|
DOI: 10.14489/td.2026.07.pp.041-047
Петров В. В., Бахолдин А. В.
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ NDIR-ДАТЧИКА УГАРНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ
(c. 41-47)
Аннотация. Современные требования экологической безопасности обусловливают необходимость контроля следовых концентраций (1 мг/м3) угарного газа. Рассматривается задача повышения точности измерений оптического газо-анализатора, работающего на принципе недисперсионной инфракрасной спектроскопии. Основными факторами, ограничивающими чувствительность, являются тепловой шум приемного устройства и долговременной температурный дрейф усилительного тракта. Цель исследования заключается в разработке алгоритма цифровой обработки выходного сигнала датчика, позволяющего выделить полезный сигнал на фоне помех. Предложен метод, основанный на регрессионном анализе (метод наименьших квадратов) с линейной аппроксимацией сигнала на скользящем интервале. Такой под-ход позволяет одновременно компенсировать низкочастотный тренд и снизить уровень случайной погрешности за счет усреднения множества отсчетов. Экспериментально определено оптимальное время накопления данных (не менее 20 с в каждом канале), при котором достигается требуемая погрешность измерения следовой концентрации CO 1 мг/м3.
Ключевые слова: NDIR-датчик, угарный газ, монооксид углерода, цифровая обработка сигналов, регрессионный анализ, метод наименьших квадратов.
Petrov V. V., Bakholdin A. V.
IMPROVING THE MEASUREMENT ACCURACY OF THE NDIR CARBON MONOXIDE SENSOR BASED ON NUMERICAL METHODS
(pp. 41-47)
Abstract. Modern environmental safety requirements require the control of trace concentrations (1 mg/m3) of carbon monoxide. The paper considers the problem of improving the measurement accuracy of an optical gas analyzer operating on the principle of non-dispersive infrared spectroscopy. The main factors limiting sensitivity are the thermal noise of the receiver and the long-term temperature drift of the amplification path. The aim of the research is to develop an algorithm for digital processing of the sensor output signal, which makes it possible to isolate a useful signal against the background of interference. A method based on regression analysis (least squares method) with linear approximation of the signal over a sliding interval is proposed. This approach allows you to simultaneously compensate for the low-frequency trend and reduce the level of random error by averaging multiple samples. The optimal data accumulation time (at least 20 s in each channel) has been experimentally determined, at which the required measurement error of a trace concentration of 1 mg/m3 is achieved.
Keywords: NDIR sensor, carbon monoxide, carbon monoxide, digital signal pro-cessing, regression analysis, least squares method.
В. В. Петров, А. В. Бахолдин (ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
V. V. Petrov, A. V. Bakholdin (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “ITMO National Research University”, St. Petersburg, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 января 2021 г. № 2 «Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания”». М., 2021.
2. Ваганов М. А. Спектральная диагностика процесса горения газообразного углеводородного топлива // Контроль. Диагностика. 2021. № 10. С. 12 – 17. DOI: 10.14489/td.2021.10.pp.012-017
3. Dinh T.-V., Son Y.-S., Kim J.-Ch., Choi I.-Y. A Review on Non-Dispersive Infrared Gas Sensors: Improvement of Sensor Detection Limit and Interference Correction // Sensors and Actuators. B: Chemical. 2016. Vol. 231. P. 529 – 538.
4. Jha R. K. Non-Dispersive Infrared Gas Sensing Technology: A Review // IEEE Sensors Journal. 2018. Vol. 18, No. 12. P. 4736 – 4748.
5. Zhang Y., Jiang P., Cao W., et al. High-Sensitivity Ethylene Gas Sensor Based on NDIR and Dual-channel Lock-in Amplifier // Optik. 2020. Vol. 223. P. 165630. DOI: 10.1016/j.ijleo.2020.165630
6. Hodgkinson J., Tatam R. P. Optical Gas Sensing: A Review // Measurement Science and Technology. 2013. Vol. 24, No. 1. P. 12004.
7. Hodgkinson J., Tatam R. P. Non-Dispersive Infra-Red (NDIR) Measurement of Carbon Dioxide at 4.2 μm in a Compact and Optically Efficient Sensor // Sensors and Actuators. B: Chemical. 2013. Vol. 186. P. 580 – 588.
8. Кочелаев Е. А., Петров В. В. Разработка малогабаритного оптического датчика монооксида углерода с пороговой чувствительностью 1 мг/м3 (0.85 ppm). Оценка избирательности измерений // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131, № 10. С. 1431 – 1440.
9. Zhou Y., Zhang C., Wang H. Perspective on CO Oxidation over Pd-Based Catalysts // Catalysis Science & Technology. 2015. Vol. 10. P. 695 – 711.
10. Zhou W., He J., Mingqi T., et al. Improved Response Speed of NDIR SF6 Gas Sensors with Regression Kalman Data Fusion Algorithm // IEEE Sensors Journal. 2024. Vol. 24, No. 20. P. 31945 – 31955. DOI: 10.1109/JSEN.2024.3453490
11. Spinelle L., Gerboles M., Villani M. G., et al. Field Calibration of a Cluster of Low-Cost Commercially Available Sensors for Air Quality Monitoring. Part B: NO, CO and CO2 // Sensors and Actuators. B: Chemical. 2017. Vol. 238. P. 706 ‒ 715. DOI: 10.1016/j.snb.2016.07.036
12. Mao K., Xu J., Jin R., et al. A Fast Calibration Algorithm for Non-Dispersive Infrared Single Channel Carbon Dioxide Sensor Based on Deep Learning // Computer Communications. 2021. Vol. 179. P. 175 ‒ 182. DOI: 10.1016/j.comcom.2021.08.003
13. Осипов К. О., Загидулин Р. В., Загидулин Т. Р. К вейвлетному преобразованию сигнала акустического преобразователя на основе функций алгебраического типа // Контроль. Диагностика. 2016. № 10. С. 34 – 43. DOI: 10.14489/td.2016.10.pp.034-043
14. Ch'ien L.‑B., Chen N.‑K., Kuo W.‑C., Liao C.‑R. Noise Suppression: Empirical Modal Decomposition in Non-Dispersive Infrared Gas Detection Systems // Infrared Physics & Technology. 2020. Vol. 108. DOI: 10.1016/j.infrared.2020.103335
15. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. 12-е изд., перераб. М.: Юрайт, 2020. 479 с.
16. He Z., Tian S., Jiao M., et al. Sub-ppm NDIR SF₆ Gas Sensor using ICEEMDAN-SG Joint Denoising Algorithm // Infrared Physics & Technology. 2024. Vol. 139. DOI: 10.1016/j.infrared.2024.105273
17. Gaynullin B., Hummelgård C., Mattsson C., et al. Advanced Pressure Compensation in High Accuracy NDIR Sensors for Environmental Studies // Sensors. 2023. Vol. 23, No. 5. P. 2872. DOI: 10.3390/s23052872
18. Sun R., Li G., Yuan H., et al. A NDIR CO Sensor Enhanced by Machine Learning Algorithm Applying in Gas Outburst Early Warning // Infrared Physics and Technology. 2025. Vol. 147. P. 105801. DOI: 10.1016/j.infrared.2025.105801
19. Малышева Т. А. Численные методы и компьютерное моделирование. Лабораторный практикум по аппроксимации функций: учеб.-метод. пособие. СПб.: Ун-т ИТМО, 2016. 33 с.
20. Glasgow Larry A. Applied Mathematics for Science and Engineering / Department of Chemical Engineering, Kansas State University. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2014. 248 p. ISBN 978-1-118-74992-0.
1. Chief State Sanitary Physician of the Russian Federation. (2021). Resolution No. 2 of January 28, 2021 “On approval of sanitary rules and norms SanPiN 1.2.3685-21 ‘Hygienic standards and requirements for ensuring safety and (or) harmlessness of environmental factors for humans’”. [in Russian language].
2. Vaganov, M. A. (2021). Spectral diagnostics of the combustion process of gaseous hydrocarbon fuel. Kontrol'. Diagnostika, (10), 12–17. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/td.2021.10.pp.012-017
3. Dinh, T.-V., Son, Y.-S., Kim, J.-C., & Choi, I.-Y. (2016). A review on non dispersive infrared gas sensors: improvement of sensor detection limit and interference correction. Sensors and Actuators B: Chemical, 231, 529–538.
4. Jha, R. K. (2018). Non dispersive infrared gas sensing technology: a review. IEEE Sensors Journal, 18(12), 4736–4748.
5. Zhang, Y., Jiang, P., Cao, W., et al. (2020). High sensitivity ethylene gas sensor based on NDIR and dual channel lock in amplifier. Optik, 223, Article 165630. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165630
6. Hodgkinson, J., & Tatam, R. P. (2013a). Optical gas sensing: a review. Measurement Science and Technology, 24(1), Article 012004.
7. Hodgkinson, J., & Tatam, R. P. (2013b). Non dispersive infra red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2 μm in a compact and optically efficient sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 186, 580–588.
8. Kochelaev, E. A., & Petrov, V. V. (2023). Development of a compact optical carbon monoxide sensor with a threshold sensitivity of 1 mg/m³ (0.85 ppm). Assessment of measurement selectivity. Optika i spektroskopiya, 131(10), 1431–1440. [in Russian language].
9. Zhou, Y., Zhang, C., & Wang, H. (2015). Perspective on CO oxidation over Pd based catalysts. Catalysis Science & Technology, 10, 695–711.
10. Zhou, W., He, J., Mingqi, T., et al. (2024). Improved response speed of NDIR SF₆ gas sensors with regression Kalman data fusion algorithm. IEEE Sensors Journal, 24(20), 31945–31955. https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3453490
11. Spinelle, L., Gerboles, M., Villani, M. G., et al. (2017). Field calibration of a cluster of low cost commercially available sensors for air quality monitoring. Part B: NO, CO and CO₂. Sensors and Actuators B: Chemical, 238, 706–715. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.07.036
12. Mao, K., Xu, J., Jin, R., et al. (2021). A fast calibration algorithm for non dispersive infrared single channel carbon dioxide sensor based on deep learning. Computer Communications, 179, 175–182. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2021.08.003
13. Osipov, K. O., Zagidulin, R. V., & Zagidulin, T. R. (2016). On wavelet transformation of an acoustic transducer signal based on algebraic type functions. Kontrol'. Diagnostika, (10), 34–43. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/td.2016.10.pp.034-043
14. Ch’ien, L.-B., Chen, N.-K., Kuo, W.-C., & Liao, C.-R. (2020). Noise suppression: Empirical modal decomposition in non dispersive infrared gas detection systems. Infrared Physics & Technology, 108, Article 103335. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103335
15. Gmurman, V. E. (2020). Probability theory and mathematical statistics (12th ed.). Yurayt. [in Russian language].
16. He, Z., Tian, S., Jiao, M., et al. (2024). Sub ppm NDIR SF₆ gas sensor using ICEEMDAN SG joint denoising algorithm. Infrared Physics & Technology, 139, Article 105273. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2024.105273
17. Gaynullin, B., Hummelgård, C., Mattsson, C., et al. (2023). Advanced pressure compensation in high accuracy NDIR sensors for environmental studies. Sensors, 23(5), Article 2872. https://doi.org/10.3390/s23052872
18. Sun, R., Li, G., Yuan, H., et al. (2025). A NDIR CO sensor enhanced by machine learning algorithm applying in gas outburst early warning. Infrared Physics and Technology, 147, Article 105801. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2025.105801
19. Malysheva, T. A. (2016). Numerical methods and computer modeling: Laboratory workshop on function approximation. ITMO University. [in Russian language].
20. Glasgow, L. A. (2014). Applied mathematics for science and engineering. John Wiley & Sons.
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 700 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/td.2026.07.pp.041-047
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 700 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/td.2026.07.pp.041-047
and fill out the form
.
|
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»