CN115078288B - 一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法及红外甲烷传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外甲烷传感器的抗干扰检测的方法，包括如下步骤：S1、对双通道红外甲烷传感器开始上电；S2、获取测量通道的信号AD值和参考通道的信号AD值；S3、选择参考信号AD基线：计算参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≦Δ1≦X1，且参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；S4、比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值；本发明还提出红外甲烷传感器能够有效地避免干扰气对甲烷浓度检测的干扰。

Description

一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法及红外甲烷传感器

技术领域

本发明涉及甲烷浓度检测领域，尤其涉及一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法及红外甲烷传感器。

背景技术

红外甲烷传感器是一种用于甲烷浓度检测的传感器，与其他类别气体传感器如：电化学式、催化燃烧式和半导体式等相比，因其可靠性高、精度高、选择性好、抗中毒、寿命长、受环境影响小和对氧气不依赖等优点而应用越来越广泛；但根据《中华人民共和国国家标准——GB15322.1-2019》及《中华人民共和国国家标准——GB/T 34004-2017》，在抗气体干扰性能试验中发现：红外甲烷传感器无法避免乙酸和/或乙醇的干扰，其原因是甲烷的红外吸收波峰(3.3-3.4μm)处在干扰气乙酸、乙醇的红外吸收波峰的波长范围内。

为了解决上述问题，专利CN 111982850A公开了一种传感器阵列用于红外抗乙酸干扰的检测装置及方法，具体地利用催化燃烧式传感器对乙酸无响应性这一特点，通过红外甲烷传感器和催化燃烧式传感器联合检测的方式解决乙酸干扰对红外甲烷传感器的影响。然而由于催化燃烧式传感器工作温度高，电流功耗大而导致整个装置功耗大，且集成两种传感器导致结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明旨在提出一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法及红外甲烷传感器，能够有效地避免乙酸和乙醇中的至少一种干扰气对甲烷浓度检测的干扰。

本发明提供一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法，包括如下步骤：

S1、开始上电，对双通道红外甲烷传感器进行初始化；

S2、获取测量通道的测量信号AD值和参考通道的参考信号AD值；其中，所述测量通道的吸收峰波长为甲烷的吸收峰波长，所述参考通道的吸收峰波长为干扰气的吸收峰波长，所述干扰气的吸收峰波长范围覆盖甲烷气体的吸收峰波长，且所述参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外；

S3、选择参考信号AD基线：计算所述参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≦Δ1≦X1，且所述参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；其中，所述的X1为参考通道在空气中稳定波动的上限AD值；

S4、比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，判断无干扰气干扰甲烷检测，此时的甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值。

进一步地，所述的干扰气为乙酸和/或乙醇。

进一步地，在步骤S4中，当判断无干扰气干扰甲烷检测时，

根据公式(1)计算所述甲烷浓度测量值；

其中，为测量通道甲烷的测量AD值，f₁为甲烷浓度标定函数。

进一步地，在步骤S4中，当判断有干扰气干扰甲烷检测时，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正的具体方法如下：

S401、根据5％LEL低限预警设定值，向所述参考通道中通入不同已知浓度的干扰气，分别得到测量通道相对空气环境的变化量影响ΔT和参考通道相对空气环境的变化量影响ΔR，并采用最小二乘法拟合得到ΔT与ΔR的关系式：ΔT＝f₂(ΔR)；

S402、根据公式(2)计算得到所述甲烷浓度实际值；

其中，T_总信号量为测量通道的总信号AD值，R_{干扰气信号量}为参考通道的干扰气的信号AD值，T_{干扰气干扰量}为测量通道的干扰气干扰量的信号AD值，R_{干扰气信号量}为测量通道的干扰气的信号AD值，f₁为甲烷浓度标定函数，f₂为干扰气的干扰量标定函数。

进一步地，在步骤S2中，所述测量通道吸收峰波长为3.3～3.4μm；所述参考通道的吸收峰波长为3.6～4μm。

本发明还提出红外甲烷传感器，包括：

上电单元，用于对双通道红外甲烷传感器进行初始化；

获取单元，用于获取测量通道的测量信号AD值和参考通道的参考信号AD值；其中，所述测量通道的吸收峰波长为甲烷的吸收峰波长，所述参考通道的吸收峰波长为干扰气的吸收峰波长，所述干扰气的吸收峰波长范围覆盖所述甲烷气体的吸收峰波长，且所述参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外；

基线选择单元，用于计算所述参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≦Δ1≦X1，且所述参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；其中，X1为参考通道在空气中稳定波动的上限AD值；

比较单元，用于比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，判断无干扰气干扰甲烷检测，此时的甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值。

进一步地，所述比较单元还包括报警模块，用于当所述甲烷浓度实际值大于0时，控制所述红外甲烷传感器发出甲烷泄露报警。

本发明还提出红外甲烷传感器，包括传感器本体和过滤膜；所述传感器本体用于上述的一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法；所述过滤膜设置在所述传感器本体上，用于滤除进入所述传感器本体的气体中的乙酸和/或乙醇。

进一步地，所述过滤膜包括活性炭纤维棉。

进一步地，所述过滤膜还包括设置在所述活性炭纤维棉两侧的防水透气膜。

与现有技术相比，本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明基于干扰气吸收峰波长范围覆盖待检测气体甲烷吸收峰波长的特点，通过将测量通道和参考通道的吸收峰波长分别设置为甲烷的吸收峰波长和干扰气的吸收峰波长，且设置参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外，可以有效判断在检测甲烷时是否有乙酸或乙醇等干扰气干扰，同时在5％LEL低限预警设定值条件下，还可以通过干扰气在参考通道的变化量来标定其在测量通道的变化量来修正并获得当乙酸或乙醇干扰气介入时甲烷的真实浓度，从而极大的改善干扰气对甲烷浓度检测时造成的误报警，无需额外设置其他功能硬件。此外，本发明提供的红外甲烷传感器由于设置了过滤膜，能直接有效地滤除低浓度环境下的乙酸、乙醇干扰气。

附图说明

图1为本发明某一实施例中红外甲烷传感器的抗干扰检测方法的流程示意图；

图2为本发明某一实施例中只有甲烷气体时测量通道T和参考通道R的AD值变化曲线；

图3为本发明某一实施例中只有乙酸气体时测量通道T和参考通道R的AD值变化曲线；

图4为本发明某一实施例中既有乙酸气体又有甲烷气体时测量通道T和参考通道R的AD值变化曲线；

图5为本发明某一实施例中未对乙酸干扰进行修正时甲烷浓度随时间的变化曲线；

图6为本发明某一实施例中对乙酸干扰进行修正后甲烷浓度随时间的变化曲线；

图7为本发明某一实施例中甲烷对传感器参考通道和测量通道的影响曲线；

图8为本发明某一实施例中乙酸对传感器参考通道和测量通道的影响曲线；

图9为本发明某一实施例中红外甲烷传感器的爆炸结构示意图；

其中，1、上层防水透气膜；2、活性炭纤维棉；3、下层防水透气膜；4、气室；5、气室保护膜；6、红外探头；7、电路板。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法，包括如下步骤：

S1、开始上电，对双通道红外甲烷传感器进行初始化。

示例性地，在步骤S1中，对红外甲烷传感器初始化5min后，正常测量测量信号AD值和参考信号AD值。

S2、获取测量通道的测量信号AD值和参考通道的参考信号AD值；其中，所述测量通道的吸收峰波长为甲烷的吸收峰波长，所述参考通道的吸收峰波长为干扰气的吸收峰波长，所述干扰气的吸收峰波长范围覆盖甲烷气体的吸收峰波长，且所述参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外。

在步骤S2中，所述测量通道能够同时检测甲烷、乙醇和/或乙酸的信号AD值，而所述参考通道中只能检测乙醇和/或乙酸的信号AD值。

S3、选择参考信号AD基线：计算所述参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≦Δ1≦X1，且所述参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；其中，所述的X1为参考通道在空气中稳定波动的上限AD值；。

S4、比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，判断无干扰气干扰甲烷检测，此时的甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值。

具体地，在步骤S4中，当判断无干扰气干扰甲烷检测时，根据公式(1)计算所述甲烷浓度测量值；

其中，为测量通道甲烷的测量AD值，f₁为甲烷浓度标定函数。

示例性地，在本实施例中，所述干扰气为乙酸。

在一些优选地实施例中，当所述甲烷浓度实际值大于0时，所述红外甲烷浓度传感器发出甲烷泄露报警，可以是声和/或光报警。

具体地，在步骤S4中，当判断有干扰气干扰甲烷检测时，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正的具体方法如下：

S402、根据5％LEL低限预警设定值，向所述参考通道中通入不同已知浓度的干扰气，分别得到测量通道相对空气环境的变化量影响ΔT和参考通道相对空气环境的变化量影响ΔR，并采用最小二乘法拟合得到ΔT与ΔR的关系式：ΔT＝f₂(ΔR)；

S403、根据公式(2)计算得到所述甲烷浓度实际值；

其中，T_总信号量为测量通道的总信号AD值，R_{干扰气信号量}为参考通道的干扰气的信号AD值，T_{干扰气干扰量}为测量通道的干扰气干扰量的信号AD值，R_{干扰气信号量}为测量通道的干扰气的信号AD值，f₂为干扰气的干扰量标定函数。

示例性地，参考图2至图4，在本实施例中，分别在空气环境以及A、2A、3A和4A浓度环境下测试乙酸对测量通道相对空气环境的变化量影响ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃和ΔT₄，以及参考通道相对空气环境的变化量影响ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃和ΔR₄；通过最小二乘法拟合得到ΔT与ΔR的关系式：ΔT＝f₂(ΔR)，就可以根据参考通道变化量计算乙酸干扰气对测量通道的影响量，然后在计算甲烷浓度过程中，将乙酸干扰气干扰量去除，得到所述甲烷浓度实际值；f₁为甲烷浓度标定函数，通过标准浓度曲线拟合得到。

图5为未对乙酸干扰进行修正时甲烷浓度随时间的变化曲线，由图5可知，不同浓度的乙酸(2000PPM、4000PPM和6000PPM)对甲烷浓度的检测会产生不同程度的干扰；图6为对乙酸干扰进行修正后甲烷浓度随时间的变化曲线，其中乙酸的浓度为6000PPM；对比图5和图6可知，本实施例通过对甲烷浓度检测进行修正后，能够较好的消除乙酸对甲烷浓度检测的干扰。

图7为甲烷对传感器参考通道和测量通道的影响曲线；通过对比甲烷浓度对测量通道和参考通道信号AD值可知：甲烷对测量通道信号AD值的影响较大，即测量通道信号对甲烷浓度的响应较大，可以实现对甲烷信号的检测；甲烷对参考通道信号AD值的影响较小，即参考通道信号对甲烷浓度的响应较小，不能对甲烷信号进行检测；图8为乙酸对传感器参考通道和测量通道的影响曲线；由图8可知，乙酸对测量通道和测量通道信号AD值的影响较大，即测量通道和参考通道对甲烷浓度的响应较大，可以实现对乙酸干扰的信号检测。

具体地，在步骤S2中，所述测量通道吸收峰波长为3.3～3.4μm；所述参考通道的吸收峰波长为3.6～4μm。

示例性地，在本实施例中，所述测量通道的吸收峰波长为3.4μm；所述参考通道的吸收峰波长为3.9μm。

本发明还提出红外甲烷传感器，包括：

上电单元，用于对双通道红外甲烷传感器进行初始化；

获取单元，用于获取测量通道的测量信号AD值和参考通道的参考信号AD值；其中，所述测量通道的吸收峰波长为甲烷的吸收峰波长，所述参考通道的吸收峰波长为干扰气的吸收峰波长，所述干扰气的吸收峰波长范围覆盖所述甲烷气体的吸收峰波长，且所述参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外；

基线选择单元，用于计算所述参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≦Δ1≦X1，且所述参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；其中，所述的X1为参考通道在空气中稳定波动的上限AD值；

比较单元，用于比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，判断无干扰气干扰甲烷检测，此时的甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值。

在一些优选地实施例中，所述比较单元还包括报警模块，用于当所述甲烷浓度实际值大于0时，控制所述红外甲烷传感器发出甲烷泄露报警。

图9为本发明另一实施例中的红外甲烷传感器，包括传感器本体和过滤膜；其中，所述传感器本体用于实现上述的一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法；所述过滤膜设置在所述传感器本体上，用于滤除进入所述传感器本体的气体中的乙酸和/或乙醇。

具体地，在本实施例中，所述传感器本体包括电路板7，以及设置在所述电路板7上表面的红外探头6和气室4；所述气室4为中空结构，所述气室4的底部设有开口，通过气室保护膜5与所述电路板7隔离，所述气室4的顶部开设有进气口；所述过滤膜设置在所述气室4的顶部，完全遮盖所述进气口，用于滤除进入所述进气孔的气体中的乙酸和/或乙醇。

示例性地，在本实施例中，所述过滤膜包括活性炭纤维棉2；所述活性炭纤维棉2的上下两侧分别设置有防水透气膜，具体为上层防水透气膜1和下层防水透气膜3；所述过滤膜位于所述气室4的顶部且完全遮盖气室4进气口，与所述气室4通过胶连接。

本实施例中的红外甲烷传感器工作时，气体通过所述过滤膜和所述防水透气膜进入气室内；如果气体混杂有乙酸和/或乙醇气体，乙酸和/或乙醇气体被所述活性炭纤维棉吸附过滤，使乙酸和/或乙醇气体无法穿过活性炭纤维棉到达所述红外甲烷传感器的感应区，从而无法干扰到红外甲烷传感器的正常工作；另外，由于活性炭纤维棉不对甲烷进行吸附，所以甲烷会达到红外甲烷传感器的感应区，并不会影响红外甲烷传感器的检测精准度和灵敏性。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、开始上电，对双通道红外甲烷传感器进行初始化；

S2、获取测量通道的测量信号AD值和参考通道的参考信号AD值；其中，所述测量通道的吸收峰波长为甲烷的吸收峰波长，所述参考通道的吸收峰波长为干扰气的吸收峰波长，所述干扰气的吸收峰波长范围覆盖甲烷气体的吸收峰波长，且所述参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外；

S3、选择参考信号AD基线：计算所述参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≤Δ1≤X1，且所述参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；其中，所述的X1为参考通道在空气中稳定波动的上限AD值；

S4、比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，判断无干扰气干扰甲烷检测，此时的甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值；

当判断无干扰气干扰甲烷检测时，根据公式(1)计算所述甲烷浓度测量值：

其中， 为测量通道甲烷的测量AD值，f₁为甲烷浓度标定函数；

当判断有干扰气干扰甲烷检测时，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正的具体方法如下：

S401、根据5％LEL低限预警设定值，向所述参考通道中通入不同已知浓度的干扰气，分别得到测量通道相对空气环境的变化量影响ΔT和参考通道相对空气环境的变化量影响ΔR，并采用最小二乘法拟合得到ΔT与ΔR的关系式：ΔT＝f₂(ΔR)；

S402、根据公式(2)计算得到所述甲烷浓度实际值：

其中，T_总信号量为测量通道的总信号AD值，R_{干扰气信号量}为参考通道的干扰气的信号AD值，T_{干扰气干扰量}为测量通道的干扰气干扰量的信号AD值，R_{干扰气信号量}为测量通道的干扰气的信号AD值，f₁为甲烷浓度标定函数，f₂为干扰气的干扰量标定函数。

2.根据权利要求1所述的一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法，其特征在于，所述的干扰气为乙酸和/或乙醇。

3.根据权利要求1所述的一种红外甲烷传感器的抗干扰检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述测量通道吸收峰波长为3.3～3.4μm；所述参考通道的吸收峰波长为3.6～4μm。

4.一种用于实现如权利要求1-3任意一项所述红外甲烷传感器的抗干扰检测方法的红外甲烷传感器，其特征在于，包括：

上电单元，用于对双通道红外甲烷传感器进行初始化；

获取单元，用于获取测量通道的测量信号AD值和参考通道的参考信号AD值；其中，所述测量通道的吸收峰波长为甲烷的吸收峰波长，所述参考通道的吸收峰波长为干扰气的吸收峰波长，所述干扰气的吸收峰波长范围覆盖所述甲烷气体的吸收峰波长，且所述参考通道的吸收峰波长位于甲烷的吸收峰波长之外；

基线选择单元，用于计算所述参考信号AD值在T时间内的波动值Δ1；当0≦Δ1≦X1，且所述参考信号AD值的突变值为Δ2时，将产生突变前T时间内的基线作为参考信号AD基线；其中，所述的X1为参考通道在空气中稳定波动的上限AD值；

比较单元，用于比较参考通道的变化量X2与Δ2的大小；当X2＞Δ2时，判断有干扰气介入干扰甲烷浓度的检测，并得到甲烷浓度测量值，通过参考AD算法对所述甲烷浓度测量值进行修正，得到甲烷浓度实际值；当X2≤Δ2时，判断无干扰气干扰甲烷检测，此时的甲烷浓度测量值即为甲烷浓度实际值。

5.根据权利要求4所述的红外甲烷传感器，其特征在于，所述比较单元还包括报警模块，用于当所述甲烷浓度实际值大于0时，控制所述红外甲烷传感器发出甲烷泄露报警。

6.一种用于实现如权利要求1-3任意一项所述红外甲烷传感器的抗干扰检测方法的红外甲烷传感器，其特征在于，包括传感器本体和过滤膜，所述过滤膜设置在所述传感器本体上，用于滤除进入所述传感器本体的气体中的乙酸和/或乙醇。

7.根据权利要求6所述的红外甲烷传感器，其特征在于，所述过滤膜包括活性炭纤维棉。

8.根据权利要求7所述的红外甲烷传感器，其特征在于，所述过滤膜还包括设置在所述活性炭纤维棉两侧的防水透气膜。