CN109900656A - 一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法，包括主控制器、分布式反馈激光器、伸缩结构、挡板、防爆外壳和系统电源，所述主控制器通过串口分别与调制信号发生电路、激光器温度控制电路、第一无线通信模块和显示器连接；所述分布式反馈激光器中封装有激光二极管、NTC热敏电阻、半导体制冷器和光电二极管，激光二极管与调制信号发生电路连接，NTC热敏电阻和半导体制冷器分别与激光器温度控制电路连接；所述挡板中依次设置有光电转换电路、谐波检测电路、协控制器和第二无线通信模块，协控制器通过串口分别与光电转换电路、谐波检测电路和第二无线通信模块连接，光电转换电路和谐波检测电路连接。
Description
技术领域
本发明涉及到气体检测分析领域，尤其涉及到一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法。
背景技术
随着石油、天然气、煤矿等工业的快速发展以及天然气在我国能源消耗结构中占比的逐渐提高，因天然气开采、运输和使用所产生的伤亡事故也不断增多。天然气的主要成分是甲烷，俗称瓦斯。当空气中甲烷含量达到25％-30％时会引起头痛、头晕、乏力、呼吸心跳加速等不良反应，若不及时离开会使人窒息，严重了甚至会危及生命。而当甲烷浓度在5％-16％之间时，遇明火会产生爆炸，据统计我国有40％矿难是由瓦斯爆炸引起的，而瓦斯爆炸造成的死亡人数占我国矿难全部死亡人数的70％以上。同时，甲烷也是一种温室气体，而且是引起温室效应的最主要气体之一。因此，对甲烷气体进行检测对人身安全、工矿安全运行和环境保护等都有着及其重要的作用。
甲烷气体浓度检测的目的主要有以下三个方面：(1)用于防火防爆。在煤矿、油田、化工厂等存在甲烷气体的场所，为了避免甲烷气体泄漏引起燃爆事故，需要对工作环境进行实时、精确的监测，同时对检测设备的可靠性要求非常高，传统的甲烷检测仪器并不能满足需要。(2)用于环境保护。近些年环保问题成为人们关注较多的问题，温室效应尤为突出。甲烷作为最主要的温室气体之一，实现对其实时、大范围的监控，对分析温室效应产生的原因及有针对性地治理温室效应都非常有帮助。(3)用于家庭生活。家用燃气中的天然气、管道煤气中都含有甲烷气体，燃气泄漏会对人身安全和财产安全产生重大威胁，因此实时、小型化的家用甲烷监测报警系统也是非常重要的。
目前常用的气体检测方法有催化燃烧法、半导体气敏法、热导效应法、红外吸收光谱法和气相色谱法等，先对其的不足之处进行说明：催化燃烧法受环境的影响较大，温度、湿度等因素会引起零点漂移，在矿井中的实际操作困难较大，此外，传感器自身可能成为爆炸源，具有安全隐患，元件也会产生“中毒”现象而不能使用；半导体气敏法需要掺杂贵金属Pd和Pt来提高检测灵敏度，会造成工作温度高、稳定性和一致性较差等不利影响，难以应用在实际中；热导效应法主要用于气体纯度的检测，存在检测灵敏度低、检测误差大、温度漂移大等缺点，不适合应用于甲烷浓度的实时检测；红外吸收光谱具有精度高、选择性好、无零点漂移和中毒现象发生等优点，是国内气体检测的主要研究方向，目前国外已有多家公司研制成功了用于矿井下瓦斯检测的基于红外吸收光谱原理的检测设备，但是国内尚未研制出同类产品；气相色谱法分离速度快、测量范围广泛，用来检测甲烷可以达到较高的灵敏度，但是仪器体积大，不方便移动，难以实现实时、在线检测。
为了解决上述问题，本发明提出一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可精确定位的红外甲烷测量装置，它包括主控制器、分布式反馈激光器、伸缩结构、挡板、防爆外壳和系统电源，所述主控制器通过串口分别与调制信号发生电路、激光器温度控制电路、第一无线通信模块和显示器连接；所述分布式反馈激光器中封装有激光二极管、NTC热敏电阻、半导体制冷器和光电二极管，激光二极管与调制信号发生电路连接，NTC热敏电阻和半导体制冷器分别与激光器温度控制电路连接；所述挡板中依次设置有光电转换电路、谐波检测电路、协控制器和第二无线通信模块，协控制器通过串口分别与光电转换电路、谐波检测电路和第二无线通信模块连接，光电转换电路和谐波检测电路连接。
进一步地，所述调制信号发生电路包括低频梯形波发生电路、高频正弦波发生电路、低通滤波器、带通滤波器和信号叠加电路，其中低频梯形波发生电路和高频正弦波发生电路的一端均与主控制器连接，低频梯形波发生电路的另一端与低通滤波器连接，高频正弦波发生电路的另一端与带通滤波器连接；低通滤波器、带通滤波器和主控制器的数模输出接口DA均与信号叠加电路连接；信号叠加电路与分布式反馈激光器连接。
进一步地，所述激光器温度控制电路包括PID模糊控制单元、TEC驱动控制电路、半导体制冷器、压控恒流源电路、NTC热敏电阻和电压调理电路，其中PID模糊控制单元的一端与主控制器连接、另一端与TEC驱动控制电路和半导体制冷器依次连接，NTC热敏电阻置于分布式反馈激光器内且分别与压控恒流源电路和电压调理电路连接，电压调理电路与主控制器电路连接。
进一步地，所述谐波检测电路由依次连接的前置放大电路、带通滤波电路、AD采样电路和数字锁相环电路构成，其中前置放大电路与光电转换电路连接；数字锁相环电路与协控制器连接。
进一步地，所述伸缩结构由支架和伸缩杆构成，一端安装有分布式反馈激光器；伸缩杆上还安置有挡板，可根据实际测量环境调节伸缩杆的长度；主控制器和协控制器可以控制挡板在伸缩杆上以一定步长进行移动。
进一步地，所述分布式反馈激光器和光电转换电路分别在伸缩结构的两端，分布式反馈激光器发射近红外激光经过甲烷气团后直接被光电转换电路接收并转换成电信号，能够有效地提高检测精度、降低因激光反射和散射而带来的误差。
本发明的一种可精确定位的红外甲烷测量方法，可以连续检测一条直线上各处的甲烷平均浓度以精确定位该直线上甲烷发生泄漏的位置，其特征在于：当系统进入工作状态时，分布式反馈激光器发出近红外激光，经甲烷气团吸收后被光电转换电路接收并通过谐波检测电路和协控制器处理后得到甲烷浓度；主控制器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块控制协控制器，使挡板在伸缩结构上以一定步长进行不断的移动；每当挡板移动一个步长就测量一次甲烷浓度并记录其位置，将甲烷浓度以及对应的位置信息存入主控制器中，甲烷浓度最高处即为该直线上甲烷发生泄漏的位置；最后，主控制器控制显示器显示甲烷发生泄漏的位置。
进一步地，激光的发射、吸收和检测的具体过程主要包括以下步骤：
S1.当系统进入工作状态时，根据实际测量环境调节伸缩结构中伸缩杆的长度；主控制器控制调制信号发生电路产生低频梯形波和高频正弦波，两束信号和主控制器的数模输出接口DA传出的信号叠加形成调制信号，用来驱动分布式反馈激光器中的激光二极管，产生调制激光。
S2.激光器温度控制电路实时地监测分布式反馈激光器的温度并进行控制，压控恒流源电路驱动NTC热敏电阻使其根据温度大小产生相对应的NTC热敏电阻电压，NTC热敏电阻电压经过电压调理电路后送入主控制器中与设定温度输出电压在减法器电路进行运算获得温度控制误差e，温度控制误差e经过误差放大器放大后输入到PID模糊控制单元处理，得到控制输出量u，进而控制TEC驱动控制电路对半导体制冷器进行驱动控制，使温度控制误差e减到最小，接近于零，从而实现分布式反馈激光器内部温度的恒定。
S3.分布式反馈激光器经过调制信号发生电路调制和激光器温度控制电路控制温度后产生稳定波长为1653.7nm的近红外激光，该近红外激光射过甲烷气团，经甲烷气团吸收后，改变了调制光信号的波形；携带甲烷浓度信息的光信号被光电转换电路转换成模拟电信号，再依次经过前置放大器放大、带通滤波电路滤波去噪后由AD采样电路转换成数字电信号；随后，将数字电信号送入数字锁相环电路进行锁相解调，解调出相应的一次谐波分量和二次谐波分量；最后，两个谐波分量输入到协控制器中，根据红外吸收原理、朗伯比尔定律和甲烷气团吸收洛伦兹线性得到甲烷浓度。
进一步地，所述数字锁相环电路将AD采样电路中的AD采样信号经FIR高通滤波后与同步调制信号和2倍频同步调制信号对应相乘，然后再分别经FIR低通滤波和信号累加得到一次谐波分量和二次谐波分量，最后分别经过FIR低通滤波、平滑滤波和均值处理后送入协控制器。
本发明的有益效果在于：
1.激光器和光电转换电路分别在伸缩结构的两端。分布式反馈激光器发射近红外激光经过甲烷气团后直接被光电转换电路接收并转换成电信号，能够有效地提高检测精度、降低因激光反射和散射而带来的误差。
2.采用伸缩结构和可移动的挡板机制。可以根据实地测量情况调整装置的测量范围，使得红外甲烷测量装置的使用范围更加广泛，同时，挡板可以以一定步长进行不断的移动，每当挡板移动一个步长就测量一次甲烷浓度并记录其位置，可以得到甲烷泄漏的具体位置，大大方便了后期的维修。
2.在信号提取与处理方面，采用了谐波检测技术和数字锁相环算法。谐波检测技术得到的信号幅值较大、信噪比高、信号提取的难度小，能够提高系统稳定性和检测灵敏度，有利于相关检测系统的设计。同时，采用了数字锁相环算法，能够抑制无用噪声，提高信噪比，可以检测出小信号，提高系统稳定性。
附图说明
图1为本发明的可精确定位的红外甲烷测量装置的整体结构示意图；
图2为图1中主控制器的连接关系图；
图3为图1中分布式反馈激光器的内部构成示意图；
图4为图1中伸缩结构的伸缩和挡板的移动示意图；
图5为图1中挡板的内部构成示意图；
图6为图2中调制信号发生电路的内部构成示意图；
图7为图2中激光器温度控制电路的内部构成示意图；
图8为图7的激光器温度控制原理图；
图9为图5中谐波检测电路的内部构成示意图；
图10为图9中数字锁相环电路的算法设计流程图；
图中：1-主控制器，2-分布式反馈激光器，3-伸缩结构，4-挡板，5-调制信号发生电路，6-激光器温度控制电路，7-第一无线通信模块，8-显示器，9-激光二极管，10-NTC热敏电阻，11-半导体制冷器，12-光电二极管，13-光电转换电路，14-谐波检测电路，15-协控制器，16-第二无线通信模块，17-低频梯形波发生电路，18-高频正弦波发生电路，19-低通滤波器，20-带通滤波器，21-信号叠加电路，22-PID模糊控制单元，23-TEC驱动控制电路，24-压控恒流源电路，25-电压调理电路，26-前置放大器，27-带通滤波器，28-AD采样电路，29-数字锁相环电路，30-系统电源。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1-10所示，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可精确定位的红外甲烷测量装置，它包括主控制器1、分布式反馈激光器2、伸缩结构3、挡板4、防爆外壳30和系统电源，所述主控制器1通过串口分别与调制信号发生电路5、激光器温度控制电路6、第一无线通信模块7和显示器8连接；所述分布式反馈激光器2中封装有激光二极管9、NTC热敏电阻10、半导体制冷器11和光电二极管12，激光二极管9与调制信号发生电路5连接，NTC热敏电阻10和半导体制冷器11分别与激光器温度控制电路6连接；所述挡板4中依次设置有光电转换电路13、谐波检测电路14、协控制器15和第二无线通信模块16，协控制器15通过串口分别与光电转换电路13、谐波检测电路14和第二无线通信模块16连接，光电转换电路13和谐波检测电路14连接。
进一步地，所述调制信号发生电路5包括低频梯形波发生电路17、高频正弦波发生电路18、低通滤波器19、带通滤波器20和信号叠加电路21，其中低频梯形波发生电路17和高频正弦波发生电路18的一端均与主控制器1连接，低频梯形波发生电路17的另一端与低通滤波器19连接，高频正弦波发生电路18的另一端与带通滤波器20连接；低通滤波器19、带通滤波器20和主控制器1的数模输出接口DA均与信号叠加电路21连接；信号叠加电路21与分布式反馈激光器2连接。
进一步地，所述激光器温度控制电路6包括PID模糊控制单元22、TEC驱动控制电路23、半导体制冷器11、压控恒流源电路24、NTC热敏电阻10和电压调理电路25，其中PID模糊控制单元22的一端与主控制器1连接、另一端与TEC驱动控制电路23和半导体制冷器11依次连接，NTC热敏电阻10置于分布式反馈激光器2内且分别与压控恒流源电路24和电压调理电路25连接，电压调理电路25与主控制器1电路连接。
进一步地，所述谐波检测电路14由依次连接的前置放大电路26、带通滤波电路27、AD采样电路28和数字锁相环电路29构成，其中前置放大电路26与光电转换电路13连接；数字锁相环电路29与协控制器15连接。
进一步地，所述伸缩结构3由支架和伸缩杆构成，一端安装有分布式反馈激光器2；伸缩杆上还安置有挡板4，可根据实际测量环境调节伸缩杆的长度；主控制器1和协控制器15可以控制挡板4在伸缩杆上以一定步长进行移动。
进一步地，所述分布式反馈激光器2和光电转换电路13分别在伸缩结构3的两端，分布式反馈激光器2发射近红外激光经过甲烷气团后直接被光电转换电路13接收并转换成电信号，能够有效地提高检测精度、降低因激光反射和散射而带来的误差。
本发明的一种可精确定位的红外甲烷测量方法，可以连续检测一条直线上各处的甲烷平均浓度以精确定位该直线上甲烷发生泄漏的位置，其特征在于：当系统进入工作状态时，分布式反馈激光器2发出近红外激光，经甲烷气团吸收后被光电转换电路13接收并通过谐波检测电路14和协控制器15处理后得到甲烷浓度；主控制器1通过第一无线通信模块7和第二无线通信模块16控制协控制器15，使挡板4在伸缩结构3上以一定步长进行不断的移动；每当挡板4移动一个步长就测量一次甲烷浓度并记录其位置，将甲烷浓度以及对应的位置信息存入主控制器1中，甲烷浓度最高处即为该直线上甲烷发生泄漏的位置；最后，主控制器1控制显示器8显示甲烷发生泄漏的位置。
进一步地，激光的发射、吸收和检测的具体过程主要包括以下步骤：
S1.当系统进入工作状态时，根据实际测量环境调节伸缩结构3中伸缩杆的长度；主控制器1控制调制信号发生电路5产生低频梯形波和高频正弦波，两束信号和主控制器1的数模输出接口DA传出的信号叠加形成调制信号，用来驱动分布式反馈激光器2中的激光二极管9，产生调制激光。
S2.激光器温度控制电路6实时地监测分布式反馈激光器2的温度并进行控制，压控恒流源电路24驱动NTC热敏电阻10使其根据温度大小产生相对应的NTC热敏电阻电压，NTC热敏电阻电压经过电压调理电路25后送入主控制器1中与设定温度输出电压在减法器电路进行运算获得温度控制误差e，温度控制误差e经过误差放大器放大后输入到PID模糊控制单元22处理，得到控制输出量u，进而控制TEC驱动控制电路23对半导体制冷器11进行驱动控制，使温度控制误差e减到最小，接近于零，从而实现分布式反馈激光器2内部温度的恒定。
S3.分布式反馈激光器2经过调制信号发生电路5调制和激光器温度控制电路6控制温度后产生稳定波长为1653.7nm的近红外激光，该近红外激光射过甲烷气团，经甲烷气团吸收后，改变了调制光信号的波形；携带甲烷浓度信息的光信号被光电转换电路13转换成模拟电信号，再依次经过前置放大器26放大、带通滤波电路27滤波去噪后由AD采样电路28转换成数字电信号；随后，将数字电信号送入数字锁相环电路29进行锁相解调，解调出相应的一次谐波分量和二次谐波分量；最后，两个谐波分量输入到协控制器15中，根据红外吸收原理、朗伯比尔定律和甲烷气团吸收洛伦兹线性得到甲烷浓度。
进一步地，所述数字锁相环电路29将AD采样电路28中的AD采样信号经FIR高通滤波后与同步调制信号和2倍频同步调制信号对应相乘，然后再分别经FIR低通滤波和信号累加得到一次谐波分量和二次谐波分量，最后分别经过FIR低通滤波、平滑滤波和均值处理后送入协控制器15。
Claims (9)
1.一种可精确定位的红外甲烷测量装置，它包括主控制器(1)、分布式反馈激光器(2)、伸缩结构(3)、挡板(4)、防爆外壳(30)和系统电源，所述主控制器(1)通过串口分别与调制信号发生电路(5)、激光器温度控制电路(6)、第一无线通信模块(7)和显示器(8)连接；所述分布式反馈激光器(2)中封装有激光二极管(9)、NTC热敏电阻(10)、半导体制冷器(11)和光电二极管(12)，激光二极管(9)与调制信号发生电路(5)连接，NTC热敏电阻(10)和半导体制冷器(11)分别与激光器温度控制电路(6)连接；所述挡板(4)中依次设置有光电转换电路(13)、谐波检测电路(14)、协控制器(15)和第二无线通信模块(16)，协控制器(15)通过串口分别与光电转换电路(13)、谐波检测电路(14)和第二无线通信模块(16)连接，光电转换电路(13)和谐波检测电路(14)连接。
2.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述调制信号发生电路(5)包括低频梯形波发生电路(17)、高频正弦波发生电路(18)、低通滤波器(19)、带通滤波器(20)和信号叠加电路(21)，其中低频梯形波发生电路(17)和高频正弦波发生电路(18)的一端均与主控制器(1)连接，低频梯形波发生电路(17)的另一端与低通滤波器(19)连接，高频正弦波发生电路(18)的另一端与带通滤波器(20)连接；低通滤波器(19)、带通滤波器(20)和主控制器(1)的数模输出接口DA均与信号叠加电路(21)连接；信号叠加电路(21)与分布式反馈激光器(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述激光器温度控制电路(6)包括PID模糊控制单元(22)、TEC驱动控制电路(23)、半导体制冷器(11)、压控恒流源电路(24)、NTC热敏电阻(10)和电压调理电路(25)，其中PID模糊控制单元(22)的一端与主控制器(1)连接、另一端与TEC驱动控制电路(23)和半导体制冷器(11)依次连接，NTC热敏电阻(10)置于分布式反馈激光器(2)内且分别与压控恒流源电路(24)和电压调理电路(25)连接，电压调理电路(25)与主控制器(1)电路连接。
4.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述谐波检测电路(14)由依次连接的前置放大电路(26)、带通滤波电路(27)、AD采样电路(28)和数字锁相环电路(29)构成，其中前置放大电路(26)与光电转换电路(13)连接；数字锁相环电路(29)与协控制器(15)连接。
5.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述伸缩结构(3)由支架和伸缩杆构成，一端安装有分布式反馈激光器(2)；伸缩杆上还安置有挡板(4)，可根据实际测量环境调节伸缩杆的长度；主控制器(1)和协控制器(15)可以控制挡板(4)在伸缩杆上以一定步长进行移动。
6.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述分布式反馈激光器(2)和光电转换电路(13)分别在伸缩结构(3)的两端，分布式反馈激光器(2)发射近红外激光经过甲烷气团后直接被光电转换电路(13)接收并转换成电信号，能够有效地提高检测精度、降低因激光反射和散射而带来的误差。
7.一种可精确定位的红外甲烷测量方法，可以连续检测一条直线上各处的甲烷平均浓度以精确定位该直线上甲烷发生泄漏的位置，其特征在于：当系统进入工作状态时，分布式反馈激光器(2)发出近红外激光，经甲烷气团吸收后被光电转换电路(13)接收并通过谐波检测电路(14)和协控制器(15)处理后得到甲烷浓度；主控制器(1)通过第一无线通信模块(7)和第二无线通信模块(16)控制协控制器(15)，使挡板(4)在伸缩结构(3)上以一定步长进行不断的移动；每当挡板(4)移动一个步长就测量一次甲烷浓度并记录其位置，将甲烷浓度以及对应的位置信息存入主控制器(1)中，甲烷浓度最高处即为该直线上甲烷发生泄漏的位置；最后，主控制器(1)控制显示器(8)显示甲烷发生泄漏的位置。
8.根据权利要求7所述的一种可精确定位的红外甲烷测量方法，激光的发射、吸收和检测的具体过程主要包括以下步骤：
S1.当系统进入工作状态时，根据实际测量环境调节伸缩结构(3)中伸缩杆的长度；主控制器(1)控制调制信号发生电路(5)产生低频梯形波和高频正弦波，两束信号和主控制器(1)的数模输出接口DA传出的信号叠加形成调制信号，用来驱动分布式反馈激光器(2)中的激光二极管(9)，产生调制激光；
S2.激光器温度控制电路(6)实时地监测分布式反馈激光器(2)的温度并进行控制，压控恒流源电路(24)驱动NTC热敏电阻(10)使其根据温度大小产生相对应的NTC热敏电阻电压，NTC热敏电阻电压经过电压调理电路(25)后送入主控制器(1)中与设定温度输出电压在减法器电路进行运算获得温度控制误差e，温度控制误差e经过误差放大器放大后输入到PID模糊控制单元(22)处理，得到控制输出量u，进而控制TEC驱动控制电路(23)对半导体制冷器(11)进行驱动控制，使温度控制误差e减到最小，接近于零，从而实现分布式反馈激光器(2)内部温度的恒定；
S3.分布式反馈激光器(2)经过调制信号发生电路(5)调制和激光器温度控制电路(6)控制温度后产生稳定波长为1653.7nm的近红外激光，该近红外激光射过甲烷气团，经甲烷气团吸收后，改变了调制光信号的波形；携带甲烷浓度信息的光信号被光电转换电路(13)转换成模拟电信号，再依次经过前置放大器(26)放大、带通滤波电路(27)滤波去噪后由AD采样电路(28)转换成数字电信号；随后，将数字电信号送入数字锁相环电路(29)进行锁相解调，解调出相应的一次谐波分量和二次谐波分量；最后，两个谐波分量输入到协控制器(15)中，根据红外吸收原理、朗伯比尔定律和甲烷气团吸收洛伦兹线性得到甲烷浓度。
9.根据权利要求8所述的一种可精确定位的红外甲烷测量方法，其特征在于：所述数字锁相环电路(29)将AD采样电路(28)中的AD采样信号经FIR高通滤波后与同步调制信号和2倍频同步调制信号对应相乘，然后再分别经FIR低通滤波和信号累加得到一次谐波分量和二次谐波分量，最后分别经过FIR低通滤波、平滑滤波和均值处理后送入协控制器(15)。
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