CN103207162B - 基于光纤传感的电缆隧道多种气体浓度在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤传感的电缆隧道多种气体浓度在线监测系统。本发明由可调谐激光器、环形器、1╳N路光开关、光缆、传感器探头、光电探测器、控制模块组成；所述可调谐激光器的输出端接环形器的输入端，环形器的一个输出端接1╳N路光开关的输入端，1╳N路光开关的每路光开关经一芯单模光纤接入一个传感器探头；所述环形器的另一输出端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接控制模块的相应输入端，所述控制模块的2个输出端分别接可调谐激光器和1╳N路光开关的相应输入端。本发明的优点是所用无源传感器探头适用多种气体，无现场供电设备带来的安全隐患，探头沿电缆分布，覆盖范围广，校准只需在机房内，免去现场校准困扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤传感技术的气体浓度监测系统，特别适用于在电缆隧道中对多种气体浓度进行在线监测。
背景技术
随着我国社会的进步和经济的发展，城市化进程不断加速发展，因此必然对城市所赖以存在和正常运作的各项公共基础设施建设不断提出更高的要求。就现代城市公共基础设施的重要组成部分—城市电网而言，电缆隧道的使用，是满足中心城区高负荷密度和电缆化的供电要求，有效保障电力通道的输送容量和提高通道资源利用率的重要措施；同时与电能输送电缆化相伴而生的城市电网隧道化及其隧道的网络化更已成为现代社会城市型电网的特色和发展方向。
但电缆隧道的安全问题，尤其是隧道内空气质量安全问题一直是监测难点。这是由于电缆隧道狭长，空间拥挤；隧道内大量绝缘材料老化易产生多种有毒有害气体；此外城市隧道内容易有沉积物质变质挥发气体产生，造成空气内含氧量的异常，有毒有害气体聚集且不易排出。这些不但会直接影响电缆设备的安全，提高隧道火灾的风险程度，更会威胁到进入隧道进行巡视维护工作人员的生命安全。
专利号为201120502920.5的《电缆隧道环境监控装置》和专利号为201220031550.6的《一种电缆隧道有害气体监测系统》提及对隧道内气体浓度的监测，但两者均采用传统电学型气体传感技术，应用于电缆隧道存在如下问题：
1.由于电缆隧道中需要对一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧气、硫化氢等多种气体浓度进行监测，因此需要在现场安装多个传感器。增加了系统成本和工程难度。
2.电学类传感器需要解决供电问题。而供电设备本身在复杂气体环境下存在安全隐患。
3.传感器然后通过485总线或CAN总线发送数据。上述总线方法传送距离有限，需要在电缆隧道内增设集中控制器或专用通信模块。增加了系统作业难度和复杂程度。
4.上述传感器布设于现场，系统校准和探头更换必须要在现场进行，增加了维护难度和成本。
光纤气体传感技术是近些年来涌现的先进传感技术。这种方案主要是利用气体都存在一定的光谱吸收能力来实现探测目的的。例如专利号为200610166511.6《光纤气体传感器光路自补偿的方法与装置》中，通过选取甲烷气体对应吸收谱线的激光器实现甲烷浓度的探测；专利号为200610069608.5《高性能光纤瓦斯传感器》则采用光纤光栅滤波器进行波长筛选。上述技术均限制于对某一种气体进行监测，无法适用于电缆隧道多种气体应用场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可调谐激光器光谱吸收型光纤气体传感技术，通过在隧道内设置多个气室连接成分布式监测网络的多种气体浓度在线监测系统。
本发明采用如下技术方案：
本发明由可调谐激光器、环形器、1╳N路光开关、光缆、传感器探头、光电探测器、控制模块组成；所述可调谐激光器的输出端接环形器的输入端，环形器的一个输出端接1╳N路光开关的输入端，所述1╳N路光开关的每路光开关连接一芯单模光纤，N芯所述单模光纤组成光缆，每条所述一芯单模光纤分别接入传感器探头；所述环形器的另一输出端接光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端接控制模块的相应输入端，所述控制模块的2个输出端分别接可调谐激光器和1╳N路光开关的相应输入端；
所述控制模块由存储和处理单元、激光器输出谱线控制单元、信号采集单元、光开关控制单元组成；所述存储和处理单元和光开关控制单元均为单片机，所述激光器输出谱线控制单元为电流源，所述信号采集单元为模数转换器；
所述存储和处理单元的输出端分别接激光器输出谱线控制单元和光开关控制单元的输入端，所述信号采集单元的输出端接存储和处理单元的输入端，所述激光器输出谱线控制单元的输出端接可调谐激光器的输入端，所述光开关控制单元的输出端接1╳N路光开关的输入端，所述光电探测器的输出端接信号采集单元的输入端。
所述传感器探头由一带窗口的开放气室、准直器、全反射镜组成；所述带窗口的开放气室的一端安装准直器，其另一端安装全反射镜，两者的中心点水平高度一致，所述带窗口的开放气室的窗口位于侧壁上，所述一芯单模光纤与准直器相连接。
所述控制模块的控制流程如下：
①载入激光器波长控制信息表；
②按顺序控制激光器波长输出；
③检测光电探测器信号；
④依据Lambert-Beer定理计算待测气体浓度；
⑤判断是否所有波长依次输出一遍；
⑥判断⑤的结果为“是”，则控制光开关切换下一个通道；判断⑤的结果为“否”，则返回到步骤②，依次向下执行，直到结果为“是”跳出进入下一步；
⑦控制光开关切换到下一个通道后，判断是否切换完成所有通道的监测；
⑧判断⑦的结果为“是”，则一次监测结束；判断⑦的结果为“否”，则返回到步骤②，依次向下执行，直到结果为“是”跳出结束。
本发明的积极效果如下：
1）所述传感器探头与测试气体种类无关，任何气体都可以使用该探头，适用范围广；且传感器探头为无源探头，不需要现场供电，减轻了作业难度，同时降低了现场供电设备带来的安全隐患。
2）所述传感器探头沿电缆分布连接，组成分布式监测网络，覆盖范围广。
3）传感器探头反馈回的光信号通过单模光纤传递，传输距离远。
4）可调谐激光器，环形器，1╳N路光开关，光电探测器，控制模块均可放置于控制机房内。校准时只需在机房内进行，免去现场校准困扰。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中传感器探头的结构示意图；
图3为本发明中控制模块的原理方框图；
图4为本发明中控制模块的流程框图。
其中，1可调谐激光器、2环形器、31╳N路光开关、4光缆、5传感器探头、6光电探测器、7控制模块、8带窗口的开放气室、9准直器、10全反射镜、11存储和处理单元、12激光器输出谱线控制单元、13信号采集单元、14光开关控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1~4所示，本发明由可调谐激光器1、环形器2、1╳N路光开关3、光缆4、传感器探头5、光电探测器6、控制模块7组成；所述可调谐激光器1的输出端接环形器2的输入端，环形器2的一个输出端接1╳N路光开关3的输入端，所述1╳N路光开关3的每路光开关连接一芯单模光纤，N芯所述单模光纤组成光缆4，每条所述一芯单模光纤分别接入传感器探头5；所述环形器2的另一输出端接光电探测器6的输入端，所述光电探测器6的输出端接控制模块7的相应输入端，所述控制模块7的2个输出端分别接可调谐激光器1和1╳N路光开关3的相应输入端；
所述控制模块7由存储和处理单元11、激光器输出谱线控制单元12、信号采集单元13、光开关控制单元14组成；所述存储和处理单元11和光开关控制单元14均为单片机，所述激光器输出谱线控制单元12为电流源，所述信号采集单元13为模数转换器；
所述存储和处理单元11的输出端分别接激光器输出谱线控制单元12和光开关控制单元14的输入端，所述信号采集单元13的输出端接存储和处理单元11的输入端，所述激光器输出谱线控制单元12的输出端接可调谐激光器1的输入端，所述光开关控制单元14的输出端接1╳N路光开关3的输入端，所述光电探测器6的输出端接信号采集单元13的输入端，参见图3。
所述传感器探头5由一带窗口的开放气室8、准直器9、全反射镜10组成；所述带窗口的开放气室8的一端安装准直器9，其另一端安装全反射镜10，两者的中心点水平高度一致，所述带窗口的开放气室8的窗口位于侧壁上，所述一芯单模光纤与准直器9相连接。所述全反射镜10将入射光沿原路返回，构成封闭式光路，所述传感器探头5和外界环境通过窗口更新气室内气体。传感器探头5与测试气体种类无关，任何气体都可以使用该探头，适用范围广；且传感器探头为无源探头，不需要现场供电，减轻了作业难度，同时降低了现场供电设备带来的安全隐患。
所述控制模块7的控制流程如下：
①载入激光器波长控制信息表；
②按顺序控制激光器波长输出；
③检测光电探测器信号；
④依据Lambert-Beer定理计算待测气体浓度；
⑤判断是否所有波长依次输出一遍；
⑥判断⑤的结果为“是”，则控制光开关切换下一个通道；判断⑤的结果为“否”，则返回到步骤②，依次向下执行，直到结果为“是”跳出进入下一步；
⑦控制光开关切换到下一个通道后，判断是否切换完成所有通道的监测；
⑧判断⑦的结果为“是”，则一次监测结束；判断⑦的结果为“否”，则返回到步骤②，依次向下执行，直到结果为“是”跳出结束。
所述存储和处理单元11的输出端分别接激光器输出谱线控制单元12和光开关控制单元14的输入端，所述信号采集单元13的输出端接存储和处理单元11的输入端，所述激光器输出谱线控制单元12的输出端接可调谐激光器1的输入端，所述光开关控制单元14的输出端接1╳N路光开关3的输入端，所述光电探测器6的输出端接信号采集单元13的输入端；信号采集单元13将探测器的模拟信号转换为数字信号供存储和处理单元11做后续处理，控制模块7的控制程序流程框图如图4所示。
所述可调谐激光器1选用分布布拉格反射半导体激光器，所述可调谐激光器1可以通过改变反射区注入电流控制激光器输出波长。
所述的可调谐激光器1，环形器2，1╳N路光开关3，光电探测器6，控制模块7均可放置于控制机房内。校准时只需在机房内进行，免去现场校准困扰。1╳N路光开关3通过N芯单模光纤组成的光缆4连接到电缆隧道内，每条单模光纤连接隧道内的一个传感器探头5。传感器探头5反馈回的光信号通过单模光纤传递，传输距离远，且传感器探头5沿电缆隧道布设，组成监测网络，覆盖范围广。
实施例1：
电缆隧道中需要监测的气体种类包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢气体。这些气体对应的吸收谱线波长分别为：
一氧化碳：1567nm
二氧化碳：1572.66nm
甲烷：1651nm
硫化氢：1578nm
将上述吸收谱线信息存储至控制模块7的存储和处理单元11中，存储和处理单元11选用STM32型处理器，激光器输出谱线控制单元12选用AD8276模数转换器，信号采集单元13选用AD9214电流源，光开关控制单元14选用MCS51单片机。
可调谐激光器1选用分布布拉格反射半导体激光器，使其输出波长涵盖从1567nm至1651nm之间谱线。传感器探头5中的全反射镜10能对上述波长的波进行全反射，将被测信号反馈至光电探测器6。
电缆隧道长5公里，每200米布设传感器探头5，整个隧道共需25个传感器探头。选择1╳32路光开关3和32芯单模光纤组成的光缆4，多出的7个通道可以留作备份。
工作时，激光器输出谱线控制单元12可根据存储和处理单元11输出相应电流。控制模块7根据存储和处理单元11中的“电流—波长”信息，通过激光器输出谱线控制单元12控制可调激光器1依次输出不同气体吸收谱线对应波长的波至传感器探头5；传感器探头5通过气室上的窗口和外界环境接触，使探头内气体浓度与外界相同。光信号经过一芯单模光纤和准直器9进入传感器探头5，受到传感器探头5内部气体组分及浓度影响，光信号的功率发生变化。同时，光信号经反射镜10沿原路反射至环形器2。环形器2将反射光送至光电探测器6，反馈回的光信号经光电探测器6感知不同谱线下光强度变化并转化为电强度信号，然后，将电强度信号发送至模块7中信号采集单元13，将信号由模拟量转换为数字量送至存储和处理单元11进行计算，求出隧道中某一传感器探头5所在位置的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢对应的气体浓度信息分别为1ppm、1ppm、0.1%、1ppm。然后，当完成全部波长扫描后，光开关控制单元14控制1╳32路光开关3切换下一个光通道，即监测下一个传感器探头5所在位置的气体含量，进入新的波长扫描周期。依次循环完成所有光通道的监测。
气体校准时，仅需在机房内用已知气体浓度的标准气体源连接环形器2，就可以完成整个系统校准，而不需要对现场传感器进行维护。
本发明的工作原理：
传感器探头5反射回的探测信号沿原光路返回，经环形器2送至光电探测器6。依据Lambert-Beer定理，当一束光通过长度为L充满待测气体的气室，光强I(v)是频率v的函数，气体浓度为C。则出射光强I(v)可以表示为
其中是入射光强的初始强度，为待测气体在频率 的吸收系数。当出射光强I(v)发生变化时，就可以根据Lambert-Beer定理推算该气体浓度的变化。
Claims (2)
1.基于光纤传感的电缆隧道多种气体浓度在线监测系统，其特征在于该系统由可调谐激光器（1）、环形器（2）、1╳N路光开关（3）、光缆（4）、传感器探头（5）、光电探测器（6）、控制模块（7）组成；所述可调谐激光器（1）的输出端接环形器（2）的输入端，环形器（2）的一个输出端接1╳N路光开关（3）的输入端，所述1╳N路光开关（3）的每路光开关连接一芯单模光纤，N芯所述单模光纤组成光缆（4），每条所述一芯单模光纤分别接入传感器探头（5）；所述环形器（2）的另一输出端接光电探测器（6）的输入端，所述光电探测器（6）的输出端接控制模块（7）的相应输入端，所述控制模块（7）的2个输出端分别接可调谐激光器（1）和1╳N路光开关（3）的相应输入端；
所述控制模块（7）由存储和处理单元（11）、激光器输出谱线控制单元（12）、信号采集单元（13）、光开关控制单元（14）组成；所述存储和处理单元（11）和光开关控制单元（14）均为单片机，所述激光器输出谱线控制单元（12）为电流源，所述信号采集单元（13）为模数转换器；
所述存储和处理单元（11）的输出端分别接激光器输出谱线控制单元（12）和光开关控制单元（14）的输入端，所述信号采集单元（13）的输出端接存储和处理单元（11）的输入端，所述激光器输出谱线控制单元（12）的输出端接可调谐激光器（1）的输入端，所述光开关控制单元（14）的输出端接1╳N路光开关（3）的输入端，所述光电探测器（6）的输出端接信号采集单元（13）的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的电缆隧道多种气体浓度在线监测系统，其特征在于所述传感器探头（5）由一带窗口的开放气室（8）、准直器（9）、全反射镜（10）组成；所述带窗口的开放气室（8）的一端安装准直器（9），其另一端安装全反射镜（10），两者的中心点水平高度一致，所述带窗口的开放气室（8）的窗口位于侧壁上，所述一芯单模光纤与准直器（9）相连接。
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