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CN100494983C - 利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法和装置 - Google Patents

利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法和装置 Download PDF

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CN100494983C
CN100494983C CNB2005100366288A CN200510036628A CN100494983C CN 100494983 C CN100494983 C CN 100494983C CN B2005100366288 A CNB2005100366288 A CN B2005100366288A CN 200510036628 A CN200510036628 A CN 200510036628A CN 100494983 C CN100494983 C CN 100494983C
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Abstract

利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法和装置，其自动校准功能是通过在检测仪中增加一个参考气室，该参考气室中密封有已知浓度的CO2气体，实时或定时将该腔室切换到检测气路中，检测仪测量该腔室中气体的浓度，并与记录的该气体浓度做比较，得到测量结果与标准值之间的差异，实现了检测仪的自动校准。校准完成后，再将检测气室切换到光路中，进行被测气体浓度的测量。本发明装置由于校准过程与检测过程使用完全相同的光源、滤光片、红外传感器、放大电路和单片机系统进行测量计算，因此消除了现有技术中普遍存在的不同通道之间电路元件长时间温漂特性不一样带来的影响，测量结果误差较小，结构简单，成本较低且无需人工维护。

Description

利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法和装置
技术领域
本发明涉及利用光学手段来测试或分析材料的技术领域，尤其涉及利用红外光吸收特性来测量气体浓度的方法和装置。本发明的方法和装置特别适合作为测量人体呼吸气体中二氧化碳浓度的医疗仪器。
背景技术
目前气体浓度检测仪的测量原理一般都是基于非色散红外光谱分析技术(NDIR，Non-Dispersive Infrared)，即根据被测气体对某一波段红外光的吸收特性，选择特定波段的红外光通过气体样本，红外光的衰减量与被测气体样本的浓度符合Beer-Lambert定律。例如呼吸末CO2浓度检测仪利用了CO2分子在波长4.26微米(μm)处有一个显著的吸收峰，因此可以通过检测波长在4.26μm附近的红外光的衰减量来计算出相应的CO2浓度。为了计算CO2的浓度，需要给检测仪通入已知标准浓度的CO2气体，记录相应的红外光强，可以得到一条相应的光强——浓度曲线，以后即可根据测量到的光强，查询该光强——浓度曲线得到被测气体中CO2的浓度。由于不同检测仪的光源、探测器，电路会有差异性，因此不同的检测仪在出厂前都会通入某种标准浓度的CO2气体，记录测量结果与标准浓度之间的差异，以此制定相应的校准系数，修正该检测仪的测量结果与标准光强——浓度曲线之间的差异。但是，测量仪器经过长时间工作以后，由于光源、探测器等器件老化等原因，检测仪的测量结果可能不准确，因此每隔半年或一年需要进行定期的维护，即再次通入某种标准浓度的CO2气体进行标定。进行这种标定的过程，需要有灌装标准CO2的气瓶，气压调节阀，管路等设备，标定过程繁琐，给设备的使用带来极大的不便。
为了保证检测仪长时间测量结果的准确性，一般采用双光束的方式，即在检测仪中通过分光设备产生两道光路，其中一路通过被测气体，进行测量；另一路通过密封的某种参考气体，做为参考光路。参考光路中密封的参考气体浓度已知，因此可以用来做为基准，实现自动的标定，如美国专利5,764,354和5,077,469就是这样做的。但上述技术方案中两束光强通过两个探测器进行测量，检测仪器长时间工作后，两个探测器的老化程度不可能完全一致，并且不同探测器之间总有差异，因此检测仪的测量结果可能存在偏差。综上所述，现有基于红外光谱吸收方法测量二氧化碳浓度的装置存在如下缺陷：
1、测量装置需要定期进行校准，标定过程繁琐，增加了维护成本；
2、由于在测量装置中使用双光束方式，需用两个探测器分别测量两个通道的光强，不同探测器之间总有差异，并且不同探测器的老化程度不一样，特别是经过长时间工作后，测量装置的准确性将受到影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足之处而提出一种具有自动校准功能，测量精度稳定的气体浓度的测量方法和装置。
本发明采用如下技术方案：设计一种利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，包括如下步骤：
a.把一定量的待测气体抽送至检测气室；
b.让红外光脉冲穿过检测气室，穿过检测气室的红外光脉冲被检测气室内待测气体的浓度信号所调制；
c.调制后的光信号经过中心波长为λ的带通滤光片后被红外传感器转换成电信号，所述待测气体对波长λ的红外光具有最大的吸收；
d.所述电信号经放大后被送往单片机系统；
e.所述单片机系统根据所接收到的信号反算出检测气室内待测气体的浓度C0，该浓度C0含有仪器元器件的观测误差和计算误差；
f.对有误差的浓度值C0进行校准，C＝C0*β，其中β为校准系数，C即是待测气体浓度最后的测量结果；本发明方法的特别之处在于采用下面的步骤g获得所述校准系数β，
g.把封装有浓度为C1的气体的参考气室切换到上述过程同一个检测光路中，然后经过与前述完全相同的步骤b至步骤e获得所述参考气室内气体浓度的测量值C2，则所述校准系数β＝C1/C2。
所述校准系数β可以实时调整，或者在一段时间内维持不变，测量仪器定期自动启动步骤g更新所述校准系数β。
本发明解决技术问题所采用的技术方案还包括：设计一种利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置，该测量装置包括：
一个测量光路组件，包括顺序布置的红外光脉冲发生器，检测气室、滤光片、红外传感器和放大电路，用于把位于测量光路中的气体的浓度信号转换成电信号并把电信号进行选频放大；
一个气路组件，包括与检测气室进气口连接的采样气路和与检测气室排气口连接的限流阀和抽气泵，用于在一定时间内把定量的待测量气体送入检测气室并在测量完成后排出；
一个主控单元，包括储存有计算程序和控制程序的单片机系统以及与单片机系统信号输出端口连接的控制电路，用于把所述测量光路组件输出的电信号反演计算出待测气体的浓度值以及根据测量需要对所述测量光路组件和气路组件实施控制，本发明装置的关键点是：
在所述测量光路组件增设一个预先气密封装有已知浓度的气体的参考气室，用于测算装置测量误差的校准系数，所述参考气室和检测气室被安装在一个腔室切换装置中，该腔室切换装置由所述单片机系统发出在所述参考气室和检测气室之间的切换指令，让其中一个进入所述测量光路组件的测量光路中。
同现有技术相比较，本发明的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法和装置具有如下优点：
1、由于校准过程与检测过程使用完全相同的光源、滤光片、红外传感器、放大电路和单片机系统进行测量计算，因此消除了现有技术中普遍存在的不同通道之间电路元件长时间温漂特性不一样带来的影响，因此本发明的测量装置所获得的测量结果误差较小；
2、由于本发明装置只需要一套光路组件，因此结构简单，测量装置的制造成本也较低；
3、由于校准过程由测量仪器定期自动进行，不需要人工专门对测量装置进行维护，因此大大降低了测量装置的维护费用。
附图说明
图1是本发明利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置的原理框图；
图2是图1的测量光路组件中参考气室和检测气室被安装在腔室切换装置的结构示意图。
两附图中的标号说明：1.红外光源；2.驱动电机；3.斩波片；4a.测量气室；4b.参考气室；5.滤光片；6.红外传感器；7.放大电路；8.单片机系统；9.采样气路；10.电机稳速控制电路；11.腔室切换控制电路；12.流速检测电路；13.气泵控制电路；14.抽气泵；15.限流阀；16.弹簧；17.电磁开关；18.滑槽。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实施例对本发明装置及其方法作进一步详述。
如图1所示，本发明利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置包括：
一个测量光路组件，包括顺序布置的红外光脉冲发生器，检测气室4a、滤光片5、红外传感器6和放大电路7，用于把位于测量光路中的气体的浓度信号转换成电信号并把电信号进行选频放大；所述红外光脉冲发生器包括红外光源1、驱动电机2和斩波片3；斩波片3有通孔，驱动电机2经电机控制10连接单片机系统8，在单片机系统8的控制下带动斩波片3以稳定的速率旋转，红外光源1发出的光经斩波片3的通孔后变成红外光脉冲；
一个气路组件，包括与检测气室4a进气口连接的采样气路9和与检测气室4a排气口连接的限流阀15和抽气泵14，用于在一定时间内把定量的待测量气体送入检测气室4a并在测量完成后排出；所述限流阀15和抽气泵14分别通过流速检测12和气泵控制13连接单片机系统8；
一个主控单元，包括储存有计算程序和控制程序的单片机系统8以及与单片机系统8信号输出端口连接的控制电路，该控制电路包括电机控制10、腔室切换控制11、流速检测12和气泵控制13，用于把所述测量光路组件输出的电信号反演计算出待测气体的浓度值以及根据测量需要对所述测量光路组件和气路组件实施控制；
本发明装置有别于现有技术之处是在所述测量光路组件增设一个参考气室4b，该参考气室4b预先气密封装有已知浓度的气体，所述参考气室4b和检测气室4a被安装在一个腔室切换装置中，该腔室切换装置经腔室切换控制11连接所述单片机系统8，所述参考气室4b与检测气室4a在单片机系统8的控制下能够互相切换，让其中一个进入所述测量光路组件的测量光路中，以测算反映装置观测误差和计算误差的校准系数β，用于对气体浓度的测量结果进行修正。所述校准系数β可以在每一次测量气体浓度时都进行计算，如果考虑在一段时间内计算出的校准系数β变化很微小，则可让其在该段时间内维持不变，这个时间段的长短由系统程序设定，所述单片机系统8根据程序设定的时间控制所述参考气室4b定期(如1个月)切换进入测量光路，以计算测量误差的校准系数。
所述腔室切换装置包括：槽底有滑轨的凹槽18以及由单片机系统8控制的第一电磁开关17a和第二电磁开关17b，所述参考气室4b和检测气室4a并排安装在所述凹槽18的滑轨上，第一电磁开关17a和第二电磁开关17b分别设置在所述凹槽18的两侧槽壁，在检测气室4a和第二电磁开关17b之间设置一弹簧16；在常态下，所述检测气室4a位于测量光路中，当所述单片机系统8控制第一电磁开关17a关闭、第二电磁开关17b打开时，所述参考气室4b右移被切换到测量光路中，如图2所示。
所述装置的控制面板设有与所述腔室切换控制11连接的人工控制按钮，用户可根据装置的使用情况，在认为有必要时人工发出切换参考气室4b的指令，启动校准过程，更新装置内的校准系数。
应用上述测量装置的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法包括如下步骤：
a.把一定量的待测气体通过采样气路9抽送至检测气室4a；
b.驱动电机2在单片机系统8的控制下带动斩波片3以稳定的速率旋转，红外光源1发出的光经斩波片3的通孔后变成红外光脉冲，该红外光脉冲穿过检测气室4a时被检测气室4a内待测气体的浓度信号所调制；
c.调制后的光信号经过中心波长为λ的带通滤光片5后被红外传感器6转换成电信号，所述待测气体对波长λ的红外光具有最大的吸收；例如待测气体是人体呼吸气体二氧化碳，则所述波长λ为4.24微米。
d.所述电信号经放大后被送往单片机系统8；
e.所述单片机系统8根据所接收到的信号反算出检测气室4a内待测气体的浓度C0，该浓度C0含有仪器元器件的观测误差和计算误差，必须对其进行校准修正；
f.对有误差的浓度值C0进行校准，C＝C0*β，其中β为校准系数，C即是待测气体浓度最后的测量结果；本发明方法有别于现有技术之处是采用下面的步骤g获得所述校准系数β，
g.把封装有浓度为C1的气体的参考气室4b切换到上述过程同一个检测光路中，然后经过与前述完全相同的步骤b至步骤e获得所述参考气室4b内气体浓度的测量值C2，则所述校准系数β＝C1/C2；该系数β体现了装置测量结果C2相对已知浓度C1的偏离程度，
所述校准系数β可以在每次测量时被实时计算，也可以把校准系数β保存在单片机系统8中的非易失存储器(EEPROM)中供系统在一段时间内反复使用，测量仪器定期自动启动步骤g更新所述校准系数β。
测量装置的面板还设置了一个人工启动校准的按钮，因此也可以由用户根据测量装置的表现手工启动步骤g更新所述校准系数β。
所述参考气室4b内气体的已知浓度C1的值应选择与待测气体浓度范围的中间值相同或相接近。对某些浓度变化范围较宽的待测气体，校准系数β有可能与C1的选择有关，在这种情况下选择中间值会有较好的代表性。
不同的气体具有不同的光吸收特性，只要改变本发明装置中光源的波长，采用相应的感光元件，改变参考气室中密封气体的类型，本发明装置和方法可以用于所有对红外光有吸收作用的气体浓度的测量并实现自动校准。
作为一个实施例，我们可以利用本发明的技术方案制造在医疗上广泛使用的测量人体呼吸气体中二氧化碳浓度的装置，由于二氧化碳对波长为4.24微米的红外光有最大吸收，因此装置的光源及感光元件应能产生和分离4.24微米波长的红外光，相应参考气室中的密封气体也为二氧化碳。下面简述自动校准的测量人体呼吸气体中二氧化碳浓度的装置的工作原理：斩波片3由驱动电机2带动以一定频率旋转，斩波片上有个通孔，红外光源1发出的红外光经过斩波片3后变成光脉冲信号。此光脉冲信号作为经过充有CO2气体的检测气室4a，其中波长在4.26微米附近的红外光被CO2气体吸收，使到达探测器的红外光能量随测量室中CO2浓度的变化而变化，穿过检测气室4a的红外光经过中心波长为4.24微米的带通滤光片5后被红外传感器6转换成相应的电信号。并送入单片机系统8进行后续的处理。抽气泵14通过采样管从病人呼吸气体中连续抽取一定量的采样气体进入检测气室4a进行测量，然后通过排气口排放到大气中。单片机系统8通过流速检测13检测实时的抽气速率，并通过气泵控制14控制气泵10的抽气速度，达到稳定采样气体抽气速度的目的。
光源发出的红外光经过被测气体后，被二氧化碳气体吸收，红外传感器接收到的光强就发生变化，其变化的规律满足Beer-Lambert定律：
I＝I0·e-aLC
式中，I0、I分别为吸收前、后的红外光光强，α为4.24微米波长下二氧化碳气体的吸收系数，L为被测气体的有效吸收光程，C为被测气体的浓度，在测量装置中I0、α、L均保持不变，所以通过测量衰减后的光强，根据事先制定的衰减光强与二氧化碳浓度关系的曲线查表就可以得到被测二氧化碳气体的浓度。但是由于不同测量装置的光源、传感器、放大电路等之间有差异，因此不同的检测仪得到的光强——浓度曲线与事先制定的曲线之间有所差异。消除这种差异，一般通过标定的方法来实现。即在检测仪中通入某种浓度已知(C1)的二氧化碳气体，检测仪测量到的浓度为C2，则校准系数β＝C1/C2。检测仪经过校准后的测量结果就是C*β。
在进行正常测量过程中，检测气室4a位于光路中，红外探测器测量的是通过检测气室后4a衰减的光强。参考气室4b中密封固定浓度的CO2气体，如5％，当需要校准的时候，由单片机系统8控制电磁开关17a关闭，电磁开关17b打开，则参考气室4b被切换到光路中，红外探测器测量的是通过已知浓度的CO2气体后衰减的光强。单片机系统8根据测量的结果，自动计算校准系数β，并保存在系统中的非易失存储器(EEPROM)中。校准过程结束后，单片机系统再控制电磁开关，将检测气室4a重新切换回到光路中。所述参考气室4b的长度和密封窗口的材料与检测气室4a的完全一致。

Claims (11)

1、一种利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，包括如下步骤：
a.把一定量的待测气体抽送至检测气室(4a)；
b.让红外光脉冲穿过检测气室(4a)，穿过检测气室(4a)的红外光脉冲被检测气室(4a)内待测气体的浓度信号所调制；
c.调制后的光信号经过中心波长为λ的带通滤光片(5)后被红外传感器(6)转换成电信号，所述待测气体对波长λ的红外光具有最大的吸收；
d.所述电信号经放大后被送往单片机系统(8)；
e.所述单片机系统(8)根据所接收到的信号反算出检测气室(4a)内待测气体的浓度C0，该浓度C0含有仪器元器件的观测误差和计算误差；
f.对有误差的浓度值C0进行校准，C＝C0*β，其中β为校准系数，C即是待测气体浓度最后的测量结果；其特征在于采用下面的步骤g获得所述校准系数β，
g.把封装有浓度为C1的气体的参考气室(4b)切换到上述过程同一个检测光路中，然后经过与前述完全相同的步骤b至步骤e获得所述参考气室(4b)内气体浓度的测量值C2，则所述校准系数β＝C1/C2。
2、根据权利要求1所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，其特征在于：所述校准系数β在一段时间内维持不变，测量仪器定期自动启动步骤g更新所述校准系数β。
3、根据权利要求1所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，其特征在于：所述待测气体为人体呼吸二氧化碳气体，所述波长λ为4.24微米。
4、根据权利要求1、2或3所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，其特征在于：所述参考气室(4b)内气体的已知浓度C1的值与待测气体浓度范围的中间值相同或相接近。
5、根据权利要求1、2或3所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，其特征在于：所述步骤b的红外光脉冲是这样形成的：驱动电机(2)在单片机系统(8)的控制下带动具有通孔的斩波片(3)以一定速率旋转，红外光源(3)经过斩波片(3)的通孔后，成为红外光脉冲。
6、根据权利要求1或3所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法，其特征在于：可以由用户根据测量装置的表现，在认为有必要时手工启动步骤g更新所述校准系数β。
7、一种利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置，包括：
一个测量光路组件，包括顺序布置的红外光脉冲发生器，检测气室(4a)、滤光片(5)、红外传感器(6)和放大电路(7)，用于把位于测量光路中的气体的浓度信号转换成电信号并把电信号进行选频放大；
一个气路组件，包括与检测气室(4a)进气口连接的采样气路(9)和与检测气室(4a)排气口连接的限流阀(15)和抽气泵(14)，用于在一定时间内把定量的待测量气体送入检测气室(4a)并在测量完成后排出；
一个主控单元，包括储存有计算程序和控制程序的单片机系统(8)以及与单片机系统(8)信号输出端口连接的控制电路，用于把所述测量光路组件输出的电信号反演计算出待测气体的浓度值以及根据测量需要对所述测量光路组件和气路组件实施控制，其特征在于：
所述测量光路组件还包括预先气密封装有已知浓度气体的参考气室(4b)，用于测算装置测量误差的校准系数，所述参考气室(4b)和检测气室(4a)被安装在一个腔室切换装置中，该腔室切换装置由所述单片机系统(8)发出在所述参考气室(4b)和检测气室(4a)之间的切换指令，让其中一个进入所述测量光路组件的测量光路中。
8、根据权利要求7所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置，其特征在于：所述腔室切换装置包括：槽底有滑轨的凹槽(18)以及由单片机系统(8)控制的第一电磁开关(17a)和第二电磁开关(17b)，所述参考气室(4b)和检测气室(4a)并排安装在所述凹槽(18)的滑轨上，第一电磁开关(17a)和第二电磁开关(17b)分别设置在所述凹槽(18)的两侧槽壁，在检测气室(4a)和第二电磁开关(17b)之间设置一弹簧(16)；在常态下，所述检测气室(4a)位于测量光路中，当所述单片机系统(8)控制第一电磁开关(17a)关闭、第二电磁开关(17b)打开时，所述参考气室(4b)右移被切换到测量光路中。
9、根据权利要求8所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置，其特征在于：所述红外光脉冲发生器包括：红外光源(1)、驱动电机(2)和斩波片(3)，所述斩波片(3)上有通孔，驱动电机(2)在单片机系统(8)的控制下带动斩波片(3)以稳定的速率旋转，所述红外光源(1)发出的光经斩波片(3)的通孔后变成红外光脉冲。
10、根据权利要求9所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置，其特征在于：所述主控单元中的控制电路包括：与所述驱动电机(2)连接的电机控制(10)、与所述腔室切换装置连接的腔室切换控制(11)、与所述限流阀(15)连接的流速检测(12)和与所述抽气泵(14)连接的气泵控制(13)。
11、根据权利要求10所述的利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的装置，其特征在于：所述装置的控制面板设有与腔室切换控制(11)连接的人工控制按钮，用户可根据装置的使用情况在认为有必要时人工发出切换参考气室(4b)的指令，启动校准过程，更新装置内的校准系数。
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