CN111912810A - 一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置及测量方法，由报警控制器、变送器、甲烷气体密封气室和传感探头组成。变送器包括处理器、驱动模块、光源、温控模块、光环路器、光开关、两个光电转换器、光电平衡探测器、模拟二值化、两个乘法器、模数转换器和数据发送模块。利用光电平衡探测器、模拟二值化和乘法器实现传感探头返回信号中甲烷气体吸收峰位置的准确定位，利用传感探头和甲烷气体密封气室返回的光强曲线等值交点，动态锁定甲烷吸收峰相邻两侧的波长区域，消除强干扰环境下由于甲烷气体分子的吸收谱线与水蒸气、其他碳氢化合物的吸收谱线重叠引起的测量精度严重下降。

Description

一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于气体浓度测量技术领域，具体涉及一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置及测量方法，可以实现强干扰环境下的甲烷气体浓度的测量。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

光纤甲烷气体浓度测量通常基于光谱吸收原理，综合利用可调谐半导体激光光谱吸收(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，通过检测光强衰减量获得甲烷气体的浓度。其中，气体分子光谱吸收是指某一波长范围内的光子被气体分子吸收的现象。甲烷分子在中红外和近红外波段存在多条吸收谱线。为了适于在普通石英光纤中传输，通常选择1654nm附近的吸收谱线作为传感系统工作波长。当光经过含有甲烷分子的被测气体时，特定波长的光子被甲烷分子吸收。因此光通过被测气体后，光强发生衰减，并且衰减程度与甲烷气体浓度呈线性关系。基于光谱吸收的气体传感系统可以通过测量光强的衰减量，间接获得被测气体的甲烷浓度值。

可调谐半导体激光光谱吸收技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性，通过调制激光器的波长，使激光器的波长扫描过被测气体分子的吸收峰，从而基于朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，使气体分子对被调制的激光进行吸收，从而根据吸收量实现对气体分子浓度的测量。朗伯-比尔定律的物理意义是，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质，比如甲烷气体时，其吸光度，即光强衰减量，与吸光物质的浓度成正比。

发明人发现，由于甲烷气体分子的吸收谱线，与水蒸气、其他碳氢化合物(例如乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)和丁烷(C₄H₁₀))的吸收谱线有许多重叠区域。因此，当光纤甲烷气体浓度测量系统应用在某些具有强干扰的特殊环境，比如带有煤气管道的地下城市综合管廊、燃气站、加油站等，测量结果会受到其他气体成分的极大影响。而且，甲烷气体分子的吸收谱线与水蒸气、其他碳氢化合物(例如乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)和丁烷(C₄H₁₀))的吸收谱线非常近似，这种影响是无法使用传统的差分测量方法进行消除的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置及测量方法。

为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，包括：依次信号连接的检测模块、变送器和报警控制器；

其中，检测模块包括至少一个传感探头和气体密封气室，传感探头和气体密封气室均通过光纤与变送器的光环路器连接；

变送器中：

处理器、驱动模块、光源和光环路器依次信号连接；

光环路器、光开关、光平衡探测器、模拟二值化、乘法器组件、模数转换器和处理器依次信号连接，其中，乘法器组件包括乘法器1和乘法器2，两者并联；

光开关、光电转换器1和乘法器1依次信号连接；

光环路器分别与光平衡探测器和光电转换器2信号连接；

光开关和数据发送模块与处理器信号连接，数据发送模块与报警控制器的数据接收模块信号连接。

第二方面，提供一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法，包括如下步骤：

光源在驱动模块的斜波信号激励下，产生连续光信号，连续光信号覆盖甲烷气体的吸收峰；

光环路器接收光源的连续光信号，分成N+1路，通过光纤将其传输给各个传感探头和气体密封气室；将传感探头反射回来的光信号传输给光开关，通过光开关依次将各路光信号传输给光电平衡探测器；将气体密封气室反射回来的光信号传输给光电平衡探测器；

光电平衡探测器将两路光信号转换为一路电信号输出至模拟二值化；

模拟二值化将电信号在前后两个峰值之间输出定值电压的模拟电信号，两个峰值点之外输出0V的模拟电信号；乘法器1和乘法器2接收模拟电信号；

光电转换器1接收光开关传输的一路传感器探头返回的光信号，输出给乘法器1；

光电转换器2接收甲烷气体密封气室返回的光信号，输出给乘法器2；

乘法器1和乘法器2将光波长范围在甲烷吸收峰相邻两侧的电信号传输给模数转换器；

模数转换器将电压信号转换为数字信号，并传输给处理器；

处理器以气体密封气室反射回来的光信号得到的数字量作为参考，对传感器探头返回的光信号得到的数字量进行标定，计算甲烷气体浓度值；

数据发送模块将处理器计算得到的甲烷气体浓度值传输给报警控制器。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法及装置，由报警控制器、变送器、甲烷气体密封气室和传感探头组成。报警控制器和变送器封装在主机箱内，放置在监控室、办公室等安全区域；甲烷气体密封气室和传感探头放置在甲烷气体可能泄露的危险区域；甲烷气体密封气室封闭有标准浓度甲烷气体，用来返回具有正确吸收峰位置的光强曲线；传感探头用来近距离测量甲烷气体浓度。主机和探头之间使用无源的长距离光纤连接。

变送器包括处理器、驱动模块、光源、温控模块、光环路器(1*(N+1)*(N+1))、光开关(1*N)、两个光电转换器、光电平衡探测器、模拟二值化、两个乘法器、模数转换器和数据发送模块。利用光电平衡探测器、模拟二值化和乘法器实现传感探头返回信号中甲烷气体吸收峰位置的准确定位，利用传感探头和甲烷气体密封气室返回的光强曲线等值交点，动态锁定甲烷吸收峰相邻两侧的波长区域，消除强干扰环境下由于甲烷气体分子的吸收谱线与水蒸气、其他碳氢化合物(例如乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)和丁烷(C₄H₁₀))的吸收谱线重叠引起的测量精度严重下降。

该抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法及装置，使用红外光信号对甲烷气体浓度进行测量。其信号传输媒介(光纤)和探头完全是无源的，无需供电，不存在升温或者燃烧现象，可以放置在靠近甲烷气体泄漏区域的危险位置，解决了传统甲烷气体报警装置安全性与监测需求的固有矛盾。

该抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法及装置，利用红外光信号的强度变化实现甲烷气体浓度检测，不存在探头中毒的情况，延长了工作寿命，降低了维护成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的报警控制器的结构示意图；

图3是本发明实施例的变送器的结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，本发明提供一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，包括：依次信号连接的检测模块、变送器和报警控制器；

其中，检测模块包括至少一个传感探头和气体密封气室，传感探头和气体密封气室均通过光纤与变送器的光环路器连接；

变送器中：

处理器、驱动模块、光源和光环路器依次信号连接；

光环路器、光开关、光平衡探测器、模拟二值化、乘法器组件、模数转换器和处理器依次信号连接，其中，乘法器组件包括乘法器1和乘法器2，两者并联；

光开关、光电转换器1和乘法器1依次信号连接；

光环路器分别与光平衡探测器和光电转换器2信号连接；

光开关和数据发送模块与处理器信号连接，数据发送模块与报警控制器的数据接收模块信号连接。

在一些实施例中，所述变送器还包括温控模块，温控模块与光源连接。用于控制光源的温度，使光源温度恒定，避免光信号的波长和功率受到环境温度变化的影响。

在一些实施例中，所述光纤为无源长距离传输光纤。

在一些实施例中，所述报警控制器内设置有数据接收模块、显示模块、继电器组和电源模块，显示模块、继电器组和电源模块均与数据接收模块连接。

进一步的，所述电源模块与变送器连接。为变送器进行供电。

进一步的，所述报警控制器还包括按键模块。

进一步的，所述报警控制器还包括声光报警器、指示灯和风机，三者均与继电器组连接。

更进一步的，所述指示灯包括运行指示灯、故障指示灯和电源指示灯。

第二方面，提供一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法，包括如下步骤：

光源在驱动模块的斜波信号激励下，产生连续光信号，连续光信号覆盖甲烷气体的吸收峰；

光环路器接收光源的连续光信号，分成N+1路，通过光纤将其传输给各个传感探头和气体密封气室；将传感探头反射回来的光信号传输给光开关，通过光开关依次将各路光信号传输给光电平衡探测器；将气体密封气室反射回来的光信号传输给光电平衡探测器；

光电平衡探测器将两路光信号转换为一路电信号输出至模拟二值化；

模拟二值化将电信号在前后两个峰值之间输出定值电压的模拟电信号，两个峰值点之外输出0V的模拟电信号；乘法器1和乘法器2接收模拟电信号；

光电转换器1接收光开关传输的一路传感器探头返回的光信号，输出给乘法器1；

光电转换器2接收甲烷气体密封气室返回的光信号，输出给乘法器2；

乘法器1和乘法器2将光波长范围在甲烷吸收峰相邻两侧的电信号传输给模数转换器；

模数转换器将电压信号转换为数字信号，并传输给处理器；

处理器以气体密封气室反射回来的光信号得到的数字量作为参考，对传感器探头返回的光信号得到的数字量进行标定，计算甲烷气体浓度值；

数据发送模块将处理器计算得到的甲烷气体浓度值传输给报警控制器。

在一些实施例中，甲烷气体的吸收峰的波长为1654nm。

在一些实施例中，定值电压的模拟电信号为1V的模拟电信号。

实施例

如图1所示，抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，由报警控制器、变送器、甲烷气体密封气室和传感探头组成。报警控制器和变送器封装在主机箱内，放置在监控室、办公室等安全区域；甲烷气体密封气室和传感探头放置在甲烷气体可能泄露的危险区域；甲烷气体密封气室封闭有标准浓度甲烷气体，用来返回具有正确吸收峰位置的光强曲线；传感探头用来近距离测量甲烷气体浓度。主机和探头之间使用无源的长距离光纤连接。

如图2所示，报警控制器按照功能分为数据接收模块、显示模块、按键模块、继电器模块、声光报警模块和电源模块。数据接收模块接收甲烷气体浓度的测量数据；显示模块显示甲烷气体浓度值、报警阈值、报警和故障信息；按键模块用于报警阈值的设置；继电器模块根据报警控制器的工作状态，进行电源灯、运行灯和故障灯的亮灭控制，以及外围声光报警器、风机的开关控制。电源模块用于报警控制器和变送器的供电。

如图3所示，变送器包括处理器、驱动模块、光源、温控模块、光环路器(1*(N+1)*(N+1))、光开关(1*N)、两个光电转换器、光电平衡探测器、模拟二值化、两个乘法器、模数转换器和数据发送模块。

处理器控制驱动模块产生合适的驱动电流信号，并接收模数转换器发送的数字信号，计算得到甲烷气体浓度值。

驱动模块在处理器的控制下，产生驱动光源所需要的电流信号，该电流信号的波形为斜波信号，使光源发出的连续光波长从λ₁扫描到λ₂，能够覆盖甲烷气体在1654nm波长附近的吸收峰。

光源在驱动模块的激励下，产生连续光信号，传输给光环路器。

温控模块用于控制光源的温度，使光源温度恒定，避免光信号的波长和功率受到环境温度变化的影响。

光环路器接收光源的光信号，将光信号分成N+1路，分别通过远距离光纤传输给探测区域的N个传感探头和1个甲烷气体密封气室，同时将传感探头反射回来的N路光信号传输给光开关，将甲烷气体密封气室反射回来的1路光信号传输给光电平衡探测器输入端口1。光开关在处理器的控制下，依次将N个传感探头返回的光信号传输给光平衡探测器输入端口2。

光平衡探测器将两路输入光信号转换为1路电信号输出，并且当两路输入光信号强度相同时，输出的电信号幅度最高。在单个斜波周期内，由于波长从λ₁扫描到λ₂，覆盖甲烷气体在1654nm波长附近的吸收峰，对于甲烷气体密封气室反射回来的光信号，强度曲线经历从强变弱再变强的过程；对于传感探头返回的光信号，由于空气中甲烷气体浓度未知，并且受到水蒸气和其他碳氢化合物吸收谱线的影响，当光波长从λ₁扫描到λ₂时，强度曲线变化不规则，但是总会与甲烷气体密封气室反射回来的光信号强度曲线存在两个等值交点，并且两个交点一定处于甲烷吸收峰相邻两侧。

模拟二值化接收光电平衡探测器输出的电信号，在前后两个峰值点之间输出1V的模拟电信号，两个峰值点之外输出0V的模拟电信号，输出连接两个乘法器。

光电转换器1接收光开关传输的1路传感探头返回的光信号，输出给乘法器1的另外一个输入端口。光电转换器2接收甲烷气体密封气室返回的光信号，输出给乘法器2的另外一个输入端口。

两个乘法器，在模拟二值化输出的高低电平控制下，仅输出光波长范围在甲烷吸收峰相邻两侧的相关电信号给模数转换器(光波长范围不在甲烷吸收峰相邻两侧时两个乘法器输出的电信号均为0V)。

模数转换器将电压信号转换为数字信号，传输给处理器。处理器根据甲烷气体密封气室反射回来的光信号得到的数字量作为参考，对传感探头返回的光信号得到的数字量对应的甲烷气体浓度进行标定。数据发送模块将处理器计算得到的甲烷气体浓度值传输给报警控制器。

抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法，具体包括如下步骤：

第1步，光源在驱动模块的斜波信号激励下，产生连续光信号，传输给光环路器。光源发出的连续光波长从λ₁扫描到λ₂，能够覆盖甲烷气体在1654nm波长附近的吸收峰。

第2步，光环路器接收光源的光信号，分成(N+1)路通过远距离光纤传输给探测区域的N个传感探头和1个甲烷气体密封气室，同时将传感探头反射回来的N路光信号传输给光开关，将甲烷气体密封气室反射回来的1路光信号传输给光电平衡探测器输入端口1。光开关在处理器的控制下，依次将N个传感探头返回的光信号传输给光平衡探测器输入端口2。

第3步，光平衡探测器将两路输入光信号转换为1路电信号输出，并且当两路输入光信号强度相同时，输出的电信号幅度最高。在单个斜波周期内，由于波长从λ₁扫描到λ₂，覆盖甲烷气体在1654nm波长附近的吸收峰，对于甲烷气体密封气室反射回来的光信号，强度曲线经历从强变弱再变强的过程；对于传感探头返回的光信号，由于空气中甲烷气体浓度未知，并且受到水蒸气和其他碳氢化合物吸收谱线的影响，当光波长从λ₁扫描到λ₂时，强度曲线变化不规则，但是总会与甲烷气体密封气室反射回来的光信号强度曲线存在两个等值交点，并且两个交点一定处于甲烷吸收峰相邻两侧。

第4步，模拟二值化接收光电平衡探测器输出的电信号，在前后两个峰值点之间输出1V的模拟电信号，两个峰值点之外输出0V的模拟电信号，输出连接两个乘法器。光电转换器1接收光开关传输的1路传感探头返回的光信号，输出给乘法器1的另外一个输入端口。光电转换器2接收甲烷气体密封气室返回的光信号，输出给乘法器2的另外一个输入端口。两个乘法器，在模拟二值化输出的高低电平控制下，仅输出光波长范围在甲烷吸收峰相邻两侧的相关电信号给模数转换器(光波长范围不在甲烷吸收峰相邻两侧时两个乘法器输出的电信号均为0V)。

第5步：模数转换器将电压信号转换为数字信号，传输给处理器。

第6步：处理器根据甲烷气体密封气室反射回来的光信号得到的数字量作为参考，对传感探头返回的光信号得到的数字量对应的甲烷气体浓度进行标定。数据发送模块将处理器计算得到的甲烷气体浓度值传输给报警控制器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：包括：依次信号连接的检测模块、变送器和报警控制器；

其中，检测模块包括至少一个传感探头和气体密封气室，传感探头和气体密封气室均通过光纤与变送器的光环路器连接；

变送器中：

处理器、驱动模块、光源和光环路器依次信号连接；

光环路器、光开关、光平衡探测器、模拟二值化、乘法器组件、模数转换器和处理器依次信号连接，其中，乘法器组件包括乘法器1和乘法器2，两者并联；

光开关、光电转换器1和乘法器1依次信号连接；

光环路器分别与光平衡探测器和光电转换器2信号连接；

光开关和数据发送模块与处理器信号连接，数据发送模块与报警控制器的数据接收模块信号连接。

2.根据权利要求1所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述变送器还包括温控模块，温控模块与光源连接。

3.根据权利要求1所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述光纤为无源长距离传输光纤。

4.根据权利要求1所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述报警控制器内设置有数据接收模块、显示模块、继电器组和电源模块，显示模块、继电器组和电源模块均与数据接收模块连接。

5.根据权利要求4所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述电源模块与变送器连接。

6.根据权利要求4所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述报警控制器还包括按键模块。

7.根据权利要求4所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述报警控制器还包括声光报警器、指示灯和风机，三者均与继电器组连接。

8.根据权利要求7所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量装置，其特征在于：所述指示灯包括运行指示灯、故障指示灯和电源指示灯。

9.一种抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

光源在驱动模块的斜波信号激励下，产生连续光信号，连续光信号覆盖甲烷气体的吸收峰；

光环路器接收光源的连续光信号，分成N+1路，通过光纤将其传输给各个传感探头和气体密封气室；将传感探头反射回来的光信号传输给光开关，通过光开关依次将各路光信号传输给光电平衡探测器；将气体密封气室反射回来的光信号传输给光电平衡探测器；

光电平衡探测器将两路光信号转换为一路电信号输出至模拟二值化；

模拟二值化将电信号在前后两个峰值之间输出定值电压的模拟电信号，两个峰值点之外输出0V的模拟电信号；乘法器1和乘法器2接收模拟电信号；

光电转换器1接收光开关传输的一路传感器探头返回的光信号，输出给乘法器1；

光电转换器2接收甲烷气体密封气室返回的光信号，输出给乘法器2；

乘法器1和乘法器2将光波长范围在甲烷吸收峰相邻两侧的电信号传输给模数转换器；

模数转换器将电压信号转换为数字信号，并传输给处理器；

处理器以气体密封气室反射回来的光信号得到的数字量作为参考，对传感器探头返回的光信号得到的数字量进行标定，计算甲烷气体浓度值；

数据发送模块将处理器计算得到的甲烷气体浓度值传输给报警控制器。

10.根据权利要求1所述的抗强干扰的光纤甲烷气体浓度测量方法，其特征在于：甲烷气体的吸收峰的波长为1654nm。

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