CN102944364A

CN102944364A - 一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置及方法

Info

Publication number: CN102944364A
Application number: CN2012104867473A
Authority: CN
Inventors: 赵建华; 陈迎春
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: CN102944364B

Abstract

本发明提供一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置及方法，该装置由红外光源（1），聚光镜（2），温度探测器（3），锥形集光器（4），测量滤光片（5），参比滤光片（6），双通道红外探测器（7），反射镜（8），反射镜座（9），支架（10），过滤保护罩（11），防水防尘透气膜（12）和电路板（13）组成一个整体，该装置采用双波长红外监测原理，辅以合理的结构设计，自带温度补偿、具有网络输出功能，具有监测精度高、稳定可靠等优点，满足基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测的需要。

Description

一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置及方法

技术领域

本发明属于可燃气体泄漏监测领域，具体涉及一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置及方法，其为采用双波长红外监测原理、自带温度补偿、具有网络输出功能的碳氢可燃气体泄漏监测装置及方法。

背景技术

燃气的普及，提高了生产效率和人民的生活质量，但在生产和使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的可燃气体爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁。对燃气泄漏进行监测报警，能有效监测环境中可燃气体或毒性气体的浓度，起到安全防范作用。在燃气泄漏监测报警装置中，可燃气体监测传感装置是其核心部件，其性能决定着监测报警仪器的可靠性。目前，常用的自动监测碳氢可燃气体（CH4）泄漏的装置，大多采用催化燃烧式和电化学气体传感器，但这些气体传感器存在着易受环境影响、准确性和可靠性差、使用寿命短、维护成本高、易产生催化中毒等种种弊端。

双波长红外气体泄漏监测是目前研究的热点之一，具备如下优点：能测量多种气体、测量范围宽、灵敏度高、精度高、稳定性好、具有良好的选择性、可靠性高、寿命长。

近年来，随着物联网技术的发展，物联网应用领域越来越广泛，所带来的便利性和经济效益也非常巨大，迫切需要基于网络传输的可燃气体泄漏监测技术和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置及方法。该装置采用双波长红外监测原理，辅以合理的结构设计，自带温度补偿、具有网络输出功能，具有监测精度高、稳定可靠等优点，满足基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测的需要。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置，该装置包括：红外光源，聚光镜，温度探测器，锥形集光器，测量滤光片，参比滤光片，双通道红外探测器，反射镜，反射镜座，支架，过滤保护罩，防水防尘透气膜和电路板；具有开孔的所述的支架形成一个中空的气室，该支架上紧贴一层防水防尘透气膜，外面再套上过滤保护罩，在支架的一端安装反射镜，通过反射镜座固定并与支架相连，另一端设置红外光源和双通道红外探测器，红外光源前端设置有聚光镜，双通道红外探测器前面设置有测量滤光片和参比滤光片，测量滤光片和参比滤光片前端设置有锥形集光器，温度探测器置于气室中聚光镜与锥形集光器之间的空隙位置，电路板固定于支架上。

其中，所述的电路板包括信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、光源驱动模块和网络输出模块，其中，由光源驱动模块通过与外部电源相连，提供该装置工作所需的电压；该装置探测被测气体共产生三个信号：温度信号、测量信号和参比信号；所产生的测量信号和参比信号，通过输入信号调理模块进行放大、滤波和输入A/D转换模块转换成数字信号后，输入数据处理模块；而所产生的温度信号为数字信号，直接输入数据处理模块；信号经过数据处理后，计算得到被测气体浓度值；此值通过网络输出模块输出到远程终端，该网络输出模块采用TCP/IP协议。

其中，所述的电路板有外壳保护和固定，并与支架之间密封。

其中，所述的测量滤光片和参比滤光片均为窄带干涉滤光片。

其中，针对碳氢可燃气体选择的测量滤光片的中心波长为3.4μm±70nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm。

本发明另外提供一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测方法，泄漏的碳氢可燃气体在与空气混合后，经自然扩散进入上述的基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置中，首先经过过滤保护罩的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜彻底滤除水分和灰尘，通过支架上的开孔进入气室，在气室中，由光源驱动模块驱动红外光源发出的红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器将反射镜反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片和参比滤光片到达双通道红外探测器，双通道红外探测器两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测气体浓度，与此同时，温度探测器也将探测到的被测气体的温度输入到数据处理模块，数据处理模块再对被测气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测气体浓度，将此浓度通过网络输出模块输出到远程终端。

所述的数据处理模块在数据处理时针对被测气体的特性，采用多点标定方法，建立被测气体浓度计算模型。标定时，选择CH₄为被监测碳氢可燃气体的标准气体，在监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D，根据D值与标准浓度X₀值之间的对应关系建立被测气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内，实际监测时，数据处理模块接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型计算出对应的浓度值，然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的气体浓度，此浓度即为被测气体的真实浓度值，将此数值输出到网络输出模块，网络输出模块将此数值经网络输出接口对外输出到远程监控计算机。

本发明与现有技术相比的优点为：

本发明通过采用双波长红外监测原理，辅以合理的结构设计，设计出一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置。加入反射镜增加吸收长度，采用锥形集光器汇聚经反射镜反射的红外光，这些措施提高了监测装置的监测精度。采用防水防尘透气膜进行过滤、保护，在保证监测精度的同时，亦能对气室中光学元件进行保护。网络输出功能，使装置能够接入大型、远程网络监控系统。该装置引入了最新的物联网功能，符合未来技术发展的方向。

本发明基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测方法及装置是石油、化工、矿业工程等领域碳氢可燃气体泄漏监测和报警必不可少的关键技术，其推广应用将有利于提升这些行业的安全和保障相关从业人员的安全。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图；

图中：1.红外光源、2.聚光镜、3.温度探测器、4.锥形集光器、5.测量滤光片、6.参比滤光片、7.双通道红外探测器、8.反射镜、9.反射镜座、10.支架、11.过滤保护罩、12.防水防尘透气膜、13.电路板；

图2为本发明的装置的原理框图；

图3为七点标定方法流程图；

图4为本发明的数据处理流程图。

具体实施方式

本发明的最佳实施方案是采用抛物面聚光镜对红外光源发出的红外光进行聚焦和准直，采用球面反射镜和锥形集光器实现红外光的反射和汇聚，球面反射镜表面镀金，以确保红外探测器接收到足够的光强。采用防水防尘透气膜，既能有效地避免粉尘、水分等杂质对光学元件的影响，又能保证气体顺利进入气室，以获得较快的响应速度。

本实施例的结构如图1所示，由红外光源1，聚光镜2，温度探测器3，锥形集光器4，测量滤光片5，参比滤光片6，双通道红外探测器7，反射镜8，反射镜座9，支架10，过滤保护罩11，防水防尘透气膜12和电路板13组成。其构造是：具有开孔的支架10形成一个中空的气室，支架10上紧贴一层防水防尘透气膜12，外面再套上过滤保护罩11，在支架10的一端安装反射镜8，通过反射镜座9固定并与支架相连。另一端设置红外光源1和双通道红外探测器7，红外光源1前端设置有聚光镜2，双通道红外探测器7前面设置有测量滤光片5和参比滤光片6，测量滤光片5和参比滤光片6前端设置有锥形集光器4。温度探测器3设置于聚光镜2与锥形集光器3之间的空隙位置。电路板固定于支架10上，包括信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、光源驱动模块和网络输出模块，电路板有外壳保护和固定，并与支架之间密封。所述的测量滤光片5和参比滤光片6均为窄带干涉滤光片，针对碳氢可燃气体选择的测量滤光片5的中心波长为3.4μm±70nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片6的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm；所选用的温度探测器3为数字式温度探测器；网络输出接口选用常用的RJ45接口进行网络连接。

本实施例的原理框图见图2，包括光源驱动模块、红外探测组件、信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块和网络输出模块。其中，由光源驱动模块通过与外部电源相连，提供红外探测组件工作所需的电压；红外探测组件探测被测气体共产生三个信号：温度信号、测量信号和参比信号；所产生的测量信号和参比信号，通过输入信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号后，输入数据处理模块；而所产生的温度信号为数字信号，直接输入数据处理模块；经过数据处理后计算得到被测气体的浓度，通过网络输出模块（TCP/IP协议）输出到远程终端。

根据红外光谱理论，非对称极性分子由于内部偶极矩转动、振动等，对穿过气体分子的红外光产生吸收。不同类型的气体分子偶极矩不同，使得一种气体分子对特定波长的红外光有明显的吸收作用。根据朗伯-比尔定律：I＝I₀exp(-μCL)；其中I为出射光强，I₀为入射光强，C为气体浓度，L为吸收长度，μ为气体的吸收系数，可改写为：

从以上公式可知，当吸收长度L与气体的吸收系数μ已知时，可以通过测量I和I₀的比值计算出被测气体的浓度，I和I₀的比值称为透射比实际应用中，由于红外光很容易受多种因素（如温度，电源电压波动，光源老化等）影响，仅通过单一光束透射光强的衰减不能足以准确地监测气体的泄漏。双波长红外监测原理在单波长红外监测的基础上增加一个参比波长，即选择被测气体对红外光吸收最强的吸收峰处的波长为测量波长，而选择另一个所有气体对其都不具有吸收能力的波长为参比波长，使用双通道红外探测器、双滤光片及处理双波长信号对应的电子电路及算法实现对气体泄漏的监测。通过一个测量滤光片和一个参比滤光片选择透过的波长，透过两个滤光片后，相应波长的红外吸收能量的变化反映到双通道红外探测器上，通过相应的信号处理和计算后，确定被测气体的存在及浓度信息。当气室中不存在被测气体组分时，双通道红外探测器接收到的是未被吸收的红外光，测量信号和参比信号相等；当气室中存在被测气体组分时，测量光束的能量被吸收，检测到的测量信号要小于参比光束的信号。设未通入被测气体时透过测量通道的光强为I₀，参比通道的光强为I₀′；通入一定浓度被测气体后测量通道的光强为I，参比通道光强为I′；则透射比T＝I₀′I/I₀I′。对确定的气体监测装置，有确定的I₀和I₀′的值，监测时只要测得I和I′，通过电路系统的信号处理后，就可以得到被测气体的浓度信息。这种参比处理能有效的消除光源不稳定、光电器件的零点漂移等对测量精度的影响，使得双波长红外监测具有较高的测量精度。

根据以上分析，基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测方法是：泄漏的碳氢可燃气体在与空气混合后，经自然扩散进入本装置，首先经过过滤保护罩11的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜12彻底滤除水分和灰尘，通过支架10上的开孔进入气室。在气室中，由光源驱动模块驱动红外光源1发出的红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜8上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器4将反射镜8反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片5和参比滤光片6到达双通道红外探测器7，双通道红外探测器7两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测气体浓度。与此同时，温度探测器3也将探测到的被测气体的温度输入到数据处理模块，数据处理模块再对被测气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测气体浓度，将此浓度通过网络输出模块（TCP/IP协议）输出到远程终端。

数据处理程序针对被测气体的特性，采用多点标定方法，建立被测气体浓度计算模型。标定时，选择CH₄为被监测碳氢可燃气体的标准气体，在监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D，根据D值与标准浓度X₀值之间的对应关系建立被测气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内。实际监测时，数据处理模块接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型计算出对应的浓度值。然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的气体浓度，此浓度即为被测气体的真实浓度值，将此数值输出到网络输出模块，网络输出模块（TCP/IP协议）将此数值经网络输出接口对外输出到远程监控计算机。

装置工作时，泄漏的碳氢可燃气体在与空气混合后，经自然扩散进入本装置，首先经过过滤保护罩11的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜12彻底滤除水分和灰尘，通过支架10上的开孔进入气室。在气室中，由光源驱动模块16驱动红外光源1发出红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体的吸收后，到达反射镜8上被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器4将反射镜8反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片5和参比滤光片6到达双通道红外探测器7，双通道红外探测器7两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，得到被测气体浓度。与此同时，温度探测器3也将探测到的被测气体的温度输入到数据处理模块，输出处理模块再对被测气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测气体浓度。最后将补偿后的浓度输入网络输出模块（TCP/IP协议）经网络输出接口对外输出到远程计算机，远程计算机可以对装置的监测状态和监测结果进行监控。

数据处理程序针对被测气体的特性，采用多点标定的方法，本实施例选择七个标定点，建立被测气体浓度计算模型，七点标定方法的流程见附图3。标定时，选择CH₄为被监测碳氢可燃气体的标准气体，在监测量程范围内选择7个浓度点，配制标准混合气，送入标准混合气后，根据测量电压V_m和参比电压V_Ref得到一个只包含气体浓度信息的变量D，根据D值与标准浓度X₀值之间的对应关系建立被测气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内。实际监测时，数据处理模块12接收测量电压V_m、参比电压V_Ref和温度T_m三个数值，先计算出气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型采用查表法计算出对应的浓度值X_m。然后根据温度T_m计算出温度补偿系数K进行温度补偿，得到补偿后的气体浓度X_T，此浓度即为被测气体的真实浓度值，将此数值输出到网络输出模块，网络输出模块（TCP/IP协议）将此数值经网络输出接口对外输出到远程监控计算机，其流程见附图4。

Claims

1.一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置，其特征在于：该装置包括：红外光源（1），聚光镜（2），温度探测器（3），锥形集光器（4），测量滤光片（5），参比滤光片（6），双通道红外探测器（7），反射镜（8），反射镜座（9），支架（10），过滤保护罩（11），防水防尘透气膜（12）和电路板（13）；具有开孔的所述的支架（10）形成一个中空的气室，该支架（10）上紧贴一层防水防尘透气膜（12），外面再套上过滤保护罩（11），在支架（10）的一端安装反射镜（8），通过反射镜座（9）固定并与支架（10）相连，另一端设置红外光源（1）和双通道红外探测器（7），红外光源（1）前端设置有聚光镜（2），双通道红外探测器（7）前面设置有测量滤光片（5）和参比滤光片（6），测量滤光片（5）和参比滤光片（6）前端设置有锥形集光器（4），温度探测器（3）置于气室中聚光镜（2）与锥形集光器（4）之间的空隙位置，电路板（13）固定于支架（10）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置，其特征在于：所述的电路板（13）包括信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、光源驱动模块和网络输出模块，其中，由光源驱动模块通过与外部电源相连，提供该装置工作所需的电压；该装置探测被测气体共产生三个信号：温度信号、测量信号和参比信号；所产生的测量信号和参比信号，通过输入信号调理模块进行放大、滤波和输入A/D转换模块转换成数字信号后，输入数据处理模块；而所产生的温度信号为数字信号，直接输入数据处理模块；信号经过数据处理后，计算得到被测气体浓度值；此值通过网络输出模块输出到远程终端，该网络输出模块采用TCP/IP协议。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置，其特征在于：所述的电路板（13）有外壳保护和固定，并与支架之间密封。

4.根据权利要求1所述的一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置，其特征在于：所述的测量滤光片（5）和参比滤光片（6）均为窄带干涉滤光片。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置，其特征在于：针对碳氢可燃气体选择的测量滤光片（5）的中心波长为3.4μm±70nm，半带宽为180nm±20nm，参比滤光片（6）的中心波长为3.93μm±20nm，半带宽为75nm±10nm。

6.一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测方法，其特征在于：泄漏的碳氢可燃气体在与空气混合后，经自然扩散进入权利要求1至5任一项所述的基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测装置中，首先经过过滤保护罩（11）的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜（12）彻底滤除水分和灰尘，通过支架（10）上的开孔进入气室，在气室中，由光源驱动模块驱动红外光源（1）发出的红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜（8）上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器（4）将反射镜（8）反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片（5）和参比滤光片（6）到达双通道红外探测器（7），双通道红外探测器（7）的两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测气体浓度，与此同时，温度探测器（3）也将探测到的被测气体的温度输入到数据处理模块，数据处理模块再对被测气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测气体浓度，将此浓度通过网络输出模块输出到远程终端。

7.根据权利要求6所述的一种基于网络传输的碳氢可燃气体泄漏监测方法，其特征在于：所述的数据处理模块在数据处理时针对被测气体的特性，采用多点标定方法，建立被测气体浓度计算模型；标定时，选择CH4为被监测碳氢可燃气体的标准气体，在监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D，根据D值与标准浓度X0值之间的对应关系建立被测气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内，实际监测时，数据处理模块接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型计算出对应的浓度值，然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的气体浓度，此浓度即为被测气体的真实浓度值，将此数值输出到网络输出模块，网络输出模块将此数值经网络输出接口对外输出到远程监控计算机。