一种红外冷媒气体传感器温压补偿方法及系统

本发明属于制冷设备冷媒泄漏检测，具体涉及一种红外冷媒气体传感器温压补偿方法及系统。

背景技术：

1、红外冷媒气体传感器广泛应用于制冷设备的冷媒泄漏检测与安全预警。此类传感器通常基于朗伯-比尔定律，通过测量特定红外波长的吸收强度推算冷媒浓度，并在出厂时于固定的环境温度和环境压力条件下完成标定。

2、制冷设备在实际运行过程中，压缩机的启停会使冷媒管路压力在较短时间内发生明显波动，室内外环境温差及设备运行负荷的变化也会使传感器所处的环境温度随工况大幅漂移，传感器实际工作的温度和压力条件与出厂标定时的固定温压状态之间长期存在偏差。针对温度变化对测量结果的影响，现有红外冷媒气体传感器通常建立基于温度的单变量补偿模型，并将环境压力按出厂标定时的固定值处理。

3、然而，传感器的测量输出不仅与冷媒气体的分子数量有关，也与气体本身的红外吸收系数有关，二者均会随环境温度和环境压力的变化而发生改变，在温度和压力同时变化的工况下，二者对测量结果的影响相互关联、难以分离。在压缩机频繁启停或温度、压力条件较大幅度偏离出厂标定状态的工况下，仅基于温度的单变量补偿难以反映温度和压力共同变化对测量结果的影响，导致冷媒浓度测量值出现偏差，增加冷媒泄漏误报警与漏报警的风险。

技术实现思路

1、（1）要解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供一种红外冷媒气体传感器温压补偿方法及系统，以解决环境温度和压力的变化会同时引起冷媒气体分子数密度和红外吸收系数发生耦合变化，且在制冷设备实际运行过程中温度与压力往往同步波动、二者对红外吸收系数的影响难以区分，导致红外冷媒气体传感器的温压难以得到有效补偿的问题。

3、（2）技术方案

4、为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种红外冷媒气体传感器温压补偿方法，所述方法包括：

5、获取红外冷媒气体传感器的原始冷媒浓度测量值、当前环境温度和当前环境压力，以及预存的标定参考温度、标定参考压力和吸收系数标定数据；所述吸收系数标定数据为根据环境温度和环境压力为双变量索引的二维吸收系数标定数据。

6、根据所述当前环境温度、当前环境压力、标定参考温度和标定参考压力计算得到分子数密度修正分量；根据所述当前环境温度、当前环境压力、标定参考温度、标定参考压力对吸收系数标定数据解析计算得到吸收系数温压联合修正分量；根据所述分子数密度修正分量和吸收系数温压联合修正分量得到温压联合补偿系数。

7、根据所述温压联合补偿系数对原始冷媒浓度测量值进行修正得到温压补偿后的冷媒气体浓度值。

8、进一步地，所述分子数密度修正分量、吸收系数温压联合修正分量和温压联合补偿系数的计算方法包括：

9、将当前环境温度、当前环境压力与标定参考温度、标定参考压力通过理想气体定律计算得到分子数密度修正分量。

10、根据吸收系数温压联合修正分量解析模型计算得到吸收系数温压联合修正分量，所述解析模型用于描述压力展宽效应和谱线强度温度效应对吸收系数的联合影响，所述解析模型为：

11、。

12、其中，为吸收系数温压联合修正分量；为有效振动下态能量温度当量，为当前环境下沃伊特线形半高宽，为参考环境下沃伊特线形半高宽；为当前环境温度；为当前环境压力；为标定参考温度；为标定参考压力；为滤光片带通积分响应敏感系数。

13、根据吸收系数标定数据对解析模型进行参数拟合，得到解析模型的模型参数；将当前环境温度、当前环境压力、标定参考温度、标定参考压力代入参数拟合后的解析模型，计算得到吸收系数温压联合修正分量。

14、根据所述分子数密度修正分量与吸收系数温压联合修正分量相乘计算得到温压联合补偿系数。

15、进一步地，所述当前环境压力的获取方法包括：

16、在连续时间窗口内，按固定采样间隔周期性采集冷媒管路压力传感器的压力读数得到压力序列；根据所述压力序列内相邻采样点之间的压力读数差值与采样间隔计算得到压力变化率；当所述压力变化率超过压缩机启停压力变化阈值时，判定当前处于压缩机启停瞬态工况，所述压缩机启停压力变化阈值是根据制冷设备在稳定运行工况与启停工况下的历史压力序列中压力变化率的边界统计值确定；判定当前处于压缩机启停瞬态工况，将时间窗口内的管路压力滑动均值作为当前环境压力；当所述压力变化率低于所述压缩机启停压力变化阈值时，判定当前处于压缩机稳定运行工况，并将当前瞬时压力测量值作为当前环境压力。

17、进一步地，所述吸收系数标定数据为根据环境温度和环境压力为双变量索引的二维吸收系数标定数据，所述二维吸收系数标定数据的建立方法包括：

18、在标准实验室环境中，向传感器通入已知浓度的标准冷媒气体，并设置多个温度标定点和多个压力标定点构建温压标定网格；在所述温压标定网格的每个网格节点处，采集传感器的红外吸收信号；根据所述红外吸收信号与所述已知浓度反演得到所述网格节点处对应的吸收系数；将所有网格节点的温度值、压力值和对应吸收系数构建所述二维吸收系数标定数据。

19、进一步地，所述温压标定网格的构建方法包括：

20、获取制冷设备在实际运行期间的历史环境温度记录和历史环境压力记录；根据所述历史环境温度记录统计得到历史温度分布；根据所述历史温度分布按预设置信水平确定温度置信区间；将所述温度置信区间的下界作为温度典型运行区间的下限、上界作为温度典型运行区间的上限得到温度典型运行区间；根据所述历史环境压力记录统计得到历史压力分布；根据所述历史压力分布按预设置信水平确定压力置信区间；将所述压力置信区间的下界作为压力典型运行区间的下限、上界作为压力典型运行区间的上限得到压力典型运行区间。

21、在所述温度典型运行区间内按温度细分步长设置温度标定点，在所述温度典型运行区间之外的扩展范围内按温度粗分步长设置温度标定点；在所述压力典型运行区间内按压力细分步长设置压力标定点，在所述压力典型运行区间之外的扩展范围内按压力粗分步长设置压力标定点；根据所述温度标定点和压力标定点构建温压标定网格。

22、进一步地，所述温度细分步长和压力细分步长的设置方法包括：

23、在温度典型运行区间和压力典型运行区间内，按初始细分步长构建初始标定网格得到各网格节点处对应的吸收系数；根据所述温度细分步长为基准移动一个温度偏移增量得到调整后的温度细分步长；根据所述压力细分步长为基准移动一个压力偏移增量得到调整后的压力细分步长；根据所述调整后的温度细分步长和调整后的压力细分步长对所述温度典型运行区间和压力典型运行区间内的验证节点处的吸收系数进行双线性插值得到插值误差；其中，所述温度偏移增量不小于标定实验的最小可分辨温度分辨率，所述压力偏移增量不小于冷媒管路压力传感器的最小分辨精度。

24、分别对温度细分步长方向和压力细分步长方向通过离散序列的梯度下降法迭代调整步长，直至插值误差收敛至极小值，得到累计温度偏移步长和累计压力偏移步长；将所述累计温度偏移步长叠加至初始温度细分步长得到最优温度细分步长，将所述累计压力偏移步长叠加至初始压力细分步长得到最优压力细分步长。

25、进一步地，所述根据所述温压联合补偿系数对原始冷媒浓度测量值进行修正得到温压补偿后的冷媒气体浓度值的方法包括：

26、根据吸收系数标定数据中标定节点处的吸收系数与标定参考节点处的吸收系数之比和标定节点温压、对应的分子数密度修正分量计算得到温压联合补偿系数；选取所述标定节点处温压联合补偿系数中的最小值作为补偿系数下界、最大值作为补偿系数上界，并将所述补偿系数下界和补偿系数上界构成温压联合补偿系数的预设有效范围。

27、当所述温压联合补偿系数在所述预设有效范围内时，将所述原始冷媒浓度测量值除以所述温压联合补偿系数得到温压补偿后的冷媒气体浓度值；当所述温压联合补偿系数超出所述预设有效范围时，将所述原始冷媒浓度测量值作为当次温压补偿后的冷媒气体浓度值。

28、进一步地，所述标定节点的选取方法包括：

29、位于温度典型运行区间或压力典型运行区间的网格节点，根据网格节点与温度方向相邻网格节点的温压联合补偿系数差值除以所述最优温度细分步长得到网格节点的第一温度方向补偿系数梯度值；根据所述网格节点与压力方向相邻网格节点的温压联合补偿系数差值除以所述最优压力细分步长得到网格节点的第一压力方向补偿系数梯度值；位于所述温度典型运行区间或压力典型运行区间之外的网格节点，根据网格节点与温度方向相邻标定节点的温压联合补偿系数差值除以二者的温度坐标差值再乘以最优温度细分步长得到第二温度方向补偿系数梯度值；根据网格节点与压力方向相邻标定节点的温压联合补偿系数差值除以二者的压力坐标差值再乘以所述最优压力细分步长得到第二压力方向补偿系数梯度值。

30、根据所述第一温度方向补偿系数梯度值与第一压力方向补偿系数梯度值得到第一补偿系数局部梯度幅值；根据所述第二温度方向补偿系数梯度值与第二压力方向补偿系数梯度值得到第二补偿系数局部梯度幅值；将所述第一补偿系数局部梯度幅值、第二补偿系数局部梯度幅值超过预设梯度阈值的网格节点确定为所述标定节点。

31、基于同一发明构思，本发明还提供了一种红外冷媒气体传感器温压补偿系统，所述系统包括：

32、数据采集模块，用于获取红外冷媒气体传感器的原始冷媒浓度测量值、当前环境温度和当前环境压力，以及预存的标定参考温度、标定参考压力和吸收系数标定数据；所述吸收系数标定数据为根据环境温度和环境压力为双变量索引的二维吸收系数标定数据。

33、温压计算模块，用于根据所述当前环境温度、当前环境压力、标定参考温度和标定参考压力计算得到分子数密度修正分量；根据所述当前环境温度、当前环境压力、标定参考温度、标定参考压力对吸收系数标定数据解析计算得到吸收系数温压联合修正分量；根据所述分子数密度修正分量和吸收系数温压联合修正分量得到温压联合补偿系数。

34、温压补偿模块，用于根据所述温压联合补偿系数对原始冷媒浓度测量值进行修正得到温压补偿后的冷媒气体浓度值。

35、（3）有益效果

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、1.通过引入分子数密度修正与吸收系数温压联合修正的双重补偿机制，将温度与压力作为联合输入构建温压联合补偿系数，实现了对红外吸收中温度和压力耦合影响的有效解耦补偿，降低了补偿残差。

38、2.通过构建非均匀温压标定网格并以梯度下降法优化网格步长，在减少标定节点数量的同时保证了补偿系数的插值精度；采用工况自适应的压力输入策略，保障了补偿系数在压缩机启停瞬态与稳定运行等复杂工况下的可靠获取。