专利名称：：一种气体浓度测量方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种气体浓度测量方法，本发明还涉及一种气体浓度测量装置。
背景技术：
：目前，医疗设备领域的气体浓度测量装置的测量原理多基于非色散红外光谱分析技术(Non-DispersiveInfraredTechnology,简称NDIR)，即根据被测气体对某一波段红外光的吸收特性，选择特定波段红外光通过被测气体样本，红外光的衰减量与被测气体浓度之间的关系近似符合比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律。气体的红外吸收谱由大量非常尖锐、狭窄频段的吸收带组成，这些吸收带是振动-转动能级之间迁移的结果。当环境压强增加或减少，气体吸收谱的带宽也会增加或减少(即压强展宽效应)，这会导致不同海拔下的气体浓度测量装置的测量结果产生偏差。以C02气体为例，可以说明压强展宽效应会对不同浓度的被测气体带来非线性效应。如图1所示的归一化图以在750mmHg压强下的测量值作为归一化值，图中横坐标为C02气体的压强，单位为mmHg;纵坐标为如果不进行补偿时的测量值与在750mmHg时的测量值的比值。在图1中有浓度为2%、6%和10%的气体的归一化曲线，从中可以看到在相同的压强下，不同浓度的C02气体受压强影响的程度不同，且为非线性。压强对其它气体如N20、麻醉气体有类似的影响。为提高测量的准确性，现有的气体浓度测量方法通过补偿算法消除环境压强对测量的影响。所述补偿算法为采用线性补偿或函数补偿的方式，在不同海拔下对被测气体的浓度补偿一个只与环境压强相关的系数，该补偿系数由先验公式确定。该方法的不足之处在于仅根据环境压强对测量结果进行补偿，并未考虑压强展宽效应对不同浓度气体所引入的非线性效应；这会导致在不同浓度下的补偿效果有所差异，降低了测量结果的准确性。另外，采用先验公式确定补偿系数，不能适用于所有情况(因为在高海拔和低海拔的情况下会存在差异)，测量结果会因环境压强的影响而带来误差，降低了气体浓度测量装置的适用范围。
发明内容本发明所要解决的第一个技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种气体浓度测量方法，使测量的结果更准确。本发明所要解决的第二个技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种气体浓度测量装置，使测量的结果更准确。本发明的第一个技术问题通过以下的技术方案予以解决一种气体浓度测量方法，包括如下步骤A.获取被测气体的初始浓度C;B.获取被测气体本身的压强尸；C.根据所述初始浓度及压强，获取当前补偿系数/(C,);D.根据所述当前补偿系数和初始浓度，获取被测气体的实际浓度，C实际C，/(C，P)。优选地，所述步骤A具体包括如下步骤Al、使红外光分别经参考通道和测量通道进入气室，所述红外光经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号；A2、将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号和测量通道电信号；A3、根据所述参考通道电信号和测量通道电信号计算得到比例系数值，并根据所述比例系数值获取被测气体的初始浓度。所述步骤B通过如下方法实现由压力传感器采集气体浓度测量装置气室内的实时压强或者由压力传感器采集当前环境的实时压强。所述步骤C中的当前补偿系数通过查询补偿系数表获取，所述补偿系数表以所述压强和初始浓度值为二维坐标，每一组压强和初始浓度值在所述补偿系数表中都有唯一对应的补偿系数。所述补偿系数表通过如下方法获取El、选定一已知浓度的气体，在标准压强下，测量该浓度气体的比例系数值，将该比例系数值设置为标准比例系数值；E2、以一定的压强间隔分别测量所述已知浓度气体在不同压强下的比例系数值；E3、将标准比例系数值分别除以不同压强下的比例系数值得到所述浓度气体在不同压强时的补偿系数值；E4、重复以上步骤，得到气体在其他浓度下、不同压强时的补偿系数值。本发明的第二个技术问题通过以下的技术方案予以解决一种气体浓度测量装置，包括初始浓度获取单元，用于获取被测气体的初始浓度C";压力传感器，用于获取被测气体本身的压强尸；补偿系数获取单元，用于根据所述初始浓度及压强，获取当前补偿系数/(C,P);实际浓度获取单元，用于根据所述当前补偿系数和初始浓度，获取被测气体的实际浓度c实际-cv(c，尸)。优选地，所述初始浓度获取单元包括光信号获取模块，用于使红外光分别经参考通道和测量通道进入气室，所述红外光经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号；光电转换模块，用于将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号和测量通道电信号；初始浓度计算模块，用于根据所述参考通道电信号和测量通道电信号计算得到比例系数值，并根据所述比例系数值获取被测气体的初始浓度。本发明的第二个技术问题还可通过以下的技术方案予以解决一种气体浓度测量装置，包括用于采集被测气体在特定红外光照射下的吸收信号的探头组件；还包括压力传感器和处理单元，所述压力传感器与处理单元相连，所述压力传感器用于采集被测气体本身的压强并输出至处理单元；所述探头组件也与处理单元相连，所述处理单元用于根据探头组件输出的信号获取被测气体的初始浓度，并根据所述初始浓度及所述压强对所述初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度。优选地，所述探头组件包括滤光片轮、用于驱动滤光片轮旋转的电动机、和在光路上依次设置的红外光源、至少两个红外滤光片、气室和红外传感器；所述至少两个红外滤光片位于滤光片轮上；所述处理单元包括第一信号放大处理模块、第二信号放大处理模块、模拟/数字转换模块和计算模块；所述第一信号放大处理模块连接在所述红外传感器与模拟/数字转换模块之间，所述第二信号放大处理模块连接在所述压力传感器与模拟/数字转换模块之间，所述计算模块与所述模拟/数字转换模块相连，所述计算模块用于根据模拟/数字转换模块输出的信号计算出被测气体的实际浓度。所述计算模块包括存储器，所述存储器用于存储补偿系数表，所述补偿系数表以所述压强和初始浓度值为二维坐标，每一组压强和初始浓度值在所述补偿系数表中都有唯一对应的补偿系数。本发明与现有技术对比的有益效果是本发明的气体浓度测量方法依靠初始浓度及当前实时压强获取当前补偿系数，并根据当前补偿系数对被测气体的初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度。通过结合当前被测气体初始浓度及实时压强两个因素对浓度进行实时修正，消除了环境压强对测量结果的影响，使测量结果更准确。本发明的方法可以在各种环境下使用，适用范围广。本发明的方法中，补偿系数通过査询补偿系数表获取，无需通过繁琐的公式获取，使本发明的方法使用起来更方便。本发明的气体浓度测量装置，包括压力传感器和处理单元，处理单元根据初始浓度及实时压强两个因素对浓度进行实时修正，以得到被测气体的实际浓度。本发明的气体浓度测量装置消除了环境压强对测量结果的影响，使测量结果更准确。本发明的装置可以在各种环境下使用，适用范围广。图1是压强对不同浓度C02气体测量影响的归一化示意图；图2是本发明具体实施方式的气体浓度测量装置的结构示意图；图3是本发明具体实施方式的气体浓度测量方法的流程图。具体实施例方式下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。如图2所示，为本发明一种气体浓度测量装置的一较佳实施例的结构示意图，包括用于采集被测气体在特定红外光照射下的吸收信号的探头组件30、压力传感器8和处理单元20。所述压力传感器与处理单元20相连，所述压力传感器8用于采集被测气体本身的压强并输出至处理单元20;所述探头组件30也与处理单元20相连，所述处理单元20用于根据探头组件30输出的信号获取被测气体的初始浓度，并根据所述初始浓度及所述压强对所述初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度。经补偿后得到被测气体的实际浓度不受环境压强影响。所述探头组件30包括滤光片轮3、用于驱动滤光片轮3旋转的电动机2、和在光路上依次设置的红外光源l、至少两个红外滤光片4、气室5和红外传感器6;所述至少两个红外滤光片4位于滤光片轮3上，滤光片轮3上放置红外滤光片4的位置设有开口，以供红外光通过。被测量的气体可以通过进气口16进入气室5内。各个红外滤光片4分别可透射不同的特定波段的红外光，其中一个红外滤光片4被用作参考通道，其余的红外滤光片4被用作测量通道。所述压力传感器8连接在所述气室5和处理单元20之间，压力传感器8用于采集气室5内的被测气体的实时压强并输出至处理单元20。上述气体浓度测量装置为旁流式，所述气体浓度测量装置还包括气泵12，所述气泵12用于将气室5内检测完毕的气体抽出并从排气口17排出。但这会导致气室5内的压强相对于环境压强存在一定程度的压降。故本具体实施方式中采用气室压强作为补偿的输入之一，就可以综合考虑气室内压降和环境压强对测量的影响。所述处理单元20包括第一信号放大处理模块7、第二信号放大处理模块9、模拟/数字(A/D)转换模块IO和计算模块11，所述第一信号放大处理模块7连接在所述红外传感器6与模拟/数字转换模块10之间，所述第二信号放大处理模块9连接在所述压力传感器8与模拟/数字转换模块10之间，所述计算模块11与所述模拟/数字转换模块10相连。所述第一信号放大处理模块7用于对红外传感器6输出的第一模拟信号进行放大，所述第二信号放大处理模块9用于对压力传感器8输出的第二模拟信号进行放大，所述A/D转换模块10用于将第一模拟信号和第二模拟信号转换为第一数字信号和第二数字信号，所述计算模块11对第一数字信号处理得出被测气体的初始浓度，并根据初始浓度和与气室5内实时压强相对应的第二数字信号对初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度。所述计算模块11包括存储器13，所述存储器13用于存储补偿系数表，所述补偿系数表以被测气体初始浓度和气室压强为二维坐标，每一组压强和初始浓度值在所述补偿系数表中都有唯一对应的补偿系数。由于可以直接根据预存的补偿系数表査询出当前的补偿系数，本发明的气体浓度测量装置使用起来比较方便。所述计算模块11可以包括单片机或可编程逻辑器件(如:FPGA、CPLD等)。当单片机、可编程逻辑器件的内部有存储单元，并且所述存储单元的容量足够大时，就可以将所述存储单元作为存储器13。当单片机、可编程逻辑器件的内部没有存储单元或其内的存储单元的容量不够大时，就可以另设存储器13，此时的存储器13可以选用闪存(flash)。本发明的气体浓度测量装置可以用于对医用气体(如C02、N20及麻醉气体)进行检测。考虑到CO,、N20及麻醉气体各有不同特征吸收波段，本发明的各个红外滤光片4可选用不同波段带通滤光片实现。如测量C02浓度时就可选用特征吸收波段以4.26um为中心的带通滤光片作为测量通道，特征吸收波段以3.7um为中心的带通滤光片为参考通道。上述气体浓度测量装置的工作过程如下使电动机2带动滤光片轮3以一定速率旋转，红外光源1发出的红外光经至少两个红外滤光片4后，成为光脉冲，该光脉冲穿过气室5，经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号。红外传感器6将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号和测量通道电信号。该参考通道电信号和测量通道电信号经第一信号放大处理模块7放大、再经A/D转换模块10转换成第一数字信号，由计算模块ll对第一数字信号进行处理得到被测气体的初始浓度。所述压力传感器8采集气室5内实时压强并转换成相应的第二模拟信号输出给第二信号放大处理模块9，所述第二信号放大处理模块9对第二模拟信号进行放大，所述A/D转换模块10将放大后的第二模拟信号转换为第二数字信号。计算模块ll结合与当前气室压强相对应的第二数字信号和初始浓度得到当前的补偿系数，采用此补偿系数对被测气体的初始浓度进行补偿后得到实际浓度。本发明的气体浓度测量装置消除了环境压强对测量结果的影响，得到精确的、不受环境压强影响的气体浓度，提高了气体浓度测量装置在不同海拔的测量精度及适用范围。上述探头组件采用机械调制，显然探头组件也可采用电调制。电调制的探头组件无需滤光片轮3和电动机2，因为电调制的探头组件己是公开技术，所以本发明不再对其赘述。上述气体浓度测量装置为旁流式，显然本发明也适用于主流式(mainstream)气体浓度测量装置上。主流式气体浓度测量装置无需气泵12，故不需考虑抽气所导致的气室内压降，压力传感器直接采集当前环境的压强(与被测气体本身的压强几乎相同)即可。如图3所示，一种气体浓度测量方法，包括如下步骤第一步获取被测气体的初始浓度c;。获取被测气体的初始浓度的方法具体如下1、使红外光分别经参考通道和测量通道进入气室，所述红外光经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号。2、将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号(可以为电压信号或电流信号)和测量通道电信号。3、根据所述参考通道电信号和测量通道电信号计算得到比例系数值&=必/^4化/7=1,2，3...(其中，A为比例系数值，^D"为第n测量通道的测量通道电信号，^化为参考通道电信号)。比例系数值/"只与气室内被测的气体浓度和被测气体所受的压强有关，与光源强度、温度漂移等因素无关。根据w"可以査出被测气体的初始浓度c;。通过将测量通道电信号参考通道电信号相除得到比例系数值，进而获取被测气体的初始浓度，可以消除红外光源发光效率、光路通光效率及温度漂移等因素对测量结果的影响。为了方便处理，上述步骤2和3之间还可进行如下操作将参考通道电信号和测量通道电信号进行放大和A/D转换。第二步获取被测气体本身的压强尸。当采用图2所示的旁流式气体测量装置实现本方法时，可以由压力传感器8采集气室内实时压强。当主流式气体测量装置实现本方法时，可以由压力传感器8采集当前环境压强。第三步根据所述初始浓度及气体当前的压强尸，获取当前补偿系数考虑到实际应用中，补偿系数/(c;,p)难以采用简单的函数表述，直接采用公式运算存在一定的难度。本发明当前补偿系数/(c;，p)可以直接通过査询补偿系数表获取，所述补偿系数表以被测气体初始浓度和气体当前的压强p为二维坐标，每一组压强和初始浓度值在所述补偿系数表中都有唯一对应的补偿系数。所述补偿系数表可以预先制成并存在存储器内。所述补偿系数表通过如下方法获取1、选定一已知浓度的气体，在标准气室压强(如可以750mmHg为标准压强)下，测量该浓度气体的比例系数值，将该比例系数值设置为标准比例系数值。2、以一定的压强间隔分别测量所述已知浓度气体在不同压强下的比例系数值。3、将标准比例系数值分别除以不同压强下的比例系数值得到所述浓度气体在不同压强时的补偿系数值。4、重复以上步骤，得到气体在其他浓度下、不同压强时的补偿系数值。下面以一个实例对获取补偿系数表的方法做进一步说明测量浓度为1%的气体，在750mmHg压强下的比例系数值，将该比例系数值设置为浓度为1%的气体的标准比例系数值Rls。测出浓度为1%的气体在700mmHg压强下的比例系数值Rll、在650mmHg压强下的比例系数值R12、在600mmHg压强下的比例系数值R13、在550rmnHg压强下的比例系数值R14、在500mmHg压强下的比例系数值R15、在450mmHg压强下的比例系数值R16、在400mmHg压强下的比例系数值R17。将Rls分别除以Rll、R12、R13、R14、R15、R16、R17，得到浓度为1%的气体在700mmHg压强下的补偿系数值iW及ll，在650mmHg压强下的补偿系数值iW贝2，在600mmHg压强下的补偿系数值/ls/i13，在550mmHg压强下的补偿系数值iLy/贝4，在500mmHg压强下的补偿系数值i^/M5，在450mmHg压强下的补偿系数值/ls/i16，在400mmHg压强下的补偿系数值/^/M7。再按照上述步骤得到浓度为2%的气体在700mmHg、650mmHg、600mmHg、550mmHg、500mmHg、450mmHg和400mmHg压强下的补偿系数ill及2s/i21、i2s/W22、i2s/i23、i2s/i24、i2s/i25、i2s/i26、i25/iZ7;浓度为3%的气体在700mmHg、650mmHg、600mmHg、550mmHg、500mmHg、450mmHg和400mmHg压强下的补偿系数值i3^i31、i3s/及32、及3s/i33、i3^/i34、i3s/i35、i3s/i36、i3s/i37;......;、浓度为9%的气体在700mmHg、650mmHg、600mmHg、550mmHg、500mmHg、450mmHg和400腿Hg压强下的补偿系数值i9s/i91、i9s/i92、i9s/i93、i9s/i94、i9^/95、i9s/W96、i9s/i97;浓度为10%的气体在700mmHg、650mmHg、600mmHg、550mmHg、500mmHg、450mmHg和400mmHg压强下的补偿系数值A1(W"101、il(Xs/i102、及10VW103、il(Xs/i104、i10s/i105、il(b/及106、则s/細7。这样就可以得到如下补偿系数表:<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>第四步根据所述当前补偿系数，对被测气体的初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度c^。=(:*/(<^，尸)"-i,2,3…。通过计算机仿真和实验室测试验证，证明了本发明方法的测量结果非常准确，而且可以适用于不同的环境压强。利用上述气体浓度测量方法设计的气体浓度测量装置如下一种气体浓度测量装置，包括初始浓度获取单元，用于获取被测气体的初始浓度C;压力传感器，用于获取被测气体本身的压强A补偿系数获取单元，用于根据所述初始浓度及压强，获取当前补偿系数/(C，P);实际浓度获取单元，用于根据所述当前补偿系数和初始浓度，获取被测气体的实际浓度c实际^/(c，尸)。所述初始浓度获取单元包括光信号获取模块，用于使红外光分别经参考通道和测量通道进入气室，所述红外光经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号；光电转换模块，用于将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号和测量通道电信号；初始浓度计算模块，用于根据所述参考通道电信号和测量通道电信号计算得到比例系数值，并根据所述比例系数值获取被测气体的初始浓度。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。权利要求1.一种气体浓度测量方法，其特征在于包括如下步骤A.获取被测气体的初始浓度C；B.获取被测气体本身的压强P；C.根据所述初始浓度及压强，获取当前补偿系数f(C，P)；D.根据所述当前补偿系数和初始浓度，获取被测气体的实际浓度C实际＝C*f(C，P)。2.根据权利要求1所述的气体浓度测量方法，其特征在于所述步骤A具体包括如下步骤Al、使红外光分别经参考通道和测量通道进入气室，所述红外光经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号；A2、将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号和测量通道电信号；A3、根据所述参考通道电信号和测量通道电信号计算得到比例系数值，并根据所述比例系数值获取被测气体的初始浓度。3.根据权利要求2所述的气体浓度测量方法，其特征在于所述步骤B通过如下方法实现由压力传感器采集气体浓度测量装置气室内的实时压强或者由压力传感器采集当前环境的实时压强。4.根据权利要求1-3任一所述的气体浓度测量方法，其特征在于所述步骤c中的当前补偿系数通过查询补偿系数表获取，所述补偿系数表以所述压强和初始浓度值为二维坐标，每一组压强和初始浓度值在所述补偿系数表中都有唯一对应的补偿系数。5.根据权利要求4所述的气体浓度测量方法，其特征在于所述补偿系数表通过如下方法获取El、选定一已知浓度的气体，在标准压强下，测量该浓度气体的比例系数值，将该比例系数值设置为标准比例系数值；E2、以一定的压强间隔分别测量所述已知浓度气体在不同压强下的比例系数值；E3、将标准比例系数值分别除以不同压强下的比例系数值得到所述浓度气体在不同压强时的补偿系数值；E4、重复以上步骤，得到气体在其他浓度下、不同压强时的补偿系数值。6.—种气体浓度测量装置，其特征在于包括初始浓度获取单元，用于获取被测气体的初始浓度C;压力传感器，用于获取被测气体本身的压强尸；补偿系数获取单元，用于根据所述初始浓度及压强，获取当前补偿系数实际浓度获取单元，用于根据所述当前补偿系数和初始浓度，获取被测气体的实际浓度c刻,cv(c,尸)。7.根据权利要求6所述的气体浓度测量装置，其特征在于所述初始浓度获取单元包括光信号获取模块，用于使红外光分别经参考通道和测量通道进入气室，所述红外光经气室内的被测气体吸收产生参考通道光信号和测量通道光信号；光电转换模块，用于将参考通道光信号和测量通道光信号分别转换为参考通道电信号和测量通道电信号；初始浓度计算模块，用于根据所述参考通道电信号和测量通道电信号计算得到比例系数值，并根据所述比例系数值获取被测气体的初始浓度。8.—种气体浓度测量装置，包括用于采集被测气体在特定红外光照射下的吸收信号的探头组件(30);其特征在于还包括压力传感器(8)和处理单元(20)，所述压力传感器与处理单元(20)相连，所述压力传感器(8)用于采集被测气体本身的压强并输出至处理单元(20);所述探头组件(30)也与处理单元(20)相连，所述处理单元(20)用于根据探头组件(30)输出的信号获取被测气体的初始浓度，并根据所述初始浓度及所述压强对所述初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度。9.根据权利要求8所述的气体浓度测量装置，其特征在于所述探头组件(30)包括滤光片轮(3)、用于驱动滤光片轮(3)旋转的电动机(2)、和在光路上依次设置的红外光源(1)、至少两个红外滤光片(4)、气室(5)和红外传感器(6);所述至少两个红外滤光片(4)位于滤光片轮(3)上；所述处理单元(20)包括第一信号放大处理模块(7)、第二信号放大处理模块(9)、模拟/数字转换模块(10)和计算模块(11);所述第一信号放大处理模块(7)连接在所述红外传感器(6)与模拟/数字转换模块(10)之间，所述第二信号放大处理模块(9)连接在所述压力传感器(8)与模拟/数字转换模块(10)之间，所述计算模块(11)与所述模拟/数字转换模块(10)相连，所述计算模块(11)用于根据模拟/数字转换模块(10)输出的信号计算出被测气体的实际浓度。根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于所述计算模块(11)包括存储器(13),所述存储器(13)用于存储补偿系数表，所述补偿系数表以所述压强和初始浓度值为二维坐标，每一组压强和初始浓度值在所述补偿系数表中都有唯一对应的补偿系数。全文摘要本发明公开了一种气体浓度测量方法及装置，该方法为获取被测气体的初始浓度；获取被测气体本身的压强；根据所述初始浓度及压强，获取当前补偿系数；根据所述当前补偿系数和初始浓度，获取被测气体的实际浓度。该装置包括用于采集被测气体在特定红外光照射下的吸收信号的探头组件、压力传感器和处理单元，所述压力传感器与处理单元相连，所述压力传感器用于采集被测气体本身的压强并输出至处理单元；所述探头组件也与处理单元相连，所述处理单元用于根据探头组件输出的信号获取被测气体的初始浓度，并根据所述初始浓度及所述压强对所述初始浓度进行补偿，得到被测气体的实际浓度。本发明测量结果准确，适用范围广。文档编号G01N21/31GK101470073SQ20071012546公开日2009年7月1日申请日期2007年12月24日优先权日2007年12月24日发明者周慧玲,建岑,恺梁,武志刚申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司