[发明专利]无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法及装置

摘要

本发明涉及对二氧化碳浓度分析方法和装置的改进。本发明对于由红外光源1、恒流源2、气室3、探测器4、放大电路5、单片机6和显示装置7组成的红外二氧化碳分析系统，在单片机6和显示装置7之间串联一个动态补偿滤波器8，通过动态补偿缩短分析系统的动态响应时间，改善动态特性。本发明装置工作可靠，体积小、重量轻、功耗低，响应时间比无补偿时提高了4倍。

主权项

1、无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法，其特征在于，对于由红外光源[1]、恒流源[2]、气室[3]、探测器[4]、放大电路[5]、单片机[6]和显示装置[7]组成的红外二氧化碳分析系统，在单片机[6]和显示装置[7]之间串联一个动态补偿滤波器[8]，通过动态补偿缩短分析系统的动态响应时间，改善动态特性，动态补偿滤波器[8]的建立方法如下：(1)建立一个无补偿红外二氧化碳分析系统，简称无补偿系统，可以使用现有的气泵式二氧化碳分析仪为基础，将气泵取消，作为无补偿红外二氧化碳分析系统，它由红外光源[1]、恒流源[2]、气室[3]、探测器[4]、放大电路[5]、单片机[6]和显示装置[7]组成，(2)建立红外二氧化碳分析系统的动态数学模型，A、红外二氧化碳分析系统的动态数学模型可用下面的差分方程表示：y(k)+a1y(k-1)+…+any(k-n)＝u(k)+b1u(k-1)+…bnu(k-n)(I)式中，u(k)-系统k时刻的输入，…依次类推，u(k-n)表示(k-n)时刻的输入，y(k)——系统k时刻输出，……依次类推，y(k-n)表示(k-n)时刻的输出，n表示模型的阶次，ai、bi表示模型的参数值；阶次n、参数a1、b1的值待确定，B、获取无补偿系统的动态特性实验数据，其步骤为：①将无补偿红外二氧化碳分析系统通电预热2小时，②将一根通气皮管的一端连接到一个具有已知浓度的二氧化碳气瓶的气嘴上，另一端连接气室[3]的进气口，③打开气瓶，并调节气体流量为1～1.5升/秒，④2分钟后，快速从进气口上撤掉通气皮管，关闭气瓶，⑤从撤掉通气皮管的时刻起，开始记录单片机输出的二氧化碳浓度值，直至分析系统的输出数据达到稳定，采样频率f应满足f＞0.15HZ，将该过程所获得的数据记为yi；⑥对yi进行如下预处理：将分析系统输出的电压信号取自然对数，作为二氧化碳浓度的相关量，对实验输出数据进行如下式(II)所示归一化处理，ygyi=yi-yminymax-ymin---(II)式(II)中：ygyi为经归一化处理以后的输出数据，yi为归一化处理前分析系统的输出数据，ymax、ymin分别为该次实验过程中传感器输出的最大、最小值，⑦将ygyi做为建立二氧化碳分析系统动态数学模型的输出序列，因为获取该输出序列时所加的信号为阶跃信号，所以输入序列为与输出序列等长度且分量值均为1的序列，然后用一种特殊白化滤波器的“广义最小二乘法”建立起二氧化碳分析系统的动态模型Sd，如下式(III)：Sd=0.0026z-11-0.9974z-1---(III)(3)设计并确定动态补偿滤波器，动态补偿滤波器的设计采用基于弱极点概念的设计方法，A、建立系统差分方程模型，并求出差分方程的全部极点，确定各子系统响应时间，B、根据动态补偿的要求，给出补偿前后系统响应时间改善量，C、把动态补偿滤波器的零点设置为被补偿系统差分方程的被补偿极点，极点根据补偿要求进行设计，最后求出补偿滤波器Hd(z)，具体步骤是：①根据式(III)，计算出原系统的极点pold的值，②计算原系统的过渡时间tsold＝3×ΔT/log(pold)，ΔT为采样间隔，③选取补偿倍数r时，计算新的极点值和补偿滤波器的零点值，求得补偿滤波器Hd(z)，④对补偿倍数r选取不同的值，设计出不同的补偿滤波器，然后用该滤波器与实际系统串联起来，观察补偿效果，重复该过程，找出最佳的补偿滤波器。