一种气体检测报警器温度补偿算法的制作方法

本发明涉及气体检测技术领域技术领域，具体是指一种气体检测报警器温度补偿算法。


背景技术：

电化学传感器通过与被测气体发生反应，产生与气体浓度成正比的电信号来工作。当温度变化时，传感器的温度不能保持恒定，对于相同的被测气体浓度，传感器输出有差异，这种差异是造成示值误差的主要来源，另一方面，由于温度的变化，在被测气体零点会出现零点漂移，在不同温度下进行气体检测，存在零点漂移及示值误差问题，由于传感器本身输出电流小，需要外部电路进行运放及转换处理，处理后会带来更大的误差，因此，很难设计出一种温度补偿电路，以解决报警器在不同环境温度下的示值误差问题。


技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对上述背景技术中提出的不足，提供一种气体检测报警器温度补偿算法。为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于，包括以下步骤：s1、构建温度补偿模型，明确补偿目标，测试模型参数，设计算法流程；s2、根据工作温度划分温度区间，不同温度区间选择不同的温补系数；s3、初始化温补系数；s4、标零与气体标定，建立被测气体浓度与显示值之间映射关系；s5、存储固化标定系数；s6、评估浓度变化的线性度；s7、没有温度补偿时，实验获取各温度区间不同标气的显示值；s8、根据各温度区间下显示值与常温下显示值误差，计算更新温补系数并存储固化；s9、针对不同温度区间，按区间补偿算法移植；s10、算法迭代与温度补偿模型优化。优选地，所述步骤s1中，选择温度t0＝8℃进行气体标定，然后选择高温t1＝50℃、低温t2＝-20℃，测试模型参数。优选地，所述步骤s2中，划分8个温度区间：(-25～-15]℃、(-15～-5]℃、(-5～5]℃、(5～15]℃、(15～25]℃、(25～35]℃、(35～45]℃、(45～55]℃。作为改进，所述步骤s3中，温补系数初始化为10000。优选地，所述步骤s4中，包括标零步骤，确认标气零点；采用三点标定，一氧化碳气体量程0-1000ppm，选择标气35ppm、286ppm、698ppm。优选地，所述步骤s6中，选择标气35ppm、286ppm、698ppm，记录上述3种标气对应的
显示值，进行线性拟合。优选地，所述步骤s7中，选择标气35ppm、286ppm、698ppm，记录各温度区间下上述3种标气浓度对应的显示值。采用以上结构后，本发明具有如下优点：本发明通过划分温度区间，对示值误差按温度区间补偿，选用city一氧化碳传感器进行设计验证，在-20℃到55℃温度区间、0ppm-1000ppm浓度区间，示值误差得到有效补偿，符合jjg915-2008检定规程要求。
附图说明
图1描述了没有温度补偿时，不同温度引入的示值误差及零点漂移问题；图2为本实施例中，构建的温度补偿模型；图3为本实施例中，为评估图2中提出的50℃时映射l1，设计的算法流程；图4为本实施例中，为评估图2中提出的-20℃时映射l2，设计的算法流程；图5为本实施例中，为评估图2中映射l1和l2展开的实验数据记录；图6为本实施例中，设计的算法流程；图7为本实施例中，常温8℃气体标定后，为评估被测气体浓度与显示值之间的线性度实验数据；图8为本实施例中，不同温度区间下，没有温度补偿时的实验数据；图9为本实施例中，温度大于标定温度时，不同温度区间下的显示值补偿结果实验数据；图10为本实施例中，温度小于标定温度时，不同温度区间下的显示值补偿结果实验数据；图11为本实施例中，不同温度区间下，基于实验数据结合图2温补模型，得到的温度补偿公式；图12为本实施例中，针对不同温度区间设计的补偿公式选择算法；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。结合附图1-12，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。图1描述了没有温度补偿时，不同温度t0、t1、t2下，对同一个被测气体浓度x0，显示值y0、y1、y2之间的差异，以及在被测气体零点出现的零点漂移现象。图1中，关系l0表示在温度t0时，被测气体浓度x与显示值y之间的映射。在温度t0下进行气体标定，该关系映射表述为：y＝x...(1)其中x表示被测气体浓度，y表示显示值。式(1)表明，在关系l0上用显示值y可以真实有效的表示被测气体浓度x，两者不存在示值误差。参考jjg915-2008检定规程，示值误差a定义为显示值y与被测气体浓度x之间差值：a＝y-x...(2)
其中a表示示示值误差，x表示被测气体浓度，y表示显示值。图1中，关系l1表示，在温度t1且t1》t0时，被测气体浓度与显示值之间映射，在被测气体浓度为x0时，存在零点漂移y3，及示值误差y1-y0。图1中，关系l2表示，在温度t2且t2《t0时，被测气体浓度与显示值之间映射，在被测气体浓度为x0时，存在零点漂移y4，及示值误差y2-y0。图1表明，在不同温度下进行气体检测，存在零点漂移及示值误差问题，由于传感器本身输出电流小，需要外部电路进行运放及转换处理，处理后会带来更大的误差，因此，很难设计出一种温度补偿电路，以解决报警器在不同环境温度下的示值误差问题。参照图1-12，一种气体检测报警器温度补偿算法，包括以下步骤；s1、构建温度补偿模型，明确补偿目标，测试模型参数，设计算法流程；图2所示为-20℃和55℃温度补偿模型。图2中，l0表示，在温度8℃时，经过气体标定，被测气体浓度与显示值之间映射关系y＝x，此时在该温度下，显示值y可以真实有效的表示被测气体浓度x，两者不存在示值误差。图2中，l1、l2分别表示，没有温度补偿时，在温度50℃、-20℃时，被测气体浓度与显示值之间映射关系，其中在x轴零点，l1存在零点漂移y3，l2存在零点漂移y4。图2中，明确补偿目标如下：对于任意被测气体浓度xi,温度t1＝50℃时，把l1上的y5点补偿到l0上的y6点；温度t2＝-20℃时，把l2上的y7点补偿到l0上的y6点；对于其他温度，分别构建该温度下的映射关系，分别补偿到l0上的y6点。设计模型参数如下：以t1＝50℃为例，设计该温度下的模型参数y1、y8，其中y1为标气浓度x0＝698ppm时显示值，y8为标气浓度x1＝35ppm时显示值，y1、y8通过实验获取。结合图2，对于零点漂移y3，在l1上有式(3)、式(4)成立：结合图2，对于零点漂移y3，在l1上有式(3)、式(4)成立：式(4)表明，温度t1＝50℃，l1上的零点漂移y3，只与选择的标气35ppm、698ppm及显示值有关，其中x1、x0分别标气浓度,y1、y8为标气映射的显示值。温度t1＝50℃时，对于任意一个被测气体浓度xi，在l1上有以下关系成立：其中xi为被测气体浓度，y5为当前温度下显示值，y1为标气x0＝698ppm时显示值。由式(5)得到被测气体浓度xi表达式：
式(6)中xi为被测气体浓度，映射到l0上的y6点：式(7)中，y6为温度t1＝50℃时，经过温度补偿后的显示值，y5为温度补偿前显示值，y1为标气x0＝698时显示值，y3为零点漂移。记式(7)等价为：y6＝k1×
(y
5-y3)...(8)式(8)适用于温度t1大于标定温度t0情况。式(8)中，k1为一个常数，与温度有关，通过实验获取。式(8)的意义在于，当温度t1大于标定温度t0时，可以通过式(8)对未经补偿的显示值y5进行补偿，补偿后的显示值为y6。图2中，当温度t2＝-20℃时，对于l2与x轴交点x2，在l2上有以下关系成立：式(9)得出x2表达式：其中y10为标气x1＝35ppm时显示值，y2为标气x0＝698ppm时显示值。对于任意一个被测气体浓度xi且xi》x2，在l2上有以下关系成立：式(11)得出被测气体浓度表达式：式(12)中xi为被测气体浓度，对应l0上的y6点，即：记式(13)等价为：y6＝x2+k2×
y7...(14)式(14)适用于温度t2小于标定温度t0情况。式(14)中，k2为一个常数，与温度有关，通过实验获取。式(14)的意义在于，当温度t2小于标定温度t0时，可以通过式(14)对未经补偿的显示值y7进行补偿，补偿后的显示值为y6。按图3所示流程评估测试模型，选择两组温度t1＝50℃、t2＝-20℃进行实验测试，图4为实验数据，图3～图4涉及的变量及数据见图2所示。根据图5中实验数据，在t1＝50℃时，采用式(4)计算零点漂移y3：
采用式(7)计算在x1＝286ppm点，补偿后的显示值y6：式(16)表明，被测气体浓度xi＝286ppm时，温度补偿后的显示值为287.9ppm，在示值偏差[271-314ppm]范围内，符合设计预期。根据图4中实验数据，在t2＝-20℃时，采用式(10)计算x2值：采用式(13)计算补偿后的显示值y6：式(18)表明，被测气体浓度xi＝286ppm时，温度补偿后的显示值为290.1ppm，在示值偏差[271-314ppm]范围内，符合设计预期。对于其他的温度点补偿过程，推理过程是一样的，通过对t1＝50℃、t2＝-20℃两个温度点的补偿进行测试，表明温度补偿模型是可行的。在图2模型通过测试评估基础上，扩展到其他的温度区间下的温度补偿问题，设计算法流程如图6所示：s2、根据工作温度划分温度区间，不同温度区间选择不同的温补系数；图2温度补偿模型显示，未经过温度补偿时，在不同温度t1和t2时，被测气体浓度与显示值之间映射l1和l2不同，对于同一被测气体浓度xi，当t1》t0时l1采用式(8)补偿到l0；当t2《t0时l2采用式(14)补偿到l0，且每个温度点下对应的y3及x2参数各不相同。在这种情况下，需要合理的划分温度区间，针对每个温度区间，构建被测气体浓度与显示值之间映射关系l，按温度区间进行温度补偿。参考图2模型，划分8个温度区间如下：c1温度区间(-25～-15]℃、c2温度区间(-15～-5]℃、c3温度区间(-5～5]℃、c4温度区间(5～15]℃、c5温度区间(15～25]℃、c6温度区间(25～35]℃、c7温度区间(35～45]、c8温度区间(45～55]℃每个温度区间的补偿算法说明。在温度区间c1、c2、c3，温度小于8℃，所述每一个温度区间按式(14)补偿计算。为了便于软件实现，式(14)转换如下：式(19)中，y7表示未经温度补偿时显示值，y6为补偿后的显示值，x2为温度区间中间温度下映射l与x轴交点值，β2定义为该温度区间的温补系数，参数x2和β通过实验数据计算获取。这里策略选择如下，采用该温度区间中间温度对应的映射l，描述该温度区间的映
射。在温度区间c4，不进行温度补偿，映射关系用图2中l0描述。在温度区间c5、c6、c7、c8，温度大于8℃，所述每一个温度区间按式(8)补偿计算。为了便于软件实现，式(8)转换如下：式(20)中，y3表示零点漂移，y5表示温补前显示值，y6表示温补后显示值，β定义为该温度区间的温补系数，β1通过实验数据计算获取。这里策略选择如下，采用该温度区间中间温度对应的映射l，描述该温度区间的映射。s3、初始化温补系数；式(19)、式(20)中的温补系数β初始化为10000，是为了获取没有温度补偿时的显示误差，以便根据每个温度分区的显示误差，进行补偿。s4、标零与气体标定，建立被测气体浓度与显示值之间映射关系；首先在温度t0＝8℃时，标定零点，然后根据一氧化碳被测气体量程0-1000ppm，选择三组标气浓度35ppm、286ppm、698ppm分别进行气体标定，即三点标定。气体标定后，被测气体浓度与显示值之间存在1：1映射，如图2中l0。三点标定与一点标定策略选择问题。在图2模型中，l0是一条直线，但实际中l0不是不是完整意义上的直线，而是一个曲线，尤其是在零点附近。但是这种曲线难以识别和捕捉，无法构建精确的模型进行描述。针对l0存在的非线性问题，采用三点标定策略，分段进行补偿。其他温度t1和t2下的l1和l2也存在类似的非线性问题。图2中仍采用直线方式对l0、l1、l2进行建模，通过对l0的三点标定，以及针对每个温度t1和t2下的温度补偿，可以在误差范围内，实现显示值y6对被测气体浓度xi的真实有效的表示。上述l0、l1、l2采用直线建模表示，不是精确的，但却是可行的，不影响算法的实施及示值误差补偿的精度。s5、存储固化标定系数；由于在常温t0＝8℃时，采用三点标定策略，需要计算三组标定系数,并存储固化，分别为35ppm、286ppm、698ppm对应的标定系数。这里不详细展开。s6、评估浓度变化的线性度；在温度t0＝8℃时，选择标气浓度100ppm和500ppm，记录显示值，评估该温度点下被测气体浓度与显示值之间线性度。根据jjg915-2008检定规程，示值误差不大于10％。图7为气体标定及在100ppm、500ppm实验数据，x1、xi、x0、y9、y6、y0见图2。图7显示，在温度t0＝8℃时进行三点标定，各测试点示值误差在允许范围内，线性度符合设计预期。s7、在没有温度补偿时，实验获取各温度区间显示值；图8为本实施例中，没有温度补偿时，每个温度区间在标气浓度35ppm、286ppm、698ppm时显示值。s8、根据各温度区间下显示值与常温下显示值误差，计算更新温补系数并存储固化；根据图6实验数据，结合图2模型，以及式(19)、式(20)，计算各温度区间的零点漂
移y3,与x轴交点x2，以及温补系数β1、β2。在c5、c6、c7、c8温度区间，温度大于标定温度t0，结合式(7)、式(20)，有：式(21)表示，温补系数β1的物理意义，表示为图2中l1的线性比例系数，然后再放大10000倍。需要说明的是，c5、c6、c7、c8温度区间不同，对应的y1、y3参数不同。l1只是温度t1＝50℃时一个特例。图9为本实施例中，根据图2模型，结合温度区间c5、c6、c7、c8实验数据，解析出的模型参数，其中y3为零点漂移，β1为温补系数，并在标气浓度xi＝286ppm时，计算各温度区间补偿后的显示值yi，用于评估与标气浓度xi＝286ppm的示值误差。以图9中t1＝20℃时零点漂移值y3为例，说明计算过程：图9表明，当温度t1》标定温度t0时，按温度区间进行补偿，在标气浓度xi＝286ppm时，示值误差得到有效补偿；同时，由于各温度区间的补偿算法是基于35ppm和698ppm两点进行线性拟合的，在35ppm和698ppm时，被测气体浓度和显示值在上述两点不存在示值误差。在所述35ppm、286ppm、698ppm三个浓度点显示值经过补偿后，与被测气体浓度的示值误差在允许范围，可以认为补偿算法是可行的，模型参数是有效的。在c1、c2、c3温度区间，温度小于标定温度t0，结合式(13)、式(19)，有：式(22)表示，温补系数β2的物理意义，表示为图2中l2的线性比例系数，然后再放大10000倍。需要说明的是，c1、c2、c3温度区间不同，对应的y2、x2参数不同。l2只是温度t2＝-20℃时一个特例。
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图10为本实施例中，根据图2模型，结合温度区间c1、c2、c3实验数据，解析出的模型参数，其中x2为各映射l与x轴交点坐标，β2为温补系数，并在标气浓度xi＝286ppm时，计算各温度区间补偿后的显示值yi，用于评估与标气浓度xi＝286ppm的示值误差。以图10中t2＝-20℃时β2＝6938为例，说明计算过程：图10表明，当温度t2《标定温度t0时，按温度区间进行补偿，在标气浓度xi＝286ppm时，示值误差得到有效补偿；同时，由于各温度区间的补偿算法是基于35ppm和698ppm两点进行线性拟合的，在35ppm和698ppm时，被测气体浓度和显示值在上述两点不存在示值误差。在所述35ppm、286ppm、698ppm三个浓度点显示值经过补偿后，与被测气体浓度的示值误差在允许范围，可以认为补偿算法是可行的，模型参数是有效的。s9、针对不同温度区间，按区间补偿算法移植；根据图9中的零点漂移y3及温补系数β1，图10中的x2及温补系数β2，在以下各温补区间，补偿公式如图11所示：
考虑一个一般性问题，对于温度t及被测气体浓度xi，补偿算法移植如图12所示。s10、算法迭代与温度补偿模型优化。在某一个温度区间，如果在某些温度点时显示误差在允许范围内，另一些温度点时显示误差在允许范围外。这就需要对步骤s2划分的温度区间进一步拆分，把该温度区间拆分为2个小的温度区间，然后按步骤s2到s10进行迭代，直到所有温度区间内显示误差都在允许范围内。以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于，包括以下步骤：s1、构建温度补偿模型，明确补偿目标，测试模型参数，设计算法流程；s2、根据工作温度划分温度区间，不同温度区间选择不同的温补系数；s3、初始化温补系数；s4、标零与气体标定，建立被测气体浓度与显示值之间映射关系；s5、存储固化标定系数；s6、评估浓度变化的线性度；s7、没有温度补偿时，实验获取各温度区间不同标气的显示值；s8、根据各温度区间下显示值与常温下显示值误差，计算更新温补系数并存储固化；s9、针对不同温度区间，按区间补偿算法移植；s10、算法迭代与温度补偿模型优化。2.根据权利要求1所述的一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于：所述步骤s1中，选择温度t0＝8℃进行气体标定，然后选择高温t1＝50℃、低温t2＝-20℃，测试模型参数。3.根据权利要求1所述的一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于：所述步骤s2中，划分8个温度区间：(-25～-15]℃、(-15～-5]℃、(-5～5]℃、(5～15]℃、(15～25]℃、(25～35]℃、(35～45]℃、(45～55]℃。4.根据权利要求1所述的一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于：所述步骤s3中，温补系数初始化为10000。5.根据权利要求1所述的一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于：所述步骤s4中，包括标零步骤，确认标气零点；采用三点标定，一氧化碳气体量程0-1000ppm，选择标气35ppm、286ppm、698ppm。6.根据权利要求1所述的一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于：所述步骤s6中，选择标气35ppm、286ppm、698ppm，记录上述3种标气对应的显示值，进行线性拟合。7.根据权利要求1所述的一种气体检测报警器温度补偿算法，其特征在于：所述步骤s7中，选择标气35ppm、286ppm、698ppm，记录各温度区间下上述3种标气浓度对应的显示值。

技术总结
本发明公开了一种气体检测报警器温度补偿算法，S1、构建温度补偿模型；S2、根据工作温度划分温度区间，不同温度区间选择不同的温补系数；S3、初始化温补系数；S4、气体标定；S5、存储固化标定系数；S6、评估浓度变化的线性度；S7、在没有温度补偿时，实验获取各温度区间显示值；S8、根据各温度区间下显示值与常温下显示值误差，计算更新温补系数并存储固化；S9、针对不同温度区间，按区间补偿算法移植；S10、算法迭代与温度补偿模型优化。本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过划分温度区间，对示值误差按温度区间补偿，选用CITY一氧化碳传感器进行设计验证，在-20℃到55℃温度区间、0ppm-1000ppm浓度区间，示值误差得到有效补偿，符合JJG915-2008检定规程要求。2008检定规程要求。2008检定规程要求。


技术研发人员：宇荣章 李进科 杨艳军
受保护的技术使用者：北京德康正泰科技有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/6/28