CN110749549A

CN110749549A - 一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法

Info

Publication number: CN110749549A
Application number: CN201911159287.1A
Authority: CN
Inventors: 蒋奇; 董鑫
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-02-04

Abstract

本发明公开了一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法，包括两气室，第一气室内穿设参考臂，第二气室内穿设传感臂；所述参考臂两端均穿出第一气室，传感臂两端均穿出第二气室，参考臂和传感臂一端与第一光纤耦合器连接，参考臂和传感臂另一端与第二光纤耦合器连接，第一光纤耦合器通过光纤与扫描光源连接，第二光纤耦合器通过光纤与成分及浓度分析模块连接。该装置采用光纤传感的方式，与传统方式比设计简单，测量气体多样，具有体积小，结构紧凑，抗电磁干扰，易于信号解调等特点。

Description

一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法

技术领域

本公开属于恶臭气体检测技术领域，具体涉及一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法。

背景技术

养殖场、公共卫生间、垃圾场等场所存在的恶臭气体严重影响周围的环境，恶臭气体的检测对其治理与评估有着重要作用。常见的恶臭气体有氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯等多种气体，技术原理根据不同的气体有催化燃烧、红外线、电化学、半导体、PID光电离子等多种方式。催化燃烧式传感器主要用于可燃气体的检测，输出信号线性好、成本较低但催化剂易中毒影响使用寿命；红外线检测基于待测组分浓度的不同，吸收的辐射能不同，剩余辐射能使检测器里温度变化不同，导致动片薄膜受压不同，产生电容检测器的电信号来分析待测组分的浓度，该方法设计较为复杂；电化学方法是通过测量气体在电极处氧化或还原来测量电流，适用于可氧化还原的气体或部分惰性气体，并不适合每一种气体；PID光电离子方法使用离子灯产生的紫外光对目标气体进行照射，吸收能量后会被电离，通过检测电离后产生的微小电流，检测出目标气体的浓度，适用于检测有机挥发气体，但现有的PID光电离子方法只适用于检测单一气体浓度，无法有效检测混合恶臭气体及浓度。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法；该装置采用光纤传感的方式，与传统方式比设计简单，测量气体多样，具有体积小，结构紧凑，抗电磁干扰，易于信号解调等特点。

本公开的第一发明目的是提出一种恶臭气体成分及浓度监测装置，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种恶臭气体成分及浓度监测装置，包括两气室，第一气室内穿设参考臂，第二气室内穿设传感臂；所述参考臂两端均穿出第一气室，传感臂两端均穿出第二气室，参考臂和传感臂一端与第一光纤耦合器连接，参考臂和传感臂另一端与第二光纤耦合器连接，第一光纤耦合器通过光纤与扫描光源连接，第二光纤耦合器通过光纤与成分及浓度分析模块连接。

作为进一步的技术方案，所述参考臂由单模光纤和带孔空心类光纤通过熔接形成，单模光纤置于第一气室外，带孔空心类光纤穿设于第一气室内。

作为进一步的技术方案，所述传感臂由单模光纤和带孔空心类光纤通过熔接形成，单模光纤置于第二气室外，带孔空心类光纤穿设于第二气室内。

作为进一步的技术方案，所述成分及浓度分析模块包括光电转换模块、解调模块、控制器，光电转换模块通过光纤与第二光纤耦合器连接，光电转换模块与解调模块连接，解调模块与控制器连接。

作为进一步的技术方案，所述控制器还与扫描光源连接。

作为进一步的技术方案，所述第一气室为密封气室。

作为进一步的技术方案，所述第二气室顶部设置进气口与气体收集泵连接。

作为进一步的技术方案，所述第一气室和第二气室邻接设置。

本公开的第二发明目的提出如上所述的恶臭气体成分及浓度监测装置的监测方法，包括以下步骤：

检测恶臭气体时，将恶臭气体通入第二气室内；

扫描光源发出单一波长的光，光经由参考臂和传感臂传输给成分及浓度分析模块；

改变扫描光源发出光的波长，得到不同波长下恶臭气体的折射率；

成分及浓度分析模块先经由光电转换，而后解调，分析出恶臭气体浓度及成分。

作为进一步的技术方案，扫描光源的光先分路由参考臂和传感臂传输，而后合路传输给成分及浓度分析模块，根据合路后产生的干涉图样发生的光强变化或波长漂移，分析恶臭气体的浓度；由不同波长的气体折射率不同，通过构建折射率矩阵测出恶臭气体的成分。

本公开的有益效果为：

本公开采用光纤马赫曾德干涉仪传感的方式，比传统方式设计简单，不需要复杂的处理方式，与现有气体检测方法相比，本公开通过不同波长的光源扫描可以测量混合气体成分及相对应的气体浓度，具有体积小，结构紧凑，抗电磁干扰，易于信号解调等特点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一个实施例中公开的整体结构示意图；

图中，1为第一光纤耦合器，2为传感臂，3为气室，4为带孔空心类光纤，5为光纤进入口，6为单模光纤，7为进气口，8为参考臂，9第二光纤耦合器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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公开的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法。

本公开提出一种恶臭气体成分及浓度监测装置，包括两气室，第一气室内穿设参考臂，第二气室内穿设传感臂；所述参考臂两端均穿出第一气室，传感臂两端均穿出第二气室，参考臂和传感臂一端与第一光纤耦合器连接，参考臂和传感臂另一端与第二光纤耦合器连接，第一光纤耦合器通过光纤与扫描光源连接，第二光纤耦合器通过光纤与成分及浓度分析模块连接。

实施例1

下面结合附图1对本实施例公开的监测装置做进一步的说明；

参照附图1所示，恶臭气体成分及浓度监测装置，包括两气室3、浓度传感探头、成分及浓度分析模块、扫描光源。

两气室3邻接设置，且一气室3为密封气室，密封气室穿设参考臂8，另一气室3为开放气室，开放气室穿设传感臂2，该传感臂为马赫曾德传感探头传感臂；

参考臂8和传感臂2均由单模光纤6和带孔空心类光纤4通过熔接形成的，传感臂2由开放气室一侧的光纤进入口5穿过，由另一侧穿出，参考臂8由密封气室一侧穿过，由另一侧穿出，且同一侧的传感臂2和参考臂8由第一光纤耦合器1合路，另一侧的传感臂2和参考臂8由第二光纤耦合器9合路。第一光纤耦合器1和第二光纤耦合器9均为3dB耦合器。

单模光纤和空心类光纤均为现有已知技术，在此不再赘述。

带孔空心类光纤是采用激光、离子束刻蚀等方法，在空心类光纤上进行打孔，打一个孔即可，打孔目的是可以使气体进入空心类光纤，产生光波导的改变后，成分及浓度分析模块进行光电转换后进行传感信息的解调，得到恶臭气体的成分及各成分浓度。

带孔空心类光纤4设置于气室内，带孔空心类光纤4的孔可使气体进入其内。

开放气室顶部设置进气口7，用于待测气体的进出，且进气口7处设置气体收集泵。气体收集泵采用现有泵类结构，能向气室内输送气体即可，在此不再赘述。

第一光纤耦合器1通过光纤与扫描光源连接，第二光纤耦合器9通过光纤与成分及浓度分析模块连接。

成分及浓度分析模块由光电转换模块、解调模块、控制器组成，光电转换模块通过光纤与第二光纤耦合器9连接，光电转换模块与解调模块连接，解调模块与控制器连接，控制器还与扫描光源连接。

在进行气体成分检测时，使用不同波长的激光作为光源，加入光开关。不同波长的激光和光开关构成扫描光源，进行波长扫描。进气口7处安设的气体收集泵定时开启，吸收特定流量的气体，进行检测。

具体成分及浓度分析过程为：进气口7上面安装气体收集泵，在检测气体成分时，气体收集泵工作吸收外部气体进入气室3，此时扫描光源发出单一波长的光在光纤中进行传输，当气体浓度变化时其干涉相位受到调制，通过成分及浓度分析模块进行浓度的分析，成分及浓度分析模块先经由光电转换后通过解调模块进行传感信息的解调，而后由控制器分析得到恶臭气体的成分及各成分浓度。控制器用于控制系统功能的运行。

控制器控制扫描光源进行波长扫描，得到不同波长下混合气体的折射率。因为不同波长的气体折射率不同，通过构建的折射率矩阵计算出各气体的成分及浓度。

本公开采用的是光纤马赫曾德干涉仪的方法检测，可以检测混合的恶臭气体及其浓度。

本公开还给出如上所述的恶臭气体成分及浓度监测装置的监测方法，包括以下步骤：

检测恶臭气体时，将恶臭气体通入第二气室内；

成分及浓度分析模块先经由光电转换，而后解调，分析出恶臭气体浓度及成分；

具体的，扫描光源的光先分路由参考臂和传感臂传输，而后合路传输给成分及浓度分析模块，根据合路后产生的干涉图样发生的光强变化或波长漂移，分析恶臭气体的浓度；由不同波长的气体折射率不同，通过构建折射率矩阵测出恶臭气体的成分。

以下说明本公开监测恶臭气体成分及浓度的具体原理：

在浓度监测系统中，扫描光源发出的光能为：

其中，E₀为光波振幅，ω光波的频率，k₀为传播常数，n为光纤纤芯的折射率，x为传播路程，e为指数函数的底，i为虚数，t为时间。

由输出的光能可以得到光强，即：

两束光经过第一光纤耦合器1时，若在传感臂2中传输的光有π/2相位延迟，参考臂8中传输的光没有相位延迟，则此时传感臂2中的传输光的能量为E_s1、参考臂8中传输的光能为E_r1，分别表示为：

式中，l_s为传感臂物理长度，l_r为参考臂物理长度，α、ξ为常数。传感臂2和参考臂8中传输的光经过第二光纤耦合器9后发生干涉，如果发生干涉的是两束相干光，则输出光强为

其中，I_s，I_r分别为传感臂中传输光的光强、参考臂中传输光的光强，是两束光的相位差。

若传感臂2中传输的光再次发生相位延迟，参考臂8中传输的光没有相位延迟，则传感臂2输出光能E_s2、参考臂8输出光能E_r2，分别为：

则干涉后输出光强为：

其中，传感臂2与参考臂8中传输光的相位差为：

根据推导的公式，当传感臂2中传输的光感受到气体浓度发生变化即气体折射率变化时，其相位受到调制，而参考臂8不受气体浓度变化的影响，两束相干光相遇后发生干涉形成干涉图样，可以根据干涉图样发生的光强变化或波长漂移可以实现解调，分析出气体浓度的变化。

在进行气体成分检测时，在特定波长下，不同种类的气体具有不同的折射率，同时，相同的气体在不同波长下也具有不同的折射率，构建折射率矩阵：

其中：

表示第x种气体在第y种波长下的折射率；c^y表示第y种气体的含量，N^y为测得的混合气体的折射率。根据这种方法，可以测得恶臭气体的成分。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，包括两气室，第一气室内穿设参考臂，第二气室内穿设传感臂；所述参考臂两端均穿出第一气室，传感臂两端均穿出第二气室，参考臂和传感臂一端与第一光纤耦合器连接，参考臂和传感臂另一端与第二光纤耦合器连接，第一光纤耦合器通过光纤与扫描光源连接，第二光纤耦合器通过光纤与成分及浓度分析模块连接。

2.如权利要求1所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述参考臂由单模光纤和带孔空心类光纤通过熔接形成，单模光纤置于第一气室外，带孔空心类光纤穿设于第一气室内。

3.如权利要求1所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述传感臂由单模光纤和带孔空心类光纤通过熔接形成，单模光纤置于第二气室外，带孔空心类光纤穿设于第二气室内。

4.如权利要求1所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述成分及浓度分析模块包括光电转换模块、解调模块、控制器，光电转换模块通过光纤与第二光纤耦合器连接，光电转换模块与解调模块连接，解调模块与控制器连接。

5.如权利要求4所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述控制器还与扫描光源连接。

6.如权利要求1所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述第一气室为密封气室。

7.如权利要求1所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述第二气室顶部设置进气口与气体收集泵连接。

8.如权利要求1所述的恶臭气体成分及浓度监测装置，其特征是，所述第一气室和第二气室邻接设置。

9.如权利要求1-8任一项所述的恶臭气体成分及浓度监测装置的监测方法，其特征是，包括以下步骤：

检测恶臭气体时，将恶臭气体通入第二气室内；

10.如权利要求9所述的监测方法，其特征是，扫描光源的光先分路由参考臂和传感臂传输，而后合路传输给成分及浓度分析模块，根据合路后产生的干涉图样发生的光强变化或波长漂移，分析恶臭气体的浓度；由不同波长的气体折射率不同，通过构建折射率矩阵测出恶臭气体的成分。