CN101178351A - 光纤传感式ch4气体测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用双波长光纤传感器测量CH₄气体的仪器。两红外光交替通过光栅排列式光纤传感器发射到被测CH₄气体上，光被气体部分吸收后反射回光纤传感器，由接受光纤送至前置放大器转化为电信号后，由锁定放大电路处理后送到A/D转换器。信号处理系统将A/D转换后的信号交数据处理单元并划分为测量信号、测量光强度信号、参考信号和参考光强度信号。最后按照相应算法对数据进行处理，得到CH₄浓度。本发明解决了传统CH₄气体检测时电子气敏传感器容易中毒，且气敏传感器的敏感体电阻随外界温度变化而变化导致误报和漏报，采用光栅排列式发射－接受光纤束避免直接接触气体，同时辅以双波长比值法消除了其他气体成分对吸收波长的影响以及背景光的影响，提高了仪器的灵敏度和可靠性。

Description

光纤传感式CH4气体测量仪

[技术领域]

本发明涉及一种CH₄气体测量仪，属电子测量仪的技术领域。

[背景技术]

与传统的电子气敏传感器测量相比，红外测量法是几种快速测量方法之一，其原理是利用被测气体只吸收特定红外波长，不同浓度的气体对应不同的吸收光强，从而得到光强与浓度之间的关系。目前国内的CH₄气体测量仪，采用电子气敏传感器，将待测气体浓度通过气敏传感器进行电化学反应变化为电信号，在建立稳态以后将变化的电信号进行处理，但是传感器容易中毒，同时气敏传感器的敏感体电阻随温度的变化阻值也发生变化，容易受外界温度影响导致误报和漏报。国际上，美国IST公司生产的IQ-350系列便携式气体检测仪，可测定甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气等多种气体，其原理是主要采用气敏传感器进行电化学反应变化为电信号，根据电信号强度以此来测定气体浓度。它内置采样泵可以同时测定多种气体含量，无须分离气体。

[发明内容]

本发明的目的是推出一种光纤传感式CH₄气体测量仪，该仪器有信号处理电路采用的一般放大电路、光路结构简单、精度高等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤传感式CH₄气体测量仪，含CPU和连接在其上的外围电路：显示模块、键盘和校正模块、带正负输入范围的模数转换器A/D，模数转换器A/D的输出端与CPU的数据输入端连接，在CPU内部的ROM中存储有命令CPU执行的操作程序，所述的操作包括：扫描键盘和校正模块工作、控制LED驱动电路驱动测量LED和参考LED交替发光、接收模数转换器A/D输出端输出的数字量传感信号、控制显示模块显示测量结果。其特征在于，它还含LED驱动电路、测量LED、参考LED、双发射光纤束、接收光纤束、光电检测管和锁定放大电路，测量LED和参考LED的发射光的波长分别是3410nm和3600nm，组成双发射光纤束和接收光纤束的光纤均为石英多模光纤，双发射光纤束的出射端和接收光纤束的入射端合并成矩形的发射-接收面，发射-接收面与双发射光纤束的光轴垂直，双发射光纤束的出射端光纤和接收光纤的入射端的光纤以光栅排列型依次交替分布，双发射光纤束的光纤在发射光入射端处分成两个分束，所述的两个分束的两个入射面：测量光入射面和参考光入射面分别与各自的光轴垂直，测量光入射面和参考光入射面分别以紧贴方式对准测量LED和参考LED的发光面。接收光纤束的出射端为接收光出射面，接收光出射面与接收光纤束的光轴垂直，接收光出射面以紧贴方式对准光电检测管的感光面，LED驱动电路分别连接测量LED和参考LED，光电检测管的输出端接前置放大电路输入端，前置放大电路输出端与锁定放大电路的输入端连接，锁定放大电路的输出端与带正负输入范围模数转换器A/D的输入端连接。

与背景技术相比，本发明的CH₄气体测量仪具有以下优点：

(1)用光纤传感器代替传统的电子气敏传感器

传统电子气敏传感器容易中毒，同时气敏传感器的敏感体电阻随温度的变化阻值也发生变化，容易受外界温度影响导致误报和漏报。本发明的CH₄气体测量仪采用发射光纤束和接收光纤束作为发射-接收光路即测量传感光路，同时辅以双波长检测气体浓度，消除其他气体成分对吸收波长强度的影响，大大提高了仪器的灵敏度和可靠性。

(2)增强电路的抗干扰能力

由于LED发光功率比较小，被测信号在通过光纤以后是一个被噪声淹没的微弱电信号，用常规的方法很难将其有效的放大，因此采用锁定放大的原理来对光信号进行调制后，进行交流放大，并直流解调，利用这样的原理能改善信噪比，同时获得很高的增益和灵敏度，大幅度的提高了测量精度。

[附图说明]

图1为本发明的光纤传感式CH₄气体测量仪的结构框图。

图2为光纤传感器结构和其与样品盘的位置图。

图3为光纤传感器横截面图。

图4为本发明的光纤传感式CH₄气体测量仪电路图。

[具体实施方式]

由LED驱动电路(1)、测量LED(2)、参考LED(3)和会聚透镜(4、5)组成的LED驱动整体电路，由测量光纤束(111)、参考光纤束(113)和接收光纤束(112)组成的光纤束传感器(11)，由第一光电检测管(6)、第二光电检测管(13)、第一前置放大电路(12)、第二前置放大电路(14)以及锁定放大电路(15)组成的传感器信号接收电路，由CPU(17)、带正负输入范围A/D转换器(16)、显示模块(18)、键盘(19)和e²prom(20)组成的微机控制部分，由进气口(7)、出气口(9)、玻璃窗(10)和气室(8)组成的样品箱，共计五大块部分组成本发明仪器。

实施如下：

(1)LED驱动整体电路

LED驱动整体电路具体由芯片U1(NE555)、U2(74LS74)、U3(MAX4624)，测量LED(2)D1、参考LED(3)D2，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2，会聚透镜(4、5)和三极管T1组成。其连接如图4所示，U1(NE555)的1脚接地，2脚与6脚连接，3脚与U2(74LS74)的3脚连接，4脚接VCC，5脚接电容C2的一端，C2的另一端接地，6脚接C1和R1的公共端，C1的另一端接地，R1的另一端与7脚和R2的公共端连接，R2的另一端接VCC，8脚接VCC。U2(74LS74)的2脚与6脚相连，3脚与U1(NE555)的3脚相连，5脚接U9(CD4069)的1脚和R3的一端，R3的另一端接T1(9014)的基极。T1的发射极接地，集电极与测量LED(2)D1和参考LED(3)D2的负极相连。测量LED(2)D1的正极接R4的一端，R4的另一端接U3(MAX4624)的4脚，测量LED(2)的发射面正对会聚透镜(4)，参考LED(3)D2的正极接R5的一端，R5的另一端接U3(MAX4624)的6脚，参考LED(3)的发射面正对会聚透镜(5)，U3的1脚和J1(CPU的P1.1引脚)相连，2脚接VCC，3脚接地，5脚和2脚相连。

(2)光纤束传感器(11)

光纤束传感器(11)是由双发射光纤束(110)和接收光纤束(112)组成的，其中双发射光纤束(110)中的测量光纤束(111)用来传输测量LED(2)发射的光信号，参考光纤束(113)用来传输参考LED(3)发射的光信号，接收光纤束(112)用来接收从气室(8)中反射回来的光信号。

(3)传感器信号接收电路

传感器信号接收电路具体由第一光电检测管(6)D3，第二光电检测管(13)D4，U0(AD8627)、U4(AD8627)、U50(AD797)、U51(AD797)、U52(AD797)、U53(AD797)、U6(MAX4624)、U7(OP07)、U8(CD4066)、U9(CD4069)，电阻R0、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19，电容C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10和C11组成第一前置放大电路(12)、第二前置放大电路(14)以及锁定放大电路(15)电路，其连接如图4所示。U9(CD4069)的1脚接U8(CD4066)的12脚，2脚接U8的6脚。第一光电检测管(6)D3的阳极接地，阴极接U4(AD8627)的2脚和R6的一端。U4的3脚接地，6脚接R6的另一端、接R7的一端和U0(AD8627)的6脚，7脚接U6(MAX4624)的4脚。第二光电检测管(13)D4的阳极接地，阴极接U0(AD8627)的2脚和R0的一端。U0的3脚接地，6脚接R0的另一端和R7的一端，7脚接U6(MAX4624)的6脚。U6的1脚和J2(CPU的P1.2引脚)相连，2脚接VCC，3脚接地，5脚和2脚相连。R7的另一端接C3、C4和R8的公共端，R8另外一端接地，C3的另一端接U50(AD797)的2脚和R9的一个公共端，C4和R9的另一个公共端和U50的6脚相连，U50的3脚接地，6脚接R10的一端。R10的另一端接C5、C6和R11的公共端，R11的另外一端接地，C5的另一端接U51(AD797)的2脚与R12的一个公共端，C6和R12的另一个公共端和U51的6脚相连，U50的3脚接地，6脚接C7的一端。C7的另一端接R13的一端，R13的另一端接U52(AD797)的2脚与R14的一端，R14的另一端和U52的6脚相连，U52的3脚接地，6脚接C8的一端和U8(CD4066)的8脚，C8的另一端接R15的一端，R15的另一端接U53(AD797)的2脚与C9和R16的一个公共端，C9和R16的另一个公共端和U53的6脚相连，U53的3脚接地，6脚接U8(CD4066)的10脚，U8的9脚和11脚相连接R17的一端，R17的另一端接C10、R18和R19的公共端，U7(OP07)的2脚接C11和R19的一个公共端，C10的另一端和U7的3脚接地，6脚接C11和R18的另一个公共端，6脚的输出接A/D(16)的输入端。

(4)微机控制部分

微机控制部分是由CPU(17)、带正负输入范围A/D转换器(16)、显示模块(18)、键盘(19)和e²prom(20)组成。CPU(17)的存储器中已固化有执行以下操作的程序：定标、测量、显示和校正程序。

工作原理

CH₄气体在3.392μm处存在着较强的吸收带。因此当波长3.392μm的近红外光纤照射到CH₄气体上，大部分光将被样品吸收，少部分则被其漫射掉。所以只要测出测量和参考各自的入射光、反射光的强度，就能获取CH₄气体浓度含量。

对于光强为I₀，波长为λ的光束入射到样品箱的气室(8)中，样品在λ处具有吸收带由Beer-Lambert理论，气室(8)出射光的强度为：

I＝I₀*10^-εcz＝I₀exp(-a_mCZ)                 (1)

式中C为样品的浓度；Z为气室(8)长度；ε为摩尔消光系数；而a_m为吸收系数。从场的角度看，在气室(8)长度Z方向传输的光波的电场可以表示为：

E＝E₀*exp(ωt-βz)                          (2)

其中：ω是角频率，β是传播常数。

如果用复折射率来描述样品的吸收，则：

β＝k₀n＝k₀(n_r-jk)                          (3)

式中k₀＝2π/λ，n_r和k分别为复折射率的实部和虚部。因此(2)式可以写为：

E＝E₀exp(-k₀kz)exp[j(ωt-k₀n_rz)]            (4)

因为光强与场强幅度的平方成正比，则有：

I＝I₀exp(-2k₀kZ)                            (5)

比较式(1)和式(5)，复折射率的虚部与摩尔消光系数或者吸收系数有关。

k＝0.183εCλ＝a_mCλ/(4π)                  (6)

k的值可以从吸收测量的数据中获得。CH₄在3.392μm的吸收系数a_m＝8.3at^-1□cm^-1，k＝2.24*10^-4at^-1。当a_mCz《1时，由(1)式得：

I_r＝(I-I₀)/I₀＝2a_mCz                        (7)

因此只要测得反射光强I_r和z的值，就可计算出气体的浓度含量。

在双发射光纤束(110)中引出部分光纤，将引出的光信号送到第二光电检测管D4(13)上以监视光功率飘移的情况，同时将光信号转化为电信号送到后端CPU(17)采用比值的方式消除发射光功率飘移对测量的影响。

由于所选波长不是石英光纤的弱衰减区，光强在透过光纤后的损耗比较大，由实际测量的光纤丝衰减参数有，

300*L≤α≤600*L            (dB)

式中α为衰减因子，单位是dB，L为光纤长度，单位是km。实际使用的光纤长度为10cm，也就是10^-4km，那么有

0.03≤α≤0.06(dB)

计算最差情况有：

α＝0.06(dB)

又由光透过率有，

$T=\left(\frac{I}{I^{\′}}\right)*100\%\≥50\%$

假设发光功率为P_i，直接耦合的效率为C₁，并采用最差光透过率(T＝50％)和衰减因子(α＝0.06)，那么可以由下式得出得到出纤功率

10lg[P₀/(TP_i C₁)]＝-0.06

P₀＝0.4931P_i C₁                             (8)

这里需要注明的是，由于采用两种波长来测量，因此其在光纤中的传输损耗并不一致，这种差异必需考虑，而这样的差异从统计学角度来考虑应该是一个比例常数，设为C₂，因此我们得到了两个波长的出纤功率，假设参考光出纤功率是P_o，那么测量光出纤功率为C₂P_o。

假设从发射光纤传导的光在空气中没有损耗，即照射到样品上的功率为出纤功率P_o(参考光)，被CH₄吸收后产生的损耗比例因子为C_M，漫反射损耗的比例因子为C₄，那么进入接收光纤的光功率P₁为

P₁＝C_MC₄P_o

将P₀＝0.4931C₁P_i带入上式并整理得到，

P₁＝0.4931C₁P_iC₄C_M

又由于光通过接收光纤的过程和光通过发射光纤的过程一致，所以式(8)仍然适用，那么到达检测管的光功率P₂为

P₂＝0.4931C₁ P₁＝(0.4931C₁)²P_i C₄C_M

上式仅考虑到发射光线为参考光的情况，测量光的出纤功率C₂P_o那么检测管接收到的测量光信号P₂′为：

P₂′＝(0.4931C₁C₂)²P_i C₄C_M

定义参考光不被CH₄吸收，其强度调制损耗因子C_M＝1。那么反射率R(测量光功率/参考光功率)为

$R=\frac{P_2^{\′}}{P_2}=\frac{{\left(0.4931C_1{C}_2\right)}^2{P}_i{C}_4{C}_M}{{\left(0.4931C_1\right)}^2{P}_1{C}_4}=C_2^2{C}_M$

分析上式我们可以看出，比率R包涵两项，其中一项C₂和光纤对波长的固有损耗有关，是一个常数，剩下的一项C_M就是(7)式中的I_r，因此只要分别测得测量光功率和参考光功率就能得到与CH₄相关的比值，从而测得CH₄含量。

测定样品气体所含的CH₄含量时，将本CH₄测量仪的发射-接收面靠近玻璃窗(10)表面，距离表面5mm左右。该仪器采用双波长反射式红外检测法测定被测样品所含的CH₄含量。CPU(17)控制LED驱动电路(1)工作，分别驱动测量LED(2)输出端和参考LED(3)交替发射红外光。测量LED(2)和参考LED(3)发射的红外光的波长分别是3410nm和3600nm。测量LED(2)和参考LED(3)发射的红外光分别通过双发射光纤束(110)的入射端处的两个入射面，传导至矩形的发射-接收面，照射到被测样品气体上。被测样品气体的反射光通过光栅形的接收光入射面和接收光纤束(112)，传导至接收光出射面，照射到光电检测管的感光面。光电检测管的感光面将接收到的反射光信号转换成电信号，从其输出端输出到对应的前置放大电路输入端，前置放大电路输出端将信号送到锁定放大电路(15)的输入端。光电检测管以及对应的前置放大电路通过光电转换将接收到的微弱的调制光信号转换成微弱的调制电信号，作为锁定放大电路(15)的输入信号。该输入信号属于模拟信号。锁定放大电路(15)对该输入信号进行滤波、放大、解调。然后锁定放大电路(15)把放大的输出信号传送至A/D转换器(16)的输入端。A/D转换器(16)将其输入端的模拟信号转换成数字信号，从其输出端输出至CPU(17)的数据输入端。CPU(17)利用输入的数字信号，计算出被测CH₄气体含量。同时CPU(17)控制显示模块(18)显示出被测CH₄气体含量。

仪器在使用前首先要进行定标。采用标准化学反应法制备一定浓度的CH₄气体样品，然后把这些标准样品送入仪器的样品箱的气室(8)中测量，测量的过程是：如图4所示在接通电源后，U1(555时基电路)产生一个36kHz的电脉冲信号，该信号经后端连接的2分频D触发器U2产生一个频率为18KHz、占空比为1∶1的方波信号，此方波信号作为调制信号经一个电阻接在三极管T1(9014)的基极，而三极管的发射极接地，集电极接测量LED(2)和参考LED(3)(D1与D2)的负极，5V的电压经2选1开关U3(MAX4624)连接到测量LED(2)或者参考LED(3)的正极，这样无论哪个LED工作，它发出的都是一个10KHz的调制光信号，而通过CPU(17)控制U3(MAX4624)就可以具体选择测量LED(2)或者参考LED(3)工作。

此外5V的电压经2选1开关U6(MAX4624)连接到U0与U4的7脚，通过CPU(17)控制U6(MAX4624)的1脚就可以选择哪个光电检测管工作了。在按下测量键后，CPU(17)通过U3的1脚(IN)控制测量LED(2)和参考LED(3)(D1和D2)轮流工作，经双发射光纤束(110)对样品进行分别照射，再通过U6的1脚(IN)控制第一光电检测管(6)D3和第二光电检测管(13)D4轮流工作。先使测量LED(2)D1和第一光电检测管(6)D3工作，图4中第一光电检测管(6)D3接收到测量波长的光后转化为微弱的电流信号，光电流经过跨导放大器U4后其输出是一个电压信号，由于该电压信号是被噪声淹没的微弱电压信号，因此为了得到所需要的18KHz左右的电信号，我们在跨导放大器后连接了2级带通滤波器(由U50和U51组成)，其目的就是对有用信号进行选频放大，在第2级带通滤波器的输出端接一个高通滤波器(U52)，其输出与U53的输出分别连接U8(CD4066)的两个开关的一端，这两个开关的另一端相连并连接一个低通滤波器U7，其控制选通信号是由调制方波信号和其反相信号给出的(反相信号由图4中的数字反相器U9-CD4069给出的)，电子开关作乘法器使用，使滤波后的有用信号和电参考信号相乘，得到有用信号的各次谐波分量之和，这些谐波分量之和进入低通滤波器U7后，高频分量被滤除，只剩下和第一光电检测管(6)D3输出电流信号成比例的直流电压分量，而第一光电检测管(6)D3电流信号的强弱是与CH₄气体含量成正比的，因此该直流分量与CH₄气体含量成正比，该信号通过模数转换就能在CPU(17)中得到与测量光信号相应的电压数字量。然后仪器自动关闭第一光电检测管(6)D3并打开第二光电检测管(13)D4，按照上面的过程测量出测量发射光功率对应的电压值，前面获得的和CH₄有关的电压值与此电压值相比产生的比值，消除光功率飘移带来的影响。然后使参考LED(3)D2工作，同样地也能得到参考LED(3)发射的光信号对应的比值。让这两个比值再相比(测量比参考)就能得到一个新比值。由于在定标阶段被测量CH₄气体含量已知，因此该新比值就对应了已知的CH₄气体浓度。通过对不同CH₄气体含量的测量就能一条CH₄气体含量和比值的关系曲线，对曲线进行曲线拟合可得到该曲线的函数表达式，并固化在CPU(17)的存储器中。

用户使用时，把需测量CH₄气体通过进气口(7)送入样品箱的气室(8)中，启动电源并按下测量键后，在CPU(17)中稍候就能获得一个与该测量CH₄气体相对应的比值，把该比值代入已建立的函数关系式中，便得到其浓度值，然后把测得的浓度值在显示模块(18)上显示出来，一次CH₄气体浓度测量就完成了。

每过一段时间要对仪器进行校准，就是用不同标准浓度气体通过仪器检测，把仪器显示出来的各个值与对应的气体实际值的差值作为一个修正因子，通过键盘(19)将数据输入到CPU(17)中并由e²prom 2404(20)存储起来，以保证仪器可以长期正常工作。

Claims (3)

1.一种光纤传感式CH₄气体测量仪，其特征在于包含测量LED(2)、参考LED(3)、由测量光纤束(111)和参考光纤束(113)组成的双发射光纤束(110)、接收光纤束(112)、第一光电检测管(6)、第二光电检测管(13)、气室(8)；

测量光路中的测量光纤束(111)输入端和测量LED(2)相连并耦合测量LED(2)发射出来的光，测量光纤束(111)输出端被一分为二，一部分光纤被连接到双发射光纤束(110)的出射端，另外一部分被连接到第一光电检测管(6)上，将测量LED(2)发射的光信号送到第一光电检测管(6)感光面上；

参考光路中的参考光纤束(113)输入端和参考LED(3)相连并耦合参考LED(3)发射出来的光，参考光纤束(113)输出端也被一分为二，一部分光纤被连接到双发射光纤束(110)的出射端，另外一部分被连接到第一光电检测管(6)上，将参考LED(3)发射的光信号送到第一光电检测管(6)感光面上；

接收光路中的接收光纤束(112)输入端和双发射光纤束(110)的出射端相连，接收气室(8)中被样品气体部分吸收后反射的测量LED(2)光信号以及参考LED(3)的光信号，接收光纤束(112)输出端被连接到第二光电检测管(13)上，将接收到的反射光信号送到第二光电检测管(13)感光面上；

双发射光纤束(110)的出射端和接收光纤束(112)的入射端合并成矩形的发射-接收端面，发射-接收面与双发射光纤束(110)的光轴垂直，双发射光纤束(110)的出射端光纤和接收光纤束(112)的入射端的光纤以光栅排列型依次交替分布。

2.如权利1要求所述的光纤传感式CH₄气体测量仪，其特征在于测量LED(2)和测量光纤束输入端之间设置有会聚透镜(4)，参考LED(3)和参考光纤束输入端之间设置有会聚透镜(5)。

3.如权利1要求所述的光纤传感式CH₄气体测量仪，其特征在于双发射光纤束(110)使用双波长检测CH₄气体浓度，消除其他气体成分对特征吸收波长的影响。

Images