CN104596972A - 双光源红外气体传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双光源红外气体传感器及检测方法，所述气体传感器包括第一光源、气体室、第一探测器；第二光源、第一光源对称地设置在第一探测器的两侧；第二探测器设置在第一探测器的一侧，第一探测器和第二探测器检测不同波长光的光强；所述第一探测器和第二探测器设置在光阑内；计算模块用于根据第二探测器输出的信号得到第一光源的信号幅度衰减率，并传送到判断模块；判断模块用于判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值，在达到阈值时向切换模块发出切换信号；切换模块用于根据切换信号关闭第一光源，并开启第二光源。本发明具有维护周期长、自动化维护等优点。

Description

双光源红外气体传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及气体检测，特别涉及气体的双光源光电传感及方法。

背景技术

在石油和天然气的开采、储运、加工和销售的过程中，容易产生爆炸性的碳氢类气体，最常见的是甲烷、丙烷和乙炔。为了保障作业人员的生命安全和企业的财产安全，通常在这些场所会设置大量的气体探测器。这些气体探测器能在周围环境中的可燃性气体浓度达到爆炸下限之前发出警报，提醒现场作业人员及时采取措施以规避事故发生。

目前，最常见的可燃气体探测技术有催化燃烧传感器、半导体传感器和红外传感器。其中，因催化燃烧传感器具有量程宽、可检测的气体种类多的优点，其市场占有率最高，但催化燃烧传感器在有硫化物和硅化物存在时容易“中毒”，而在石油和天然气开采中，H₂S是最常见的伴生气体，因此催化燃烧传感器在该行业应用时容易产生误报；半导体气体传感器也可以探测各种碳氢类气体，并且具有价格低廉、检测灵敏度高的优点，然而半导体传感器对空气中的水分等常规组分都有响应；基于红外吸收光谱原理的红外气体传感器具有非接触、响应快、选择性好的优点，是目前最适合在石油和天然气行业应用的气体传感器。

然而这些红外气体传感器都需要频繁维护，常规的维护项目包括定期调零和标定、清洁以及更换易损部件。红外气体传感器的关键部件包括红外光源、气室和红外探测器。其中的红外光源一般是由钨丝通电加热到300℃时，产生红外辐射光谱。红外光源的制造商声称灯丝的工作寿命长达20000小时以上，但是一般用于工业现场的红外气体探测器常常工作在高温、高湿和腐蚀性环境下，一个灯丝的实际使用寿命仅有1年左右。当灯丝老化失效后，灯丝的更换只能由厂商的专业人员操作，专业人员要将红外气体传感器拆下移到安全区域，然后在安全区域要完成灯丝更换、上电预热、调零标定、温度补偿和老化等一系列复杂操作，更换周期需要数天，严重影响了企业的正常生产活动。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种工作周期长、维护工作量小、自动化的双光源红外气体传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双光源红外气体传感器，所述气体传感器包括第一光源、气体室、第一探测器；所述气体传感器进一步包括：

第二光源，所述第二光源设置在所述第一探测器的一侧；

第二探测器，所述第二探测器设置在第一探测器的一侧，第一探测器和第二探测器检测不同波长光的光强；

光阑，所述第一探测器和第二探测器设置在所述光阑内；

计算模块，所述计算模块用于根据第二探测器输出的信号得到第一光源的信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

判断模块，所述判断模块用于判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值，在达到阈值时向切换模块发出切换信号；

切换模块，所述切换模块用于根据切换信号关闭第一光源，并开启第二光源。

根据上述的气体传感器，优选地，所述第一探测器和第二探测器的对称点同于第一光源和第二光源的对称点。

根据上述的气体传感器，优选地，所述第一光源、第一探测器、第二探测器、第二光源共线。

根据上述的气体传感器，优选地，所述第一探测器用于检测3.3微米波长的光，所述第二探测器用于检测3.9微米波长的光。

根据上述的气体传感器，优选地，所述第一探测器和第二探测器为一个探测器的两部分，在该两个部分上具有滤光片。

本发明的目的还在于提供一种工作周期长的气体检测方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：

气体检测方法，所述气体检测方法包括以下步骤：

(A1)待测气体进入气体室内，第一光源发出的测量光经过气体室内壁的反射层反射后被第一探测器接收；

所述第一光源发出的参考光经过气体室内壁的反射层反射后被第二探测器接收，计算模块根据第二探测器的输出信号得出信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

分析模块处理第一探测器、第二探测器的输出信号，从而获知待测气体的含量；

(A2)判断模块判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值：

如达到阈值，向切换模块发出切换信号；

(A3)切换模块根据切换信号关闭所述第一光源，开启第二光源。

根据上述的气体检测方法，优选地，所述阈值的获取方式具体为：

(B1)提供至少二台气体传感器，光源发出的参考光被第二探测器接收，从而分别获得初始参考信号幅度；

(B2)加速老化所述至少二台气体传感器，向气体传感器内通入标准气体以进行误差测试，当误差达到允许值时，记录此时的终止参考信号幅度；

(B3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于每一台气体传感器的参考信号幅度衰减率；

(B4)平均每一台气体传感器的参考信号幅度衰减率，即为阈值。

根据上述的气体检测方法，优选地，所述阈值的获取方式具体为：

(C1)光源发出的参考光被第二探测器接收，获得光源的初始参考信号幅度；

(C2)光源的驱动电流逐步下降，在驱动电流稳定时，通入标准气体进行误差测试，当误差达到允许值时，记录此时的终止参考信号幅度；

(C3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于气体传感器的参考信号幅度衰减率，即为阈值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、在最大程度地发挥了第一光源的效能后切换到第二光源，使红外气体传感器的使用寿命延长至少1倍；

2、通过独特的光路设计和气体室结构设计，使得第二光源在自动替换第一光源后，无需重新调零标定，减小了维护的工作量。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例1的气体传感器的结构简图；

图2是根据本发明实施例1的气体传感器中器件的安装简图。

具体实施方式

图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的双光源红外气体传感器的结构简图，如图1所示，所述气体传感器包括：

第一光源11、气体室2、第一探测器31、分析模块；所述第一光源和第一探测器设置在气体室内的壁上，这些部件的具体机构及工作方式是本领域的现有技术，在此不再赘述；

第二光源12，所述第二光源12设置在所述第一探测器31的一侧，如图2所示；

第二探测器32，所述第二探测器设置在第一探测器的一侧，第一探测器和第二探测器检测不同波长光的光强，如，所述第一探测器用于检测3.3微米波长的光，所述第二探测器用于检测3.9微米波长的光；

光阑41，所述第一探测器31和第二探测器32设置在所述光阑41内，防止第一光源或第二光源发出的光直接进入探测器；

计算模块，所述计算模块用于根据第二探测器输出的信号得到第一光源的信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

判断模块，所述判断模块用于判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值，在达到阈值时向切换模块发出切换信号；

切换模块，所述切换模块用于根据切换信号关闭第一光源，并开启第二光源；

所述气体室内非安装器件的壁具有反射层，使得第一光源或第二光源发出的光经过反射后进入第一探测器及第二探测器。

为了便于气体传感器的调试及安装，优选地，所述第一探测器和第二探测器的对称点同于第一光源和第二光源的对称点，且所述第一光源、第一探测器、第二探测器、第二光源共线。

为了减少结构复杂度及成本，优选地，所述第一探测器和第二探测器为一个探测器的两部分，在该两个部分上具有滤光片。

本发明实施例的气体检测方法，所述气体检测方法包括以下步骤：

(A1)待测气体进入气体室内，第一光源发出的测量光经过气体室内壁的反射层反射后被第一探测器接收；

所述第一光源发出的参考光经过气体内壁的反射层反射后被第二探测器接收，计算模块根据第二探测器的输出信号得出信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

分析模块处理第一探测器、第二探测器的输出信号，从而获知待测气体的含量；

(A2)判断模块判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值：

如达到阈值，向切换模块发出切换信号；

(A3)切换模块根据切换信号关闭所述第一光源，开启第二光源。

为了最大程度地利用光源的有效寿命以发挥光源的效能，优选地，所述阈值的获取方式具体为：

(B1)提供至少二台本实施例的上述气体传感器，第一光源发出的参考光被第二探测器接收，从而分别获得初始参考信号幅度U_1i，i＝1,2，…N，N≥2；

(B2)将上述至少二台气体传感器放在高温试验箱内加速老化，同时定时地向气体传感器内通入标准气体以进行检测误差测试，当检测误差达到允许值(根据检测标准、气体传感器使用单位的可接受程度而确定)时，记录此时的终止参考信号幅度U_2i，i＝1,2，…N，N≥2；

(B3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于每一台气体传感器的参考信号幅度衰减率A_i＝1-U_2i/U_1i；

(B4)平均每一台气体传感器的参考信号幅度衰减率A＝(A₁+A₂+…+A_N)/N，即为阈值。

为了最大程度地利用光源的有效寿命以发挥光源的效能，优选地，所述阈值的获取方式具体为：

(C1)光源发出的参考光被第二探测器接收，获得光源的初始参考信号幅度；

(C2)光源的驱动电流逐步下降，在驱动电流稳定时，通入标准气体进行误差测试，当误差达到允许值时，记录此时的终止参考信号幅度；

(C3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于气体传感器的参考信号幅度衰减率，即为阈值。

实施例2：

根据本发明实施例1的气体传感器及检测方法在加气站中的应用例。

在该应用例中，第一光源和第二光源采用同型号的红外光源，钨丝通电加热后，发出红外光谱，第一光源和第二光源对称地设置在探测器的两侧。第一探测器和第二探测器为同一探测器的两部分，双窗口的探测器带有窄带滤光片，分别放置中心波长为3.9微米的参考光窄带滤光片、中心波长为3.3微米的测量光窄带滤光片。所述第一探测器和第二探测器的对称点同于第一光源和第二光源的对称点，且所述第一光源、第一探测器、第二探测器、第二光源共线。为了防止光源发出的光直接进入探测器内，在探测器的外围安装光阑。气体室内非安装器件部分具有反射层，如与光源相对的一面采用反射镜，侧壁镀金属膜。光源发出的光经过反射层的若干次反射后进入探测器内。计算模块和判断模块采用软件实现，切换模块控制光源驱动与第一光源、第二光源的选择性连接，从而实现切换功能。

在上述气体传感器的实际应用中，需要获得阈值、标定传感器，具体为：

(B1)选定5台红外气体传感器作为高温加速老化试验对象，首先获取其初始参考信号幅度Uro1、Uro2、Uro3、Uro4、Uro5。

(B2)将5台红外气体传感器同时放置在高温试验箱内，在高温条件下进行加速老化，老化过程中监测温度补偿后的参考信号幅度的变化，同时定时通入已知浓度的待测气体进行检测误差测试，当检测误差正好超过允许值ΔC时，记录此时的终止参考信号幅度Ure1、Ure2、Ure3、Ure4、Ure5；

(B3)计算每台红外气体传感器的参考信号幅度衰减率Ar＝(Uro-Ure)/Uro，获得Ar1、Ar2、Ar3、Ar4、Ar5。

(B4)将5台红外气体传感器的参考信号幅度衰减率平均后作为参考信号幅度衰减率阈值Arf＝(Ar1+Ar2+Ar3+Ar4+Ar5)/5；

(D1)在气体传感器出厂前，手动切换成第一光源工作，待上电预热时间Tw到达后，通入氮气进行零点标定获得零点系数Zerop和初始参考信号幅度Urop，再通入已知浓度的标气，以获得标定系数Spanp，第一光源参数将被自动保存在非易失存储器中；

(D2)然后手动切换成第二光源工作，上电预热时间Tw到达后，通入氮气进行零点标定获得零点系数Zeros和初始参考信号幅度Uros，再通入已知浓度的标气，以获得标定系数Spanp；第二光源参数也将被自动保存在非易失存储器中；

(D3)完成第一光源和第二光源参数的获取后，将红外气体传感器重新设置为正常模式，此模式下红外气体传感器将自动加载第一光源参数或第二光源参数进行工作；

(A1)待测气体进入气体室内，第一光源发出的测量光经过气体室内壁的反射层反射后被第一探测器接收；

所述第一光源发出的参考光经过气体内壁的反射层反射后被第二探测器接收，计算模块根据第二探测器的输出信号得出信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

分析模块处理第一探测器、第二探测器的输出信号，从而获知待测气体的含量；

(A2)判断模块判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值：

如达到阈值，向切换模块发出切换信号；

(A3)切换模块根据切换信号关闭所述第一光源，开启第二光源。

实施例3：

根据本发明实施例1的气体传感器及检测方法在加气站中的应用例。

与实施例2中气体传感器不同的是：第一探测器和第二探测器采用独立的两个探测器，且第一探测器和第二探测器，以及第一光源和第二光源并非中心对称，并不在一条线上。

与实施例2中检测方法不同的是阈值的获取方式，具体为：

(C1)光源发出的参考光被第二探测器接收，获得光源的初始参考信号幅度；

(C2)光源的驱动电流逐步下降，在驱动电流稳定时，通入标准气体进行误差测试，当误差达到允许值(根据检测标准、传感器使用单位的可接受程度确定)时，记录此时的终止参考信号幅度；

(C3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于气体传感器的参考信号幅度衰减率，即为阈值。

Claims (8)

1.一种双光源红外气体传感器，所述气体传感器包括第一光源、气体室、第一探测器；其特征在于：所述气体传感器进一步包括：

第二光源，所述第二光源设置在所述第一探测器的一侧；

第二探测器，所述第二探测器设置在第一探测器的一侧，第一探测器和第二探测器检测不同波长光的光强；

光阑，所述第一探测器和第二探测器设置在所述光阑内；

计算模块，所述计算模块用于根据第二探测器输出的信号得到第一光源的信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

判断模块，所述判断模块用于判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值，在达到阈值时向切换模块发出切换信号；

切换模块，所述切换模块用于根据切换信号关闭第一光源，并开启第二光源。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述第一探测器和第二探测器的对称点同于第一光源和第二光源的对称点。

3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于：所述第一光源、第一探测器、第二探测器、第二光源共线。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述第一探测器用于检测3.3微米波长的光，所述第二探测器用于检测3.9微米波长的光。

5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述第一探测器和第二探测器为一个探测器的两部分，在该两个部分上具有滤光片。

6.气体检测方法，所述气体检测方法包括以下步骤：

(A1)待测气体进入气体室内，第一光源发出的测量光经过气体室内壁的反射层反射后被第一探测器接收；

所述第一光源发出的参考光经过气体室内壁的反射层反射后被第二探测器接收，计算模块根据第二探测器的输出信号得出信号幅度衰减率，并传送到判断模块；

分析模块处理第一探测器、第二探测器的输出信号，从而获知待测气体的含量；

(A2)判断模块判断所述信号幅度衰减率是否达到阈值：

如达到阈值，向切换模块发出切换信号；

(A3)切换模块根据切换信号关闭所述第一光源，开启第二光源。

7.根据权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：所述阈值的获取方式具体为：

(B1)提供至少二台气体传感器，光源发出的参考光被第二探测器接收，从而分别获得初始参考信号幅度；

(B2)加速老化所述至少二台气体传感器，向气体传感器内通入标准气体以进行误差测试，当误差达到允许值时，记录此时的终止参考信号幅度；

(B3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于每一台气体传感器的参考信号幅度衰减率；

(B4)平均每一台气体传感器的参考信号幅度衰减率，即为阈值。

8.根据权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：所述阈值的获取方式具体为：

(C1)光源发出的参考光被第二探测器接收，获得光源的初始参考信号幅度；

(C2)光源的驱动电流逐步下降，在驱动电流稳定时，通入标准气体进行误差测试，当误差达到允许值时，记录此时的终止参考信号幅度；

(C3)利用每一台气体传感器的初始和终止参考信号幅度，从而获知对应于气体传感器的参考信号幅度衰减率，即为阈值。