一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于二氧化碳检测技术领域，公开了一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置及其控制方法，包括光源驱动电路、红外光源、进气口、出气口、光学气室、待测光滤波片、参考光滤波片、红外探测器、锁相放大器、A/D模数转换器、颗粒物测量模块以及信号处理模块。本发明专利技术将颗粒物测量模块作为外加的部分，将检测到的颗粒物质量浓度信号传递给信号处理模块，补偿颗粒物浓度对红外光吸收和散射效应的影响得出二氧化碳气体浓度，降低颗粒物对二氧化碳气体浓度检测结果的影响，提高了二氧化碳浓度测量准确性；采用单光束双波长测量，降低外界因素带来的浓度测量误差，有利于提高对二氧化碳浓度的检测精度和准确性，提高系统的可靠性。提高系统的可靠性。提高系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置及其控制方法


[0001]本专利技术属于二氧化碳检测
，尤其涉及一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置及其控制方法。

技术介绍

[0002]目前，温室气体大量人为排放导致全球变暖情况逐渐加剧，不仅引发了冰川融化、海平面持续上升等一系列环境问题，还逐渐威胁到人体健康，二氧化碳作为最主要的温室气体受到了世界各方的广泛关注。燃煤电厂二氧化碳减排依赖于准确的二氧化碳检测技术，非色散红外(NDIR)检测技术因其具有精度高、响应速度快、结构紧凑、抗其他气体干扰能力强，可应用于连续测量、使用寿命长等优点被广泛使用。
[0003]NDIR技术基于朗伯－比尔定律(Lambert
‑
Beer)来测量气体浓度。朗伯－比尔定律公式表示为：I＝I0·
e
‑
KCL
，其中I0表示入射光未被吸收时的强度；I表示红外辐射被特定吸收后的出射光强度；k表示待测气体对特定波长红外辐射的吸收系数；c表示待测气体浓度；L表示红外光从光源射出到探测器的光程距离。吸收系数K主要由气体本身的摩尔吸收系数决定，气体温度和压力的变化影响气体吸光度的变化，也会影响吸收系数的大小。当一束红外光穿过待测气体时，特定波长的红外光被气体选择性的吸收，通过测量特定波长红外光的衰减量即可确定气体浓度。
[0004]在实际测量中温度、相对湿度、颗粒物均会影响到测量结果。由于燃煤电厂绝大部分都进行了除尘和脱硫脱硝改造，排放的烟气具有高温、高湿度、不稳定等特征。当温度发生变化时，二氧化碳气体本身的光谱特性会产生变化，从而对红外光的吸收效率会有所变化，另外，水蒸气会对红外光产生一定的吸收，温度的变化和高相对湿度都会对测量准确性造成影响。在燃煤电厂环境中，煤炭等化石燃料的燃烧过程伴随着大量气体和烟尘颗粒物的产生。在利用NDIR技术测量二氧化碳气体浓度时，烟尘颗粒物对穿过其中的红外光会产生吸收和散射作用，导致红外光强度的衰减，这会对检测精度产生较大的影响。
[0005]总而言之，非色散红外(NDIR)测量技术的准确性和灵敏度受到温度、相对湿度和颗粒物的强烈影响。现有技术，专利“一种非分光红外气体传感器的温度补偿方法及补偿装置”(申请公布号CN108444935A)，专利“一种NDIR气体传感器系统及温湿度补偿方法”(申请公布号CN 110006837 A)包含了对NDIR传感器进行温度湿度补偿，减少了温度、相对湿度对测量结果的影响，但是目前颗粒物影响NDIR技术检测二氧化碳浓度精度的问题没有被解决。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的NDIR技术检测二氧化碳浓度的方式易受到颗粒物影响，精度较低。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置及其控制方法。
[0008]本专利技术是这样实现的，一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置及其控制方法包括：
[0009]光源驱动电路、红外光源、进气口、出气口、光学气室、待测光滤波片、参考光滤波片、红外探测器、锁相放大器、A/D模数转换器、颗粒物测量模块以及信号处理模块；
[0010]所述光源驱动电路用于驱动红外光源发出红外光；所述红外探测器用于接收特定波长的红外光线，与红外光源同轴安装，并将输出信号传递给锁相放大器；
[0011]所述锁相放大器用于将探测器输出的微弱信号去噪声放大，转换为与探测器原始输出信号幅值呈线性关系的低噪声直流电压；
[0012]所述A/D模数转换器用于采集锁相放大器电路的输出电压，与信号处理模块相连；
[0013]所述颗粒物测量模块，在传感装置测量二氧化碳浓度的同时测量颗粒物质量浓度并将信号传输给信号处理模块；
[0014]所述信号处理模块用于进行数据处理。
[0015]进一步，所述红外光源采用MEMS红外光源，采用TO封装，内部为一个MEMS微热板，外部为铝合金材质的聚光杯，保证了红外光出射时的准直性。
[0016]进一步，所述待测光滤波片中心波长为4.26μm，对应于二氧化碳的吸收峰；参考光滤波片中心波长为3.91μm，燃煤电厂尾气中的各种气体对于该波长的红外辐射无吸收。
[0017]进一步，所述光学气室是直通型气室。
[0018]进一步，所述装置还包括输出模块，信号处理模块与输出模块连接，输出模块输出二氧化碳气体浓度信息。
[0019]本专利技术的另一目的在于提供一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置的控制方法，所述基于NDIR原理的二氧化碳传感装置的控制方法包括：
[0020]步骤一，给基于NDIR原理的二氧化碳传感装置通电，待测气体通过进气口进入气室；光源驱动电路驱动红外光源发出红外光；
[0021]步骤二，红外光通过光学气室，二氧化碳气体吸收特定波长红外光，红外探测器接收特定波长的红外光线，得到测量波长红外光被气体吸收后的强度I
out(mea)
，参考波长红外光经过气体区域后的输出光强I
out(ref)
，红外探测器将光信号转化为电压信号。
[0022]步骤三，颗粒物测量模块测量颗粒物质量浓度并将信号传输给信号处理模块；
[0023]步骤四，信号处理模块得到颗粒物质量浓度信号，由颗粒物质量浓度计算出由于吸收和散射效应对测量波长消光值
△
I
(mea)
以及参考波长消光值
△
I
(ref)
；
[0024]步骤五，测量波长消光值
△
I
(mea)
与红外探测器测量得到的测量波长光强I
out(mea)
相加得到测量波长光强I
′
out(mea)
，参考波长消光值
△
I
(ref)
与红外探测器测量得到的参考波长光强I
out(ref)
相加得到参考波长光强I
′
out(ref)
；
[0025]步骤六，信号处理模块根据修正后的测量波长光强I
′
out(mea)
与参考波长光强I
′
out(ref)
对应的电压信号计算出二氧化碳浓度，补偿颗粒物对红外光吸收和散射效应的影响。
[0026]结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0027]本专利技术与传统基于NDIR原理二氧化碳传感装置相比，将颗粒物测量模块作为外加的部分，与信号处理模块相连，用于检测待测气体中颗粒物质量浓度，将检测到的颗粒物质
量浓度信号传递给信号处理模块，信号处理模块得到颗粒物质量浓度信号，反演出由于吸收和散射效应对测量波长消光值
△
I(mea)以及参考波长消光值
△
I(ref)，与特定波长光强信号相加，补偿颗粒物浓度对红外光吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于NDIR原理的二氧化碳传感装置，其特征在于，所述基于NDIR原理的二氧化碳传感装置包括：光源驱动电路用于驱动红外光源发出红外光；红外探测器用于接收特定波长的红外光线，并将输出信号传递给锁相放大器；锁相放大器用于将探测器输出的微弱信号去噪声放大，转换为与探测器原始输出信号幅值成线性关系的低噪声直流电压；A/D模数转换器与信号处理模块相连，用于采集锁相放大器电路的输出电压；颗粒物测量模块用于测量颗粒物质量浓度并将信号传输给信号处理模块；信号处理模块用于进行数据处理。2.如权利要求1所述的基于NDIR原理的二氧化碳传感装置，其特征在于，所述红外探测器与红外光源同轴安装。3.如权利要求1所述的基于NDIR原理的二氧化碳传感装置，其特征在于，所述红外光源采用MEMS红外光源，采用TO封装，内部为一个MEMS微热板，外部为铝合金材质的聚光杯，保证了红外光出射时的准直性。4.如权利要求1所述的基于NDIR原理的二氧化碳传感装置，其特征在于，所述待测光滤波片中心波长为4.26μm，参考光滤波片中心波长为3.91μm。5.如权利要求1所述的基于NDIR原理的二氧化碳传感装置，其特征在于，所述光学气室是直通型气室。6.如权利要求1所述的基于NDIR原理的二氧化碳传感装置，其特征在于，所述基于NDIR原理的二氧化碳传感装置还包括输出模块，信号处理模块与输出模块连接，输出模块用于输出二氧化碳气体浓度信息。7.一种用于权利要求1～6任意一项所述的基于NDIR原理的二氧化碳传感装置的控制方法，其特征在于，包括：步骤一，给基于NDIR原理的二氧化碳传感装置通电，待测气体通过进气口进入气室；光源驱动电路驱动红外光源发出红外光；步骤二，红外光通过光学气室，二氧化碳气体吸收特定波长红外光，红外探测器接收特定波长的红外光线，得到测量波长红外光被气体吸收后的强度I
out(mea)
，参考波长红外光经过气体区域后的输出光强I
out(ref)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐锐，叶荣，林乐平，刘小伟，胡博，夏永俊，吕浩军，崔希，蒙泽森，吴文婕，
申请(专利权)人：华中科技大学江西赣能股份有限公司国家电投集团江西电力有限公司新昌发电分公司，
类型：发明
国别省市：