CN106525742A - 气体浓度监测方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气体浓度监测方法、装置及系统，属于光纤传感技术领域。该系统包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置及微控制器。气体探头用于探测待测气体，待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的参考气室。激光产生装置用于输出信号光和多束参考光。光电探测装置用于将接收到的信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器。微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。本发明实现了对待测气体，尤其吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的气体进行高精度定量监测。

Description

气体浓度监测方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种气体浓度监测方法、装置及系统。
背景技术
传统的可燃性挥发气体现场监测技术手段有催化燃烧、电化学以及红外吸收光谱等。这些技术方法相关的传感器设备在监测现场带电运行，其本身即为构成火灾与爆炸事故的诱因之一，属于非本质安全的技术手段。并且上述技术手段需要定期重新标定，无法实现长期高灵敏度运行。可调谐半导体激光吸收光谱技术以半导体激光器输出的红外激光作为主动探测光源，可实现相应传感设备的长期高效运行。同时该技术容易与光纤传感技术相结合，可将红外激光束远距离传输至可燃性挥发气体监测现场，从而实现对现场可燃性挥发气体进行不带电、本质安全的监测。
当前，可调谐半导体激光吸收光谱技术与光纤传感技术相结合，形成的相应传感设备已经被大量应用于工业气体现场监测领域中，但是这些应用主要是对单一组分气体进行监测(如甲烷、乙炔等气体)，且相应气体存在分立、明显的特征吸收峰，非常便于识别提取并用于气体的定量分析。而原油储罐区可燃性挥发气体是主要由丙烷和丁烷构成的混合组分气体，且无论丙烷还是丁烷，其吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰，此时，采用传统的传感设备无法实现该可燃性挥发气体的现场高精度定量监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体浓度监测方法、装置及系统，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种气体浓度监测系统，包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置以及微控制器。所述微控制器与所述光电探测装置电连接。所述气体探头用于探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的所述参考气室。所述激光产生装置用于输出信号光和多束参考光。其中，所述多束参考光与所述多个参考气室一一对应。所述信号光传输至所述气体探头内，一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体探头输出并传输至所述光电探测装置。每束所述参考光均传输至与该参考光对应的参考气室，一部分该参考光被该参考气室内的气体吸收，另一部分该参考光从该参考气室输出并传输至所述光电探测装置。所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器。所述微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。
在本发明较佳的实施例中，上述激光产生装置还用于产生基准光，所述激光产生装置输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值。所述激光产生装置输出的每束参考光的光强与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于所述预设值。所述光电探测装置还用于接收所述激光产生装置输出的基准光，将所述基准光转换为第二电信号发送至所述微控制器。所述微控制器用于处理所述第一电信号和所述第二电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。
在本发明较佳的实施例中，上述气体探头包括赫里奥特光学结构，入射到所述气体探头内的信号光经所述赫里奥特光学结构多次反射后输出，以使得一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收。
在本发明较佳的实施例中，上述多种气体包括第一气体和第二气体，所述多束参考光包括第一参考光和第二参考光，所述多个参考气室包括填充有所述第一气体的第一参考气室和填充有所述第二气体的第二参考气室。所述第一参考光传输至所述第一参考气室，一部分所述第一参考光被所述第一参考气室内的第一气体吸收，另一部分所述第一参考光从所述第一参考气室输出并传输至所述光电探测装置。所述第二参考光输入所述第二参考气室，一部分所述第二参考光被所述第二参考气室内的第二气体吸收，另一部分所述第二参考光从所述第二参考气室输出并传输至所述光电探测装置。
在本发明较佳的实施例中，上述第一气体为丙烷，所述第二气体为丁烷，所述信号光和多束参考光的波长范围均为1681.88nm-1685.6nm。
在本发明较佳的实施例中，上述气体浓度监测系统还包括报警模块，所述报警模块与所述微控制器电连接。所述微控制器还用于当得到的待测气体的任一组分的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至所述报警模块；所述报警模块用于接收到所述报警指令后进行报警。
在本发明较佳的实施例中，上述激光产生装置包括激光器以及光纤分束器。所述激光器与所述微控制器电连接。所述激光器的输出端与所述光纤分束器的输入端耦合，所述激光器输出的激光光束传输至所述光纤分束器，经所述光纤分束器分束为所述信号光、所述多束参考光以及所述基准光输出。
第二方面，本发明实施例还提供了一种气体浓度监测方法，应用于上述气体浓度监测系统。所述方法包括：根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量；根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。
第三方面，本发明实施例还提供了一种气体浓度监测装置，运行于上述的气体浓度监测系统中的微控制器，所述气体浓度监测装置包括：获取单元，用于根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量。第一处理单元，用于根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数。第二处理单元，用于根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱，分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱。第三处理单元，用于根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。
本发明实施例提供的气体浓度监测系统通过气体探头探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的参考气室。所述激光产生装置输出信号光和多束参考光。其中，所述多束参考光与多个所述参考气室一一对应。通过设置多个所述参考气室，光电探测装置将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至微控制器，所述微控制器处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度，以此实现待测气体，尤其针对吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的气体现场高精度定量监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的系统的结构框图；
图2为本发明第一实施例提供的系统的结构示意图；
图3为本发明第一实施例提供的气体探头的结构示意图；
图4为本发明第一实施例提供的第一参考气室的结构示意图；
图5为本发明第二实施例提供的气体浓度监测方法的一种流程图；
图6为本发明第二实施例提供的气体浓度监测方法的另一种方法流程图；
图7为本发明第二实施例提供的第一参考气室内丙烷的光谱示意图；
图8为本发明第二实施例提供的第二参考气室内丁烷的光谱示意图；
图9为本发明第二实施例提供的气体探头内的光谱示意图；
图10为本发明第三实施例提供的气体浓度监测装置的结构示意图。
图中：10-气体浓度监测系统；11-激光产生装置；111-激光器；112-光纤分束器；113-激光器驱动电路；114-激光器温控电路；115-尾纤；12-气体探头；121-气体探头本体；122-透气窗口；123-第一球面反射镜；124-第二球面反射镜；125-第一入射准直透镜；126-第一光纤耦合透镜；13-参考气室；131-第一参考气室；132-第二入射准直透镜；133-第二光纤耦合透镜；135-第二参考气室；14-光电探测装置；141-第一光电探测器；142-第二光电探测器；143-第三光电探测器；144-第四光电探测器；15-微控制器；16-数据采集电路；17-光缆；171-第一光纤；171a-第一入射端面；171b-第一出射端面；172-第二光纤；172a-第二入射端面；172b-第二出射端面；173-第三光纤；18-报警模块；300-气体浓度监测装置；310-获取单元；320-第一处理单元；321-模型建立单元；322-系数获得单元；330-第二处理单元；340-第三处理单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“内”、“外”、“竖直向上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，“输出”、“经过”、“传输”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“输出”仅仅是指光信号或电信号通过该设备、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述该气体浓度监测系统内各设备、仪器及装置的工作原理、表现所述系统中光信号及电信号的通行逻辑，只是明显区分了各设备、仪器及装置之间的相对位置关系，并不能构成对光路、电路方向及设备仪器大小、尺寸、形状的限定。
传统的气体监测设备主要为可调谐半导体激光吸收光谱技术与光纤传感技术相结合，形成的传感设备，主要应用对单一组分气体进行监测(如甲烷、乙炔等气体)，且相应气体存在分立、明显的特征吸收峰，以便于气体的定量分析。然而，对于吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的可燃性挥发混合组分气体，例如由丙烷和丁烷构成的混合组分气体，上述传统的气体监测设备难以应用。因此，对于吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的可燃性挥发混合组分气体的浓度监测，尚缺乏安全性高且可长时间高精度运行的监测设备。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种气体浓度监测系统，能够有效地实现吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的可燃性挥发混合组分气体的浓度监测。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种气体浓度监测系统10，其包括激光产生装置11、气体探头12、多个参考气室13、光电探测装置14以及微控制器15。微控制器15分别与激光产生装置11、光电探测装置14电连接。
其中，激光产生装置11用于产生基准光、信号光和多束参考光。请参照图2，具体地，激光产生装置11可以包括激光器111和光纤分束器112。激光器111的尾纤115与光纤分束器112的输入端耦合，激光器111输出的激光束传输至光纤分束器112，经光纤分束器112可以分束为信号光、多束参考光以及基准光输出。信号光与基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值，每束参考光的光强与基准光的光强之间的差值的绝对值小于所述预设值。其中，预设值为一个很小的值，接近于0。优选地，信号光、基准光及多束参考光的光强均相等。通过光纤分束器112将激光器111输出的激光进行多路分束，实现同时控制、驱动大范围内多处监测点的参考气室13与气体探头12，使得整个气体浓度监测系统10集成度高，从而便于安装、维护且成本较低。
需要说明的是，作为一种实施方式，所述基准光的光强可以预先设置并存储在微控制器15中，而此时激光产生装置11不需要输出基准光。例如，当已知光纤分束器112输出的信号光和多束参考光均为1mW时，可以在微控制器15中预先存储基准光的光强为1mW。当然，为了提高气体浓度监测系统10的稳定性，激光产生装置11除了产生信号光、多束参考光以外，还需要产生基准光。
为了保证激光器111工作在合理温度之下，激光产生装置11还可以包括激光器温控电路114。为了更进一步地便于操作以及智能化控制，激光产生装置11还可以包括激光器驱动电路113，激光器111通过激光器驱动电路113与微控制器15电连接，激光器111通过激光器温控电路114与微控制器15电连接。微控制器15控制激光器驱动电路113，激光器驱动电路113输出的电压驱动激光器111的尾纤115输出激光束。激光器温控电路114包括比较电路。例如设定激光器111的正常工作温度为10-40℃，微控制器15控制激光器温控电路114检测激光器111的温度，所述比较电路比较激光器111此时的温度与设定点温度值，若激光器111此时的温度为8℃，则激光器温控电路114会做调整，使得激光器111的温度慢慢上升到正常工作温度范围内，也可以上升到预先设定的正常温度T1；若激光器111此时的温度为45℃，则激光器温控电路114会做调整，使得激光器111的温度慢慢下降到正常工作温度范围内，也可以下降到预先设定的正常温度T2，这样，保证激光器111工作在合理的温度。
在本实施例中，激光器111可以为可调谐半导体激光器，优选为(VerticalExternal Cavity Surface Emitting Laser，VECSEL)垂直外腔面发射激光器，VECSEL激光器作为主动探测光源，光谱扫描范围宽，可以获取较详细的可燃性挥发气体吸收光谱信息，较多的光谱扫描点降低了异常数据点出现的概率，有效提高了气体定量分析的精度与稳定性。
此外，在本实施例中，采用光缆17中的几路光纤作为VECSEL激光器输出的激光束的传输波导，实现探测信号远距离传输的同时，还保证了信号传输的稳定性，可以有效实现可燃性挥发气体大区域、远距离、多点同时监测。
本实施例中，气体探头12用于探测待测气体。待测气体包括多种已知种类的气体。例如，待测气体可以是两种气体的混合气体，也可以是三种气体的混合气体。具体的，气体探头12包括气体探头本体121以及在气体探头本体121开设有透气窗口122。优选地，透气窗口122可以为铜制冶金粉末透气窗口，便于监测地点的待测气体通过透气窗口122进入气体探头本体121内，同时，铜制冶金粉末的良好流动性在制造工艺上足以避免在拐弯处产生裂纹，更容易形成透气窗口122，且密封性好。
请参照图3，气体探头本体121包括赫里奥特(Herriott)光学结构。其包括第一球面反射镜123、第二球面反射镜124、第一入射准直透镜125以及第一光纤耦合透镜126。第一球面反射镜123和第二球面反射镜124的曲率半径都可以为100mm，且第一球面反射镜123和第二球面反射镜124光轴重合并球面相向放置。第一球面反射镜123和第二球面反射镜124之间的距离L1可以为90mm。以第一球面反射镜123的中心点为原点o，以第一球面反射镜123的中心点与第二球面反射镜124的中心点之间的连线为z轴，并以靠近第二球面反射镜124的方向为z轴正方向，以竖直向上为y轴正方向,以垂直于yoz平面向里为x轴正方向，则第一入射准直透镜125位于x轴方向-6.7mm，y轴方向-7.1mm处，第一入射准直透镜125的光轴位于yoz平面内且与z轴夹角为8.57°。经光纤分束器112分束的信号光经过光缆17的第一光纤171入射到第一入射准直透镜125。第一光纤171的第一入射端面171a位于第一入射准直透镜125的焦点处，其数值孔径与第一入射准直透镜125的相对孔径相匹配，保证光纤端面出射的激光束经过第一入射准直透镜125准直后的光束在x轴正方向6.7mm，y轴正方向7.1mm处入射气体探头12内，且其方向与第一入射准直透镜125的光轴一致。
以第二球面反射镜124的中心点为原点o，以第一球面反射镜123的中心点与第二球面反射镜124的中心点之间的连线为z轴，并以靠近第二球面反射镜124的方向为z轴正方向，以竖直向上为y轴正方向，以垂直于yoz平面向里为x轴正方向则第一光纤耦合透镜126位于x轴正方向6.7mm，y轴正方向7.1mm处，第一光纤耦合透镜126光轴位于yoz平面内且与z轴夹角为8.57°。第一光纤171的第一出射端面171b放置在第一光纤耦合透镜126的焦点处，且其数值孔径与第一光纤耦合透镜126相对孔径相匹配。光纤分束器112分束的信号光经过光缆17的第一光纤171入射到第一入射准直透镜125，经过第一入射准直透镜125准直后的光束在赫里奥特光学结构内经过第一球面反射镜123和第二球面反射镜124多次反射，光程累计达到3m，一部分被气体探头12内的待测气体吸收，另一部分所述信号光并最终入射到第一光纤耦合透镜126处。可将准直过后的光束耦合进入第一光纤171内，离开气体探头12并继续传输。
在本实施例中，多个参考气室13的具体数量与待测气体的组分数量一致。每个参考气室13中填充有一种参考气体，多个参考气室13内的参考气体与待测气体的各组分一一对应。例如，当待测气体包括三种气体组分，分别为第一气体组分、第二气体组分、第三气体组分时，参考气室13的数量为三个，分别为A参考气室、B参考气室以及C参考气室，其中，A参考气室对应填充有第一气体组分，B参考气室对应填充有第二气体组分，C参考气室对应填充有第三气体组分。
在本发明实施例提供的气体浓度监测系统10的一种具体实施方式中，当待测气体为包括两种已知种类的气体的混合气体时，则多个参考气室13包括第一参考气室131和第二参考气室135。第一参考气室131填充有第一气体组分，第二参考气室135填充有第二气体组分。相应地，上述多束参考光包括第一参考光和第二参考光。例如，第一气体组分可以为丙烷，第二气体组分可以为丁烷。可以理解的是，丙烷和丁烷的吸收光谱线型都呈带状分布，而具有非分立的吸收峰。
此时，第一参考气室131填充有已知体积比的丙烷标准气体和氮气，以氮气作为气压平衡气体，内部气压为一个大气压。同理，第二参考气室135填充有已知体积比的丁烷标准气体和氮气，以氮气作为气压平衡气体，内部气压为一个大气压。其中，丙烷标准气体和丁烷标准气体的具体浓度可以根据需要设置，例如，丙烷标准气体的浓度(体积比)可以为2.2％，丁烷标准气体浓度(体积比)为1.8％。需要说明的是，氮气是对称分子，偶极矩为0，正负电荷中心始终重叠，吸收光谱的强度接近于0，是非红外活性的，所以氮气在可见光区是不吸收的，不吸收红外光，不会吸收激光器111输出的激光束。此时，在本发明实施例中，VECSEL激光器扫描输出激光束的波长范围为1681.88nm-1685.6nm，在该波段内，丙烷与丁烷的吸收光谱满足以下特征：(1)吸收光谱线型都呈带状分布，而非分立的吸收峰；(2)两吸收光谱线型特征差别明显，易于区分、识别；(3)不同浓度的丙烷、丁烷对应的吸收光谱矩阵具有较强的共线性。
进一步地，第一参考气室131和第二参考气室135的结构可以相同，可以都是准直透镜与光纤耦合透镜构成的透光式光路结构。下面以第一参考气室131来举例说明参考气室13的结构，请参照图4，第一参考气室131包括第二入射准直透镜132和第二光纤耦合透镜133，第二入射准直透镜132和第二光纤耦合透镜133的结构相同，但球面相向放置。第二入射准直透镜132和第二光纤耦合透镜133之间的距离L2可以为300mm。经光纤分束器112分束的多束参考光包括第一参考光，所述第一参考光通过光缆17的第二光纤172入射到第二入射准直透镜132，第二光纤172的第二入射端面172a位于第二入射准直透镜132的焦点处，且数值孔径与第二入射准直透镜132相对孔径相匹配。第二光纤172的第二出射端面172b位于第二光纤耦合透镜133的焦点处，且数值孔径与第二光纤耦合透镜133相对孔径相匹配。从第二光纤172的第二入射端面172a出射的第一参考光经过第二入射准直透镜132准直之后，经过第二光纤耦合透镜133会聚再次被耦合进入第二光纤172内，离开第一参考气室131并继续传输。需要说明的是，第二入射准直透镜132和第二光纤耦合透镜133之间的光程可以达到300mm，第一参考光在第一参考气室131的传输中，一部分被第一参考气室131内的丙烷吸收，剩余的另一部分由第一参考气室131出射。
可以理解的是，第二参考气室135与第一参考气室131最主要的区别在于其里面填充的气体组分不相同，第二参考气室135与第一参考气室131结构相同，涉及的原理也一致，这里不再赘述。
光电探测装置14包括多个光电探测器，优选为红外光电探测器。例如，在气体浓度监测系统10中需要监测气体探头12内的待测气体的浓度，所述待测气体包括M种气体，相应地，多个参考气室13至少包括M个参考气室13，则多个光电探测器至少包括M+1个光电探测器。优选的，多个光电探测器包括M+2个光电探测器。
多个光电探测器分别用于接收基准光、由气体探头12输出的信号光以及每个参考气室13输出的参考光。将接收到的信号光以及参考光分别转化为第一电信号发送至微控制器15，将接收到的基准光转换为第二电信号发送至微控制器15。
可以理解的是，当待测气体包括两种气体组分时，多个光电探测器具体包括第一光电探测器141、第二光电探测器142、第三光电探测器143和第四光电探测器144，第一电信号包括第一子信号、第二子信号和第三子信号。其中，第一光电探测器141用于接收由气体探头12输出的信号光，并将接收到的信号光转换为第一子信号。第二光电探测器142用于接收由第一参考气室131输出的第一参考光，并将接收到的第一参考光转换为第二子信号。第三光电探测器143用于接收由第二参考气室135输出的第二参考光，并将接收到的第二参考光转换为第三子信号。第四光电探测器144用于接收光纤分束器112输出的基准光，并将接收到的基准光转换为第二电信号。
气体浓度监测系统10还可以包括数据采集电路16，数据采集电路16分别与微控制器15、光电探测装置14电连接。在微控制器15的控制下，数据采集电路16将光电探测装置14接收到的信号光、多束参考光、基准光转换为第一电信号和第二电信号，并发送到微控制器15。
进一步地，气体浓度监测系统10还包括报警模块18，报警模块18与微控制器15电连接。微控制器15还用于当得到的待测气体的任一组分如丙烷或丁烷的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至所述报警模块18；报警模块18接收到所述报警指令后进行报警。其中，预设阈值可以根据每种组分的浓度阈值设置。例如，报警模块18可以是语音报警或声光报警。
此外，气体浓度监测系统10还可以包括显示模块，显示模块与微控制器15电连接。显示模块可以用于显示气体探头12内的待测气体中各组分的浓度。微控制器15经过处理第一电信号和第二电信号以得到气体探头12内的待测气体中各组分的浓度，再发给显示模块。在本实施例中，显示模块可以显示气体探头12内的丙烷和丁烷各组分的浓度。
本发明实施例提供的气体浓度监测系统10的工作原理如下：
激光器111输出的激光束经光纤分束器112分束的信号光传输至气体探头12内，一部分所述信号光被气体探头12内的待测气体如丙烷和丁烷混合气体吸收，另一部分所述信号光从气体探头12输出并传输至第一光电探测器141。第一光电探测器141将接收到光缆17中第一光纤171输出的光信号，经过数据采集电路16转化为第一子信号发送到微控制器15。
激光器111输出的激光束经光纤分束器112分束的第一参考光传输至第一参考气室131内，一部分所述第一参考光被第一参考气室131内的丙烷吸收，另一部分所述第一参考光从第一参考气室131输出并传输至第二光电探测器142。第二光电探测器142将接收到光缆17中第二光纤172输出的光信号，经过数据采集电路16转化第一子信号发送到微控制器15。
激光器111输出的激光束经光纤分束器112分束的第二参考光传输至第二参考气室135内，一部分所述第二参考光被第二参考气室135内的丁烷吸收，另一部分所述第二参考光从第二参考气室135输出并传输至第三光电探测器143。第三光电探测器143将接收到光缆17中第三光纤173输出的光信号，经过数据采集电路16转化为第一子信号发送到微控制器15。
激光器111输出的激光束经光纤分束器112分束的基准光，经过数据采集电路16转换为第二电信号发送到微控制器15。
微控制器15处理获取到的第一电信号和第二电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头12内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室13内的气体对参考光的吸收量；根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。此外，微控制器15还用于当得到的待测气体的任一组分如丙烷或丁烷的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至报警模块18，报警模块18接收到所述报警指令后进行报警，从而实现对待检测混合气体组分进行高精度定量分析、监测，且具有可长时间稳定运行和本质安全的重要特征。
本发明实施例提供的气体浓度监测系统10通过气体探头12探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的参考气室13。激光产生装置11输出信号光和多束参考光。其中，所述多束参考光与多个所述参考气室13一一对应。通过设置多个所述参考气室13，光电探测装置14将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至微控制器15。微控制器15处理获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱；根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。本发明实施例实现了待测气体，尤其针对吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的气体现场高精度定量监测。
第二实施例
本发明实施例提供了一种气体浓度监测方法，应用于上述第一实施例提供的气体浓度监测系统10。请参照图5，该气体浓度监测方法包括：
步骤S200：根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量；
作为一种实施方式，气体探头12内的待测气体包括多种混合气体，例如可以包括丙烷和丁烷，第一参考气室131填充有已知浓度为2.2％的丙烷标准气体，并以氮气作为气压平衡气体，内部气压为一个大气压。同理，第二参考气室135填充有已知浓度为1.8％的丁烷标准气体，并以氮气作为气压平衡气体，内部气压为一个大气压。其中，丙烷标准气体和丁烷标准气体的具体浓度可以根据需要设置，例如，丙烷标准气体的浓度(体积比)可以为2.2％，丁烷标准气体浓度(体积比)为1.8％。在本实施例中，选择VECSEL激光器扫描输出激光束的波长范围为1681.88nm-1685.6nm，在该波段内，丙烷与丁烷的吸收光谱满足以下特征：(1)吸收光谱线型都呈带状分布，而非分立的吸收峰；(2)两吸收光谱线型特征差别明显，易于区分、识别；(3)不同浓度的丙烷、丁烷对应的吸收光谱矩阵具有较强的共线性。
VECSEL激光器输出的激光束经过光纤分束器112分束为基准光、信号光、第一参考光以及第二参考光。信号光、第一参考光、第二参考光以及基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值。其中，预设值为一个很小的值，接近于0。优选地，信号光、基准光、第一参考光以及第二参考光的光强均相等。在本实施例中，基准光通过传输直接照射到第四光电探测器144上，微控制器15获取基准光直接照射到第四光电探测器144而产生的第二电信号强度A1；信号光经过气体探头12内丙烷和丁烷混合气体吸收后照射到第一光电探测器141而产生的第一子信号强度A2；第一参考光经过第一参考气室131内丙烷吸收后照射到第二光电探测器142而产生的第二子信号强度A3；第二参考光经过第二参考气室135内丁烷吸收后照射到第三光电探测器143而产生的第三子信号强度A4。
将获取到的基准光直接照射到第四光电探测器144而产生的第二电信号强度A1与第一参考光经过第一参考气室131内丙烷吸收后照射到第二光电探测器142而产生的第二子信号强度A3的比值即A1/A3，A1/A3定义为第一参考气室131内丙烷的吸收光谱强度I丙烷参考。
同理，将获取到的基准光直接照射到第四光电探测器144而产生的第二电信号强度A1与第二参考光经过第二参考气室135内丁烷吸收后照射到第三光电探测器143而产生的第三子信号强度A4的比值即A1/A4，A1/A4定义为第二参考气室135丁烷的吸收光谱强度I丁烷参考。
将获取到的基准光直接照射到第四光电探测器144而产生的第二电信号强度A1与信号光经过气体探头12内丙烷和丁烷混合气体吸收后照射到第一光电探测器141而产生的第一子信号强度A2的比值即A1/A2，A1/A2定义为气体探头12内待测混合挥发气体的吸收光谱强度I待测气体。
不同波长处的吸收光谱强度集合起来就是吸收光谱。将不同波长处的I待测气体集合统称为第一吸收光谱，将多个不同波长处的I丙烷参考、I丁烷参考集合统称为多个第二吸收光谱。
请结合参照图5和图6，步骤S210：根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；
步骤S211：根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，建立吸收光谱模型；
步骤S212：通过最小二乘法对所述吸收光谱模型进行拟合，得到第一系数。
气体探头12内的可燃性挥发气体是主要由丙烷和丁烷构成的混合气体，其吸收光谱强度由其内丙烷组分和丁烷组分各自的吸收光谱I丙烷、I丁烷以及光谱背景B叠加而成，可由公式(1)表示：
I待测气体＝I丙烷+I丁烷+B (1)
由于扫描吸收光谱范围内丙烷与丁烷吸收光谱矩阵的共线性，气体探头12内丙烷和丁烷组分吸收光谱强度分别为第一参考气室131内丙烷的吸收光谱强度的K丙烷倍和第二参考气室135内丁烷的吸收光谱强度的K丁烷倍，其关系可有公式(2)、公式(3)表示：
I丙烷＝K丙烷I丙烷参考 (2)
I丁烷＝K丁烷I丁烷参考 (3)
所以，气体探头12内可燃性挥发气体的吸收光谱强度可进一步用公式(4)表示：
I待测气体＝K丙烷I丙烷参考+K丁烷I丁烷参考+B (4)
在监测现场，可同时获取第一参考气室131内丙烷的I丙烷参考、第二参考气室135内丁烷的I丁烷参考以及气体探头12内待检测的可燃性挥发气体的I挥发气体。以公式(4)为依据，此时，公式(4)为第一预设规则，将I丙烷参考与I丁烷参考分别乘以未知倍数K丙烷与K丁烷，并加上未知的光谱背景值B；然后，将计算所得光谱数据与气体探头12内待检测的可燃性挥发气体的吸收光谱I待测气体通过最小二乘法原理求解公式(4)的线性方程拟合，通过拟合计算可以得到未知倍数K丙烷、K丁烷以及未知的光谱背景值B。具体地，获得n组不同波长i处的吸收光谱数据I丙烷参考i、I丁烷参考i、I待测气体i组成线性方程组，i＝1,……,n，即建立的吸收光谱模型为：
此处的K丙烷、K丁烷以及B定义为第一系数。
作为一种实施方式，设定气体探头12内的丙烷浓度为1100ppm、丁烷浓度6300ppm的可燃性挥发气体，求得出，K丙烷为0.029，K丁烷为0.228，B为0.064。
步骤S220：根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；
基于计算出的K丙烷为0.029以及获取的第一参考气室131内丙烷的I丙烷参考，根据公式(2)，可以实时获得气体探头12内丙烷的吸收光谱I丙烷，此时，定义为丙烷组分的第三吸收光谱。同理可得，基于计算出的K丁烷为0.228以及获取的第二参考气室135内丁烷的I丁烷参考根据公式(3)，可以实时获得气体探头12内丁烷的吸收光谱I丁烷，此时，定义为丁烷组分的第三吸收光谱。
步骤S230：根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。
对于丙烷、丁烷组分各自吸收光谱中的扫描点，其强度值分别与丙烷、丁烷组分的浓度C丙烷、C丁烷成线性关系。同时，由于扫描吸收光谱范围内丙烷与丁烷吸收光谱矩阵的共线性，对于不同的扫描点，其强度值与相应气体组分浓度之间线性关系的系数相同。因此，丙烷与丁烷组分各自吸收光谱的强度I丙烷、I丁烷与其相应浓度C丙烷、C丁烷的线性关系，可用公式(5)、(6)表示：
I丙烷＝a丙烷C丙烷+b丙烷 (5)
I丁烷＝a丁烷C丁烷+b丁烷 (6)
其中，a丙烷、b丙烷、a丁烷、b丁烷为已知常数。
将所得吸收光谱的强度I丙烷、I丙烷光谱中扫描中心点的强度值代入公式(5)与公式(6)中，即可以得到探头内可燃性挥发气体中丙烷与丁烷组分的实时浓度，见公式(7)、公式(8)，此时，公式(7)定义为获得丙烷组分的第二预设规则，公式(8)定义为获得丁烷组分的第二预设规则。
以丙烷为例：其吸收光谱中共有n个扫描点，对于浓度为C丙烷1的丙烷气体，其吸收光谱中各扫描点所对应的强度值为I丙烷11、I丙烷12……I丙烷1n，对于浓度为C丙烷2的丙烷气体，其吸收光谱中各扫描点所对应的强度值为I丙烷21、I丙烷22……I丙烷2n，以此类推。对于共有m个浓度的丙烷气体样本组，得到吸收光谱矩阵为：
该矩阵具有较强的共线性。类似的，对于不同浓度的丁烷气体样本，其吸收光谱矩阵同样具有较强的共线性。
作为一种实施方式，不同浓度的丙烷对应的吸收光谱矩阵具有较强的共线性，所以在已知浓度的丙烷气体下，仅选取丙烷扫描吸收光谱中的一个扫描点为标定点，优选地，所述标定点可以为扫描吸收光谱的中心扫描点，通过获取多个已知浓度的丙烷气体样本的扫描吸收光谱中心扫描点的强度值并进行关于丙烷气体组分浓度的线性回归，可以准确得到上述常数值即a丙烷、b丙烷。
不同浓度的丁烷对应的吸收光谱矩阵具有较强的共线性，同理可以得到，所以在已知浓度的丁烷气体下，仅选取丁烷扫描吸收光谱中的一个扫描点为标定点，优选地，所述标定点可以为扫描吸收光谱的中心扫描点，通过获取多个已知浓度的丁烷气体样本的扫描吸收光谱中心扫描点强度值并进行关于丁烷气体组分浓度的线性回归，可以准确得到上述常数值即a丁烷、b丁烷。
作为一种实施方式，在气体探头12内先通入已知不同浓度的丙烷气体，采用最小二乘法对扫描光谱中心点的强度值和丙烷浓度值进行线性回归，得到常数a丙烷为729.267ppm，b丙烷为1089.061ppm，并在微控制器15内进行存储；同理，在气体探头12内先通入已知不同浓度的丁烷气体，采用最小二乘法对扫描光谱中心点的强度值和丁烷浓度值进行线性回归，得到常数a丁烷为2072.698ppm，b丁烷为6121.748ppm，并在微控制器15内进行存储。
综上得到，设定气体探头12内的丙烷浓度为1100ppm、丁烷浓度6300ppm的可燃性挥发气体，丙烷组分浓度与丁烷组分浓度的误差均小于真值的5％，分别为2.57％与4.34％，其中第一参考气室131内丙烷与第二参考气室135内丁烷的吸收光谱分别如图7与图8所示，气体探头12内的可燃性挥发气体吸收光谱以及其内丙烷、丁烷组分的吸收光谱分解如图9所示。在图9中，横坐标表示光谱扫描点，纵坐标表示吸收光谱，曲线D1表示的是气体探头12内的丙烷吸收光谱；曲线D2表示的是气体探头12内的丁烷吸收光谱；曲线D3表示的是气体探头12内混合气体的实际吸收光谱；曲线D4表示的是气体探头12内混合气体的拟合吸收光谱。曲线D4很好地跟随曲线D3，效果很好。气体浓度监测系统10以及应用的气体浓度监测方法消除了可燃性挥发气体中丙烷与丁烷组分吸收光谱严重的交叉干扰现象，有效实现了挥发气体中各组分的精确定量检测，同时，气体浓度监测系统10的电子设备远离可燃性挥发气体监测点处，在现场并无带电运行、操作，从本质上实现了可燃性挥发气体的本质安全监测。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的气体浓度监测方法的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例提供了一种气体浓度监测方法，应用于上述第一实施例中的气体浓度监测系统10中，通过设置多个参考气室13，且每个所述参考气室13与待测气体中的一种气体一一对应，以此实现待测气体，尤其针对吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的气体现场高精度定量监测。
第三实施例
请参照图10，本发明实施例提供了一种气体浓度监测装置300，运行于上述第一实施例提供的气体浓度监测系统10中的微控制器15中，所述气体浓度监测装置300包括：
获取单元310，用于根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头12内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室13内的气体对参考光的吸收量；
第一处理单元320，用于根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；
作为一种实施方式，第一处理单元320包括模型建立单元321和系数获得单元322；
模型建立单元321，用于根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，建立吸收光谱模型。
系数获得单元322，用于通过最小二乘法对所述吸收光谱模型进行拟合，得到第一系数。
第二处理单元330，用于根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱，分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；
第三处理单元340，用于根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。
以上各单元可以是由软件代码实现，此时，上述的各单元可存储于微控制器15中所包括的存储器内。以上各单元同样可以由硬件例如集成电路芯片实现。
本发明实施例提供的气体浓度监测装置300，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体浓度监测系统，其特征在于，包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置以及微控制器，所述微控制器与所述光电探测装置电连接，所述气体探头用于探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的所述参考气室；
所述激光产生装置用于输出信号光和多束参考光，其中，所述多束参考光与所述多个参考气室一一对应；
所述信号光传输至所述气体探头内，一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体探头输出并传输至所述光电探测装置；
每束所述参考光均传输至与该参考光对应的参考气室，一部分该参考光被该参考气室内的气体吸收，另一部分该参考光从该参考气室输出并传输至所述光电探测装置；
所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器；
所述微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。
2.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述激光产生装置还用于产生基准光，所述激光产生装置输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值，所述激光产生装置输出的每束参考光的光强与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于所述预设值；
所述光电探测装置还用于接收所述激光产生装置输出的基准光，将所述基准光转换为第二电信号发送至所述微控制器；
所述微控制器用于处理所述第一电信号和所述第二电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。
3.根据权利要求2所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述激光产生装置包括激光器以及光纤分束器，所述激光器与所述微控制器电连接，所述激光器的输出端与所述光纤分束器的输入端耦合，所述激光器输出的激光光束传输至所述光纤分束器，经所述光纤分束器分束为所述信号光、所述多束参考光以及所述基准光输出。
4.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述气体探头包括赫里奥特光学结构，入射到所述气体探头内的信号光经所述赫里奥特光学结构多次反射后输出，以使得一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收。
5.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述多种气体包括第一气体和第二气体，所述多束参考光包括第一参考光和第二参考光，所述多个参考气室包括填充有所述第一气体的第一参考气室和填充有所述第二气体的第二参考气室；
所述第一参考光传输至所述第一参考气室，一部分所述第一参考光被所述第一参考气室内的第一气体吸收，另一部分所述第一参考光从所述第一参考气室输出并传输至所述光电探测装置；
所述第二参考光输入所述第二参考气室，一部分所述第二参考光被所述第二参考气室内的第二气体吸收，另一部分所述第二参考光从所述第二参考气室输出并传输至所述光电探测装置。
6.根据权利要求5所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述第一气体为丙烷，所述第二气体为丁烷，所述信号光和多束参考光的波长范围均为1681.88nm-1685.6nm。
7.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述气体浓度监测系统还包括报警模块，所述报警模块与所述微控制器电连接；
所述微控制器还用于当得到的待测气体的任一组分的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至所述报警模块；
所述报警模块用于接收到所述报警指令后进行报警。
8.一种气体浓度监测方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的气体浓度监测系统，所述方法包括：
根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量；
根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；
根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；
根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则得到第一系数，包括：
根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，建立吸收光谱模型；
通过最小二乘法对所述吸收光谱模型进行拟合，得到第一系数。
10.一种气体浓度监测装置，其特征在于，运行于权利要求1-7中任一项所述的气体浓度监测系统中的微控制器，所述气体浓度监测装置包括：
获取单元，用于根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量；
第一处理单元，用于根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；
第二处理单元，用于根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱，分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；
第三处理单元，用于根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。
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