CN103245614B - 一种智能红外甲烷气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能红外甲烷气体检测装置，它包含二极管激光器、激光器驱动控制电路、气室、激光角度调节装置、光电探测器、数据采集卡和计算机；所述激光器驱动控制电路包含温度控制器和电流控制器，该温度控制器和电流控制器的输出端分别与二极管激光器的输入端相连，所述的二极管激光器安装在气室的一侧，所述的气室整体为中空结构，其内部的上表面和下表面为平面结构，并在其表面上设有一层反射层。本发明能够实现在复杂工业环境下对甲烷气体浓度的精确检测，在具备一般光谱技术高选择、快速响应的基础上，通过在生产工艺简单的气室中增加反射镜、盘形凸轮、步进电机，实现了气体吸收光程调节范围较大程度的改变。

Description

一种智能红外甲烷气体检测装置

技术领域

本发明涉及气体浓度的测量领域，具体涉及的是一种可实现吸收光程连续可调的智能红外甲烷气体检测装置。

背景技术

甲烷浓度的精确和低成本测量在煤炭生产、煤层气开采、环境监测、工业控制等领域具有重要意义。针对不同应用领域的要求，人们研发了不同机理的甲烷检测装置，主要可分为化学方法和光谱学方法，其中光谱学方法具有稳定性好、精度高、响应快、使用寿命长、抗干扰能力强、不受恶劣环境影响等优点，可以在同一波段作多组分检测，实现连续实时非接触测量，尤其适于对不易接近、难以取样的危险或敌对环境进行检测。

光谱学方法成为当前气体检测技术的发展方向和技术主流，其原理均依据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，利用气体在特定波长由于光辐射吸收引起的光强变化进行被测气体浓度反演。由比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律可知，在光源光强一定的情况下，增加气体的吸收光程有利于气体检测精度和灵敏度的提高，因此目前大多数传感气室采用在气室内附加精巧结构来增加光程，使用较为普遍的主要包括White和Herriott多次反射池。White池孔径角较大，反射次数较多，可通过改变反射次数来调节光程长度，缺点是所用反射镜数目较多；Herriott池的光学系统结构简单，由两个球面镜组成，但其孔径角较小，反射次数与镜面距离及曲率半径密切相关，光路调节确定后，反射次数也随之确定，不具有光程调节的灵活性。因此，单纯依靠在传感气室中增加光学器件以实现增加光程的方法，不仅增加了系统的体积与生产成本，而且增加了仪器的调试难度和维护成本，无法达到合理的光强利用效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现吸收光程连续可调的智能红外甲烷气体检测装置，它能有效地解决现有光谱学气体检测装置中气室长度一般较短，从而限制检测精度和灵敏度进一步提高的问题。

为了解决背景技术中所存在的问题，它包含二极管激光器1、激光器驱动控制电路、气室4、激光角度调节装置、光电探测器14、数据采集卡16和计算机17；所述激光器驱动控制电路包含温度控制器2和电流控制器3，该温度控制器2和电流控制器3的输出端分别与二极管激光器1的输入端相连，所述的二极管激光器1安装在气室4的一侧，所述的气室4整体为中空结构，其内部的上表面5和下表面6为平面结构，并在该上表面5和下表面6的平面上设有一层反射层，所述气室4的一端与侧壁一体成型出密闭的挡板，其另一端设有开口，该开口处封闭有透红外的石英窗口片，所述的气室4内位于石英窗口片处的一端部安装有激光角度调节装置，其上部开设有气体入口12，所述气室4的另一端的上部安装有光电探测器14，其下部开设有气体出口13，所述的光电探测器14的输出端与数据采集卡16的输入端相连，所述的数据采集卡16与计算机17相连。

所述二极管激光器1的中心波长为1.66um。

所述的气室4整体为中空的矩形管状结构。

所述的反射层为水银反射层。

所述的激光角度调节装置包含反射镜7，该反射镜7的一端通过转轴与气室4的侧壁活动连接，其另一端的端部附近安装有步进电机9，该步进电机9的输出轴上安装有盘形凸轮8，所述盘形凸轮8的边沿与从动杆10贴合接触，所述从动杆10的外面套有一圈与其同心并抽拉配合的导轨套11，该导轨套11固定在气室4上，所述的步进电机9经过步进电机驱动电路15与数据采集卡16相，连。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：能够实现在复杂工业环境下对甲烷气体浓度的精确检测，在具备一般光谱技术高选择、快速响应的基础上，通过在生产工艺简单的气室中增加反射镜、盘形凸轮、步进电机，实现了气体吸收光程调节范围较大程度的改变，大大增加了吸收光程，为检测精度和灵敏度的提高提供了条件，降低了测量装置的复杂度，具有信噪比高，响应速度快，稳定性好，可靠性高，维护简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将结合附图对实施例作简单的介绍。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中气室的左视图；

图3为本发明中气体吸收光程的计算原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参看附图1-2，本具体实施方式是采用以下技术方案予以实现，它包含二极管激光器1、激光器驱动控制电路、气室4、激光角度调节装置、光电探测器14、数据采集卡16和计算机17；所述激光器驱动控制电路包含温度控制器2和电流控制器3，该温度控制器2和电流控制器3的输出端分别与二极管激光器1的输入端相连，所述的二极管激光器1安装在气室4的一侧，所述的气室4整体为中空结构，其内部的上表面5和下表面6为平面结构，并在该上表面5和下表面6的平面上设有一层反射层，所述气室4的一端与侧壁一体成型出密闭的挡板，其另一端设有开口，该开口处封闭有透红外的石英窗口片，所述的气室4内位于石英窗口片处的一端部安装有激光角度调节装置，其上部开设有气体入口12，所述气室4的另一端的上部安装有光电探测器14，其下部开设有气体出口13，所述的光电探测器14的输出端与数据采集卡16的输入端相连，所述的数据采集卡16与计算机17相连。

优选的，所述二极管激光器1的中心波长为1.66um。

优选的，所述的气室4整体最好为中空的矩形管状结构。

优选的，所述的反射层最好为水银反射层，该水银反射层可保证对光的高效反射，降低材料对光吸收造成的光强损失。

优选的，所述的激光角度调节装置包含反射镜7，该反射镜7的一端通过转轴与气室4的侧壁活动连接，其另一端的端部附近安装有步进电机9，该步进电机9的输出轴上安装有盘形凸轮8，所述盘形凸轮8的边沿与从动杆10贴合接触，所述从动杆10的外面套有一圈与其同心并抽拉配合的导轨套11，该导轨套11固定在气室4上，所述的步进电机9经过步进电机驱动电路15与数据采集卡16相连。

下面将结合附图1-2对本具体实施方式中技术方案的使用方法及步骤作进一步的阐述：

二极管激光器1受激光器驱动控制电路中温度控制器2与电流控制器3的调制，使其工作在稳定状态，输出光的中心波长为1.66um；

经二极管激光器1输出的光经透红外的石英窗口片进入气室4，经反射镜7反射后，由气室4的上表面5反射至下表面6，如此在气室4内部的上表面5和下表面6之间多次反射后由光电探测器14检测输出光强；反射镜7一端可绕固定轴转动，另一端由盘形凸轮8通过从动杆10支撑；

气体吸收光程的改变通过不同入射角对应的气室4中反射次数的不同实现，一定的入射角对应了一定的光程：步进电机9带动盘形凸轮8旋转，盘形凸轮8通过从动杆10支撑反射镜7，从动杆10可沿导轨套11上下移动，通过盘形凸轮8曲率半径的变化带动反射镜7倾角的变化，进而引起入射光在气室4内上下表面之间反射时入射角度的变化，从而引起入射光在气室4内反射次数的改变，实现吸收光程的改变；

气体特定吸收光程下光强信号检测方法：系统上电后进行初始化，待二极管激光器1输出光强稳定后，由计算机17通过步进电机驱动电路15控制步进电机9旋转，带动盘形凸轮8旋转一周，计算机17将该过程中步进电机9的步进角及对应的光强信号进行记录，当检测到的光强变化清晰可辨时对光强信号的峰值与对应步进电机9的步进角位置进行提取，此时光强信号最大，反射光正对着光电探测器14，然后根据步进角与盘形凸轮8曲率半径的对应关系得出光线入射角度，根据光路几何关系计算光程，将相应的入射角与吸收光程存储至计算机17。此后，计算机17根据存储的步进角与相应的入射角数据，对特定吸收光程下的光强信号进行记录；

光电探测器14将不同吸收光程下的光强信号经A/D转换后以电压形式输出，其输出端与数据采集卡16相连，数据采集卡16通过PCI插槽与计算机17连接，实现数据的实时传送；计算机17根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，由基于LabVIEW开发软件编写的程序实时处理来自数据采集卡16的数据，通过不同吸收光程下光强信号的差异进行被测甲烷气体浓度的反演计算。

下面将结合附图3对本具体实施方式中技术方案的工作原理作进一步的阐述：

气体的红外吸收遵循比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律：

I＝I₀ exp(-α(λ)CL)

其中，I为输出光强，I₀为输入光强，α(λ)为气体在波长λ处的吸收系数，C为被测气体浓度，L为气体吸收光程。

光程为L₁处的光强表达式为I₁＝I₀exp(-α(λ)CL₁)，光程为L₂处的光强表达式为I₂＝I₀exp(-α(λ)CL₂)，则两式相比可得

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{CL}}_1)}{\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{CL}}_2)}=\exp \left(\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)C(L_2-L_1)\right)$

两边取对数可得1nI₁-1nI₂＝α(λ)C(L₂-L₁)

从而可得气体浓度表达式，

由于光电探测器14的输出信号为电压信号，其值正比于光强信号，所以有V₁＝kI₁，V₂＝kI₂，代入上式可得

$C=\frac{\ln V_1-\ln v_2}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)(L_2-L_1)}$

这样，V₁，V₂可由光电探测器14测得，α(λ)可通过气体的吸收表格查询得到，L₁，L₂可由相应光源入射角下光路的几何关系计算得到，这样即可对被测气体的浓度进行计算。

光程L₁，L₂的计算方法：

参见附图3，设入射光在反射镜7上的入射角为α，经入射点作上表面5的垂线，则该垂线与反射光线的夹角β为2α-π/2，此后光线在气室4的上下表面多次反射，由于气室4上下表面平行，所以入射角均为2α-π/2，因此光线在气室4中的总光程可表示为

$L=n+\frac{\mathrm{\α}-n}{m}\×2l$

其中，n＝htanα，

m＝2btan(2α-π/2)＝-2btan(π/2-2α)＝-2bctan2α，

$l=\frac{b}{\cos \mathrm{\β}}=\frac{b}{\cos (2\mathrm{\α}-\mathrm{\π}/2)}=\frac{b}{\sin 2\mathrm{\α}},$

将n，m，l代入总光程表达式并化简可得

$L=h\tan \mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\α}-h\tan \mathrm{\α}}{\cos 2\mathrm{\α}}$ α∈(π/4，π/2)。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：能够实现在复杂工业环境下对甲烷气体浓度的精确检测，在具备一般光谱技术高选择、快速响应的基础上，通过在生产工艺简单的气室中增加反射镜、盘形凸轮、步进电机，实现了气体吸收光程调节范围较大程度的改变，大大增加了吸收光程，为检测精度和灵敏度的提高提供了条件，降低了测量装置的复杂度，具有信噪比高，响应速度快，稳定性好，可靠性高，维护简单的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种智能红外甲烷气体检测装置，其特征在于：该检测装置包含二极管激光器(1)、激光器驱动控制电路、气室(4)、激光角度调节装置、光电探测器(14)、数据采集卡(16)和计算机(17)；所述激光器驱动控制电路包含温度控制器(2)和电流控制器(3)，该温度控制器(2)和电流控制器(3)的输出端分别与二极管激光器(1)的输入端相连，所述的二极管激光器(1)安装在气室(4)的一侧，所述的气室(4)整体为中空结构，其内部的上表面(5)和下表面(6)为平面结构，并在该上表面(5)和下表面(6)的平面上设有一层反射层，所述气室(4)的一端与侧壁一体成型出密闭的挡板，其另一端设有开口，该开口处封闭有透红外的石英窗口片，所述的气室(4)内位于石英窗口片处的一端部安装有激光角度调节装置，其上部开设有气体入口(12)，所述气室(4)的另一端的上部安装有光电探测器(14)，其下部开设有气体出口(13)，所述的光电探测器(14)的输出端与数据采集卡(16)的输入端相连，所述的数据采集卡(16)与计算机(17)相连；所述的激光角度调节装置包含反射镜(7)，该反射镜(7)的一端通过转轴与气室(4)的侧壁活动连接，其另一端的端部附近安装有步进电机(9)，该步进电机(9)的输出轴上安装有盘形凸轮(8)，所述盘形凸轮(8)的边沿与从动杆(10)贴合接触，所述从动杆(10)的外面套有一圈与其同心并抽拉配合的导轨套(11)，该导轨套(11)固定在气室(4)上，所述的步进电机(9)经过步进电机驱动电路(15)与数据采集卡(16)相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能红外甲烷气体检测装置，其特征在于所述二极管激光器(1)的中心波长为1.66μm。

3.根据权利要求1所述的一种智能红外甲烷气体检测装置，其特征在于所述的气室(4)整体为中空的矩形管状结构。

4.根据权利要求1所述的一种智能红外甲烷气体检测装置，其特征在于所述的反射层为水银反射层。