[发明专利]CO浓度和能见度检测仪及其检测方法

权利要求书

1.一种CO浓度和能见度检测系统，其特征在于，它包括：电路板（1）、转盘（2）、机壳（3）、第一反射镜（4）、探测器（5）、红外光源（6）、第一通孔（7）、第二通孔（8）、第二反射镜（9）、第三反射镜（10）、第一透镜（11）、第二透镜（12）和步进电机等；其中，所述步进电机固定在电路板（1）上，其输出轴与转盘（2）的中心固定连接，转盘（2）上开有第一通孔（7）和第二通孔（8），第二反射镜（9）和第三反射镜（10）固定在转盘（2）上；探测器（5）和红外光源（6）焊接在电路板（1）上；第一透镜（11）和第二透镜（12）安装在机壳（3）上，探测器（5）位于第一透镜（11）的焦点上，红外光源（6）位于第二透镜（12）的焦点上；第一反射镜（4）置于机壳（3）前方，与机壳（3）的距离不小于3米；红外光源（6）、第二反射镜（9）、第三反射镜（10）和探测器（5）构成参考光路；红外光源（6）、第二通孔（8）、第二透镜（12）、第一反射镜（4）、第一通孔（7）、第一透镜（11）和探测器（5）构成测量光路。

2.根据权利要求1所述CO浓度和能见度检测系统，其特征在于，所述探测器（5）可为双滤波片红外热释电探测器，其具有两个接收窗口，第一接收窗口接收波长为4μm的红外光，第二接收窗口接收波长为4.67μm的红外光。

3.根据权利要求1所述CO浓度和能见度检测系统，其特征在于，所述第一透镜（11）和第二透镜（12）可为氟化钙红外透镜。

4.根据权利要求1所述CO浓度和能见度检测系统，其特征在于，所述电路板（1）主要包括：接收模块、光源驱动模块、单片机模块、AD转换模块、电机驱动模块、输出模块和通信模块；其中，所述探测器（5）、接收模块和AD转换模块依次相连，AD转换模块、输出模块、光源驱动模块、电机驱动模块和通信模块均与单片机模块相连；光源驱动模块接收到驱动信号后，光源（6）开始工作。光源（6）辐射的光经参考光路或测量光路到达探测器（5），探测器（5）将接收到的光信号转换成电信号传送给接收模块。接收模块完成测量起始判断、信号放大滤波，输出信号传送给AD转换模块，转换为数字信号输出至单片机模块。电机驱动模块接收来自单片机模块的步进信号，步进电机带动转盘（2）旋转，使测量光路和参考光路测量交替进行，单片机模块依据两个光路测量值计算得出能见度值或CO浓度值；输出模块将单片机计算得到的能见度和CO浓度值数字信号进行隔离、DA转换、电压-电流转换为两路4-20mA电流隔离输出。通信模块通过232和485接口分别完成单片机与计算机和现场的通信。

5.一种应用权利要求1所述装置的CO浓度和能见度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测量能见度的参考光路光强：转盘（2）转至参考光路位置处，红外光源（6）辐射的4μm波长的光经参考光路被探测器（5）接收，探测器（5）的第一接收窗口将接收到的光信号转换成电信号，该电信号经过电路板（1）上的接收模块输出为电压信号V，V由AD转换模块采集，转换成数字信号D₀，存储在单片机模块内。

步骤2：测量能见度的测量光路光强：转盘（2）转至测量光路位置处，红外光源（6）辐射的4μm波长的光经测量光路被探测器（5）接收，探测器（5）的第一接收窗口将接收到的光信号转换成电信号，该电信号经过电路板（1）上的接收模块输出为电压信号V₁，V₁由AD转换模块采集，转换成数字信号D₁，存储在单片机模块内。

步骤3：获得能见度值：大气中细微颗粒造成光强衰减，因此D₁<D₀，单片机根据D₀、D₁可由下式计算出透过率τ：

τ=II0=mD1nD0,]]>

式中，I₀为光源发射光强，I为经大气通道后接收的发射光光强，m、n为常系数；

将τ带入布格尔-朗伯定律计算出消光系数σ：

布格尔-朗伯定律：I=I₀e^-σL；

式中，L为光线在气体中通过的光程；

再将消光系数σ代入柯西密德定律最终求得能见度值：

柯西密德定律：

式中，ε为视觉反应阈值，为观测方向单位距离上的大气消光系数，V为以水平天空为背景的黑色目标物的能见度。

能见度值由输出模块转化为4-20mA电流信号后输出。

步骤4：测量CO浓度的参考光路光强：转盘（2）转至参考光路位置处，红外光源（6）辐射的4.67μm波长的光经参考光路被探测器（5）接收，探测器（5）的第二接收窗口将接收到的光信号转换成电信号，该电信号经过电路板（1）上的接收模块输出为电压信号V₀，V₀由AD转换模块采集，转换成数字信号D₀₁，存储在单片机模块内；

步骤5：测量CO浓度的测量光路光强：转盘（2）转至测量光路位置处，红外光源（6）辐射的4.67μm波长的光经测量光路被探测器（5）接收，探测器（5）的第二探测窗口将接收到的光信号转换成电信号，该电信号经过电路板（1）上的接收模块输出为电压信号V₀₁，V₀₁由AD转换模块采集，转换成数字信号D₁₁，存储在单片机模块内；

步骤6：获得CO浓度值：因CO气体吸收及大气中微粒影响，导致D₁₁<D₀₁。单片机根据D₀₁、D₁₁、透过率τ计算出CO气体对该波长的光的吸收度S：

s=1-τkI01I11=1-τkmD01nD11,]]>

式中，k、m、n为常系数，I₀₁为光源发射光强，I₁₁为经大气通道后接收的发射光光强；

将S带入朗伯-比尔定律计算出CO浓度值：

朗伯-比尔定律：s=1-e^-kCL；

式中，k为吸收系数，L为光线在气体中通过的光程，C为CO气体浓度；

CO浓度值由输出模块转化为4-20mA电流信号后输出。