述获取所述关系式中的参数值，并根据所述关系式中的参数值、所述第四信号值zero、所述第十信号值span以及所述已知待测气体的量程点浓度cspan算得到第十一信号值k，包括：

61、根据确定所述待测气体的浓度、所述待测气体对应的探测器信号值、以及所述校准气体对应的探测器信号值之间的关系式中获取所述关系式中的参数值a0、a1、a2、a3；

62、根据所述关系式中的参数值a0、a1、a2、a3、所述第四信号值zero、所述第十信号值span以及已知待测气体的量程点浓度cspan，计算得到第十一信号值k，

63、

64、可选的，更新后的所述关系式为

65、c＝(a0*abs3+a1*abs2+a2*abs+a3)*k；

66、其中，c为待测气体浓度，a0、a1、a2、a3为关系式中的参数值，abs为第五信号值x相对于第四信号值zero的信号变化率abs。

67、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

68、1.本技术通过周期性移动光源和/或探测器，周期性切换到不同气室腔上，检测不同气室腔内气体浓度，通过比较气室腔内不同的气体浓度值，得出测量结果和标准值之间的差异，免去人工维护成本，实现装置的自动校准，同时本技术可以扩展出多个气室设计，实现多点校准，提高校准数据准确性。由于是移动光源和探测器，光源和探测器重量轻、体积小，移动光源和探测器精度更高，校准精度更高。

69、2.本技术修正后检测浓度的误差在1％f.s以内，而未修正前的检测浓度误差超过3％f.s。可见，通过本技术校准方法和测量方法，能够有效提高浓度检测精度。

70、3.光源和探测器的数量均为一个，此方案能够消除不同气室之间光源或探测器长时间温漂特性不一样带来的影响，提高测量结果准确性。