一种带有温控系统的红外气体传感器技术方案

本实用新型专利技术涉及一种带有温控系统的红外气体传感器，包括温控系统、反射式采样气室、电调制红外光源、四个集成探测器、信号处理模块、微处理系统模块、浓度显示单元、LoRa无线通讯模块；所述信号处理模块包括信号放大模块、信号滤波去噪模块和A/D转换模块；所述微处理系统后端连有浓度显示单元和LoRa无线通讯模块；所述温控系统包含温控室，并在其中设置采样气室。本实用新型专利技术能实现对四种温室气体(甲烷、二氧化碳、氧化亚氮、六氟化硫)同时检测的红外气体传感装置，并包含可适应冬季及夜间工作的温控系统、新型的反射式气室。

An Infrared Gas Sensor with Temperature Control System

The utility model relates to an infrared gas sensor with a temperature control system, including a temperature control system, a reflective sampling chamber, an electrically modulated infrared light source, four integrated detectors, a signal processing module, a microprocessing system module, a concentration display unit and a LoRa wireless communication module; the signal processing module includes a signal amplification module, a signal filtering and denoising module and a/D conversion module. The rear end of the microprocessing system is connected with a concentration display unit and a LoRa wireless communication module, and the temperature control system comprises a temperature control room in which a sampling chamber is arranged. The utility model can realize infrared gas sensing device for simultaneous detection of four greenhouse gases (methane, carbon dioxide, nitrous oxide, sulfur hexafluoride), and includes a temperature control system suitable for winter and night work and a new type of reflective gas chamber.

【技术实现步骤摘要】
一种带有温控系统的红外气体传感器
本技术涉及红外气体传感领域，具体涉及一种带有温控系统的红外气体传感器。
技术介绍
温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射的一些气体。它们的作用是使地球表面变得更暖，类似于温室截留太阳辐射，并加热温室内空气的作用。由于这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，也就是常说的“温室效应”导致全球气候变暖。全球变暖的后果，会使全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。因此，对温室气体的监测分析具有重要意义。京都协议书中规定控制的6种温室气体为：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)。温室气体监测的重要意义就是测量大气中这些组分的浓度变化，评估它们的辐射效应。和我们熟知的空气质量监测相比，温室气体的监测也需要一套相应的规范标准。对温室气体的监测主要包括排放源和背景浓度的监测。监测温室气体很多时候不需要重新设立观测点，在现有空气质量监测的监测点上完全可以套用对温室气体浓度的监测。目前采用的主要是气象色谱法，此外还有光腔衰荡法，通过气体对红外线吸收的不同，收集分析温室气体的浓度数据。上世纪八十年代初，国内开始使用红外气体分析方法，随着电子技术的发展，红外气体传感器开始采用电调制光源、新型探测器及低功耗单片机系统，使得传感装置具有选择性好、稳定性高、灵敏度高、检测快速等优点。近年来，非分光红外(NDIR)气体检测技术得到了迅速发展，但仍存在许多不足。首先，现有方案中，红外气体传感器采样气室普遍采用直射式设计，为了满足气体测量的光程要求，往往需要增长气室长度，同时在多组分测量过程中，直射式气室中并排的多个探测器会增大气室直径，导致整个传感装置体积增大，不利于仪器小型化。其次，目前存在的红外传感器大多数只能测试一种气体，而温室气体的监测需要同时对多种气体进行检测，因此，现有的传感装置无法满足需求。第三，可以通过对标准气体状态方程PV＝nRT分析得知，温度因素对气体浓度检测过程有很大影响，而温室气体的监测通常在室外进行，冬天以及夜间温度的变化，成了红外气体传感装置需要解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的缺陷，本技术提供了一种能实现对四种温室气体(甲烷、二氧化碳、氧化亚氮、六氟化硫)同时检测的红外气体传感装置，并包含可适应冬季及夜间工作的温控系统、新型的反射式气室。为实现上述目的,本技术提供的技术方案是：一种带有温控系统的红外气体传感器，包括温控系统、反射式采样气室、电调制红外光源、四个集成探测器、信号处理模块、微处理系统模块、浓度显示单元、LoRa无线通讯模块；所述信号处理模块包括信号放大模块、信号滤波去噪模块和A/D转换模块；所述微处理系统后端连有浓度显示单元和LoRa无线通讯模块；所述温控系统包含温控室，并在其中设置采样气室，所述温控室上端设置有两个开口，用于采样气室气体的进入与排出；所述采样气室上端左侧设置有进气口，上端右侧设置有出气口，所述采样气室由左、右两个腔室组成，两个腔室皆成半椭球状，且完全对称，中间的拼接处设置有电调制光源，在左侧腔室焦点处设置有两个集成探测器，与左侧腔室对称的，右侧腔室焦点处也设置有两个集成探测器。进一步的，所述LoRa无线通讯模块完成红外气体传感装置与PC机的信息交互。进一步的，所述温控室内壁与外壁间留有一定缝隙，中间添加隔热材料。进一步的，所述温控室内部装有四个加热电阻丝、一个温度传感器，所述微处理系统接收温度传感器的信号，同时发出指令，配合加热电阻丝工作。进一步的，温度传感器与加热电阻丝相互配合用于减少温度变化对气体检测的影响。进一步的，电调制光源发出的红外光在经过采样气室上表面与左右侧内壁经反射后被探测器接收。进一步的，四个集成探测器分别用于甲烷、二氧化碳、氧化亚氮、六氟化硫气体的检测，每个集成探测器均有独立测量通道与参考通道，可保证一个集成探测器的故障不会影响其他集成探测器的正常工作。进一步的，所述采样气室内壁进行黄铜镀金处理，使内壁的足够光滑，减少红外光反射中的损失。进一步的，所述采样气室采用SolidWorks建模，并采用较为先进的3D打印技术打印制作而成，打印材料选用高性能的类ABS树脂材料。所述采样气室在SolidWorks建模后，导入LightTools光学仿真软件进行光路仿真，寻找、确定气室最优参数。有益效果：1.本技术在每种气体检测对应的探测器上引入参考通道，能够在一定程度上消除环境变化及光源抖动等外界因素引起的测量干扰，提高气体测量精度；同时，每个集成探测器皆有独立的测量通道与参考通道，此设计可保证一个集成探测器的故障不会影响其他集成探测器的正常工作。2.本技术设计了一种温控系统，将采样气室置于温控室中，同时该温控系统包含有温度传感器与加热电阻丝，配合使用，可减少冬天以及夜间温度的变化对气体检测的影响。3.本技术设计了新型的采样气室，可以实现光路的2次反射，可在一定的气室空间内，有效延长光程，并控制气室体积，有利于整个传感装置的小型化；同时，气室左右两腔室设计完全对称，因此光路完全对称，可保证在四组分气体的测量中，不同气体所对应的光路完全对称。4.本技术可采用SolidWorks建模，并采用较为先进的3D打印技术打印制作而成，打印材料选用高性能的类ABS树脂材料；该材料具有价格便宜、加工尺寸精度高、表面光滑、装配性好、抗变形等优点，有利于提高光学系统的精密性和传感器整体的检测精度；同时该材料还具有耐酸耐腐蚀的特性，能够有效地防止待测气体中的腐蚀性气体成分对气室的破坏；将SolidWorks建立的模型导入LightTools光学仿真软件，进行光路仿真，确定气室最优参数，提高了传感器测量浓度的准确性。5.本技术设置有浓度显示单元，可以方便现场实时读取气体浓度信息。另外的，还设置有LoRa无线通讯模块，其特点是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，可以让工作人员不用到达现场便可实时读取气体浓度信息。附图说明图1为本技术的温控系统结构图。图2为本技术的采样气室结构图。图3为本技术集成探测器设计示意图。图4为本技术信号处理系统示意图。图中，1-温控室开口A，2-温控室，3-隔热材料，4-温控室开口B，5-温度传感器，6-加热电阻丝，7-采样气室进气口，8-气体分子，9-采样气室，10-采样气室出气口，11-光路通道，12-甲烷集成探测器，13-二氧化碳集成探测器，14-电调制红外光源，15-氧化亚氮集成探测器，16-六氟化硫集成探测器，17-中心波长3.3μm的滤光片，18-中心波长9μm的滤光片，19-中心波长4.26μm的滤光片，20-中心波长4.69μm的滤光片，21-中心波长10.55μm的滤光片。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术作进一步说明。如图1所示，为本技术的温控系统，其中温控室的上端设置有两个开口：温控室开口A1、温控室开口B4，当采样气室9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有温控系统的红外气体传感器，其特征在于：包括温控系统、反射式采样气室、电调制红外光源、四个集成探测器、信号处理模块、微处理系统模块、浓度显示单元、LoRa无线通讯模块；所述信号处理模块包括信号放大模块、信号滤波去噪模块和A/D转换模块；所述微处理系统后端连有浓度显示单元和LoRa无线通讯模块；所述温控系统包含温控室，并在其中设置采样气室，所述温控室上端设置有两个开口，用于采样气室气体的进入与排出；所述采样气室上端左侧设置有进气口，上端右侧设置有出气口，所述采样气室由左、右两个腔室组成，两个腔室皆成半椭球状，且完全对称，中间的拼接处设置有电调制光源，在左侧腔室焦点处设置有两个集成探测器，与左侧腔室对称的，右侧腔室焦点处也设置有两个集成探测器。

【技术特征摘要】
1.一种带有温控系统的红外气体传感器，其特征在于：包括温控系统、反射式采样气室、电调制红外光源、四个集成探测器、信号处理模块、微处理系统模块、浓度显示单元、LoRa无线通讯模块；所述信号处理模块包括信号放大模块、信号滤波去噪模块和A/D转换模块；所述微处理系统后端连有浓度显示单元和LoRa无线通讯模块；所述温控系统包含温控室，并在其中设置采样气室，所述温控室上端设置有两个开口，用于采样气室气体的进入与排出；所述采样气室上端左侧设置有进气口，上端右侧设置有出气口，所述采样气室由左、右两个腔室组成，两个腔室皆成半椭球状，且完全对称，中间的拼接处设置有电调制光源，在左侧腔室焦点处设置有两个集成探测器，与左侧腔室对称的，右侧腔室焦点处也设置有两个集成探测器。2.根据权利要求1所述的带有温控系统的红外气体传感器，其特征在于：所述LoRa无线通讯模块完成红外气体传感装置与PC机...

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，赵勇毅，沈婉，赵正杰，路万万，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32