CN112630152A - 一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，包括预处理模块、激光检测模块、后处理模块；预处理模块包括控制阀和过滤装置；激光检测模块包括激光器、激光控制器、棱镜组、检测气室、聚光透镜、探测器及挡光环；在输送沼气的主管道上通过并联旁通管与控制阀连接，过滤装置通过连接管与控制阀连接，检测气室通过连接管与过滤装置连接；棱镜组与挡光环位于检测气室一侧，聚光透镜与探测器位于检测气室另一相对侧；激光穿过棱镜组后进入检测气室内，并从聚光透镜透过聚焦在探测器上；后处理模块对激光器、探测器的光波数据进行测量及处理。本系统响应速度快，测量精度高，实时性好，适用于沼气、天然气等气体的成分在线检测。

Description

一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，尤其是一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统。
背景技术
沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体，其作为能源利用已有很长的历史。我国作为能源消费大国，新能源的开发利用对国民经济的可持续发展具有重要的意义，随着农村社会经济的迅速发展，沼气资源作为一项极具应用前景的新能源，其开发利用是解决能源紧张形势下农村能源供应问题的有效举措，其发展日益受到国家的重视。
在沼气成分中，甲烷的含量大约为55％-70％，占到可燃成分的90％以上，因此，甲烷的含量对沼气的燃烧性能有着决定性的作用。目前的检测方法往往都是离线式检测，取样的过程不仅浪费了大量的人力物力，而且具有一定的危险性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，包括预处理模块、激光检测模块、后处理模块；所述预处理模块包括控制阀和过滤装置；所述激光检测模块包括激光器、用于控制激光器的激光控制器、棱镜组、检测气室、聚光透镜、探测器及挡光环；在输送沼气的主管道上通过三通并联有一旁通管，所述旁通管与所述控制阀连接，所述过滤装置通过连接管与所述控制阀连接，所述检测气室通过连接管与所述过滤装置连接；所述棱镜组与所述挡光环位于所述检测气室一侧，所述聚光透镜与探测器位于所述检测气室另一相对侧；从激光器出来的激光穿过所述棱镜组后进入所述检测气室内，并从所述聚光透镜透过聚焦在所述探测器上；所述后处理模块对所述激光器、所述探测器的光波数据进行测量及处理。
预处理模块的过滤装置，可对沼气中的残留杂质、水分和细菌进行吸收，防止其对测量结果造成影响；激光检测模块是本系统的核心部分，通过发射一束特定波长的激光，经棱镜组处理后送至检测气室，被检测气室中的甲烷气体充分吸收，测量对比探测器接受的光波功率与激光器发射的光波功率，通过后处理模块对数据进行反演即可得到甲烷的浓度信息。控制阀可直接控制旁通管的启停。
所述过滤装置的外壳采用具有抗腐蚀性和抗氧化性材质制成的外壳；所述过滤装置设置有气体入口、气体出口和杂质出口，所述气体入口通过连接管与所述控制阀连接，所述气体出口通过连接管与所述检测气室连接。
所述棱镜组包括一对变形棱镜对和一个鲍威尔棱镜，所述变形棱镜对靠近所述激光器，所述鲍威尔棱镜位于所述检测气室外侧，所述检测气室为采用透明亚克力板制成的气室；所述聚光透镜为菲涅尔透镜；从激光器出来的激光依次穿过所述变形棱镜对、所述鲍威尔棱镜后优化成光密度均匀且稳定性良好的直线，对检测气室内气体进行多点检测，直线分布的激光光束透过所述聚光透镜后聚焦到所述探测器上。变形棱镜对可拓宽一个方向上的光斑直径，使激光器的圆形光束变为椭圆形光束，此时光束密度不均匀，容易对测量结果造成影响，且光束直径依然很小。鲍威尔棱镜可将继续将椭圆形光束优化成光密度均匀、稳定性好的直线，便于对检测气室内的气体进行多点检测。聚光透镜采用菲涅尔透镜，可将发散的激光聚焦到探测器上。
所述旁通管、连接管均采用透明亚克力板加工制成；所述旁通管和连接管的直径均不大于5cm，所述检测气室的形状为长方体，其轴向横截面形状为正方形，正方形边长为10～15cm，轴向长为25～30cm。
所述挡光环套设在所述检测气室的外侧，所述挡光环采用不透明橡胶材料制成，其一侧设置有用于固定鲍威尔棱镜的第一定位孔，其另一侧设置有若干个用于固定所述聚光透镜的第二定位孔。挡光环采用不透明橡胶材料制成，目的是遮挡未透过聚光透镜的部分激光，防止对环境造成光污染。
所述激光器选用波长为1647nm的激光器。
所述后处理模块包括用于对所述探测器进行光波测量的锁相放大器、以及信号处理器，所述锁相放大器将测量到的数据传递给信号处理器进行处理。
与现有技术对比，本发明的优点在于：
1、本系统基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)，具有检测精度高、实时性好、可进行远距离检测等优点。
2、通过采用变形棱镜对、鲍威尔棱镜、挡光环和聚光透镜的组合，将一束激光转化为3-5束密度均匀的扇形激光输出至探测器上，并将处理后的浓度数据取平均值，减小误差。
3、过滤装置可过滤掉沼气中的残留杂质、水分和细菌，可间接提高检测精度。
4、亚克力板具有透光性强、寿命长、耐酸碱性好、维护方便等优点，适用于室外的激光检测。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例激光检测模块光学检测的原理图；
图3为本发明实施例激光检测模块的系统图。
图中附图标记含义：1、储气罐；2、进气管；3、旁通管；4、控制阀；5、连接管；6、过滤装置；7、输气主管；8、激光检测模块；81、激光器；82、变形棱镜对；83、鲍威尔棱镜；84、挡光环；85、检测气室；86、聚光透镜；87、探测器；9、激光控制器；10、锁相放大器；11、信号处理器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
参阅图1至图3，为一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，包括预处理模块、激光检测模块8、后处理模块；预处理模块包括控制阀4和过滤装置6；激光检测模块8包括激光器81、用于控制激光器81的激光控制器9、棱镜组、检测气室85、聚光透镜86、探测器87及挡光环84；在输送沼气的输气主管7上通过三通并联有一旁通管3，旁通管3与控制阀4连接，过滤装置6通过连接管5与控制阀4连接，检测气室85通过连接管5与过滤装置6连接；棱镜组与挡光环84位于检测气室85一侧，聚光透镜86与探测器87位于检测气室85另一相对侧；从激光器81出来的激光穿过棱镜组后进入检测气室85内，并从聚光透镜86透过聚焦在探测器87上；后处理模块对激光器81、探测器87的光波数据进行测量及处理。现有沼气输送系统包括储气罐1、进气管2，进气管2与储气罐1连接并为其提供沼气；输送沼气的输气主管7连接在储气罐1上。
预处理模块的过滤装置6，可对沼气中的残留杂质、水分和细菌进行吸收，防止其对测量结果造成影响；激光检测模块8是本系统的核心部分，通过发射一束特定波长的激光，经棱镜组处理成成扇形光束后送至检测气室85，被检测气室85中的甲烷气体充分吸收，测量对比探测器87接受的光波功率与激光器81发射的光波功率，通过后处理模块对几组数据进行反演求取平均值即可得到甲烷的浓度信息。控制阀4可直接控制旁通管3的启停。
过滤装置6的外壳采用具有抗腐蚀性和抗氧化性材质制成的外壳；过滤装置6设置有气体入口、气体出口和杂质出口，气体入口通过连接管5与控制阀4连接，气体出口通过连接管5与检测气室85连接。
棱镜组包括一对变形棱镜对82和一个鲍威尔棱镜83，变形棱镜对82靠近激光器81，鲍威尔棱镜83位于检测气室85外侧，检测气室85为采用透明亚克力板制成的气室；聚光透镜86为菲涅尔透镜；从激光器81出来的激光依次穿过变形棱镜对82、鲍威尔棱镜83后优化成光密度均匀且稳定性良好的直线，对检测气室85内气体进行多点检测，直线分布的激光光束透过聚光透镜86后聚焦到探测器87上。变形棱镜对82可拓宽一个方向上的光斑直径，使激光器81的圆形光束变为椭圆形光束，此时光束密度不均匀，容易对测量结果造成影响，且光束直径依然很小。鲍威尔棱镜83可将继续将椭圆形光束优化成光密度均匀、稳定性好的直线，便于对检测气室85内的气体进行多点检测。聚光透镜86采用菲涅尔透镜，可将发散的激光聚焦到探测器87上。
旁通管3、连接管5均采用透明亚克力板加工制成；旁通管3和连接管5的直径均不大于5cm，检测气室85的形状为长方体，其轴向横截面形状为正方形，正方形边长为10～15cm，轴向长为25～30cm。
挡光环84套设在检测气室85的外侧，挡光环84采用不透明橡胶材料制成，其一侧设置有用于固定鲍威尔棱镜83的第一定位孔，其另一侧设置有若干个用于固定聚光透镜86的第二定位孔。挡光环84采用不透明橡胶材料制成，目的是遮挡未透过聚光透镜86的部分激光，防止对环境造成光污染。第二定位孔设有3～5个，可将经鲍威尔棱镜83优化处理的光路切割成3～5个光路。
激光器81选用波长为1647nm的激光器81。
后处理模块包括用于对探测器87进行光波测量的锁相放大器10、以及信号处理器11，锁相放大器10将测量到的数据传递给信号处理器11进行处理。本实施例中，锁相放大器10属于现有技术，因此不展开具体分析。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：包括预处理模块、激光检测模块、后处理模块；所述预处理模块包括控制阀和过滤装置；所述激光检测模块包括激光器、用于控制激光器的激光控制器、棱镜组、检测气室、聚光透镜、探测器及挡光环；在输送沼气的输气主管上通过三通并联有一旁通管，所述旁通管与所述控制阀连接，所述过滤装置通过连接管与所述控制阀连接，所述检测气室通过连接管与所述过滤装置连接；所述棱镜组与所述挡光环位于所述检测气室一侧，所述聚光透镜与探测器位于所述检测气室另一相对侧；从激光器出来的激光穿过所述棱镜组后进入所述检测气室内，并从所述聚光透镜透过聚焦在所述探测器上；所述后处理模块对所述激光器、所述探测器的光波数据进行测量及处理。
2.根据权利要求1所述的在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：所述过滤装置的外壳采用具有抗腐蚀性和抗氧化性材质制成的外壳；所述过滤装置设置有气体入口、气体出口和杂质出口，所述气体入口通过连接管与所述控制阀连接，所述气体出口通过连接管与所述检测气室连接。
3.根据权利要求1所述的在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：所述棱镜组包括一对变形棱镜对和一个鲍威尔棱镜，所述变形棱镜对靠近所述激光器，所述鲍威尔棱镜位于所述检测气室外侧，所述检测气室为采用透明亚克力板制成的气室；所述聚光透镜为菲涅尔透镜；从激光器出来的激光依次穿过所述变形棱镜对、所述鲍威尔棱镜后优化成光密度均匀且稳定性良好的直线，对检测气室内气体进行多点检测，直线分布的激光光束透过所述聚光透镜后聚焦到所述探测器上。
4.根据权利要求1所述的在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：所述旁通管、连接管均采用透明亚克力板加工制成；所述旁通管和连接管的直径均不大于5cm，所述检测气室的形状为长方体，其轴向横截面形状为正方形，正方形边长为10～15cm，轴向长为25～30cm。
5.根据权利要求3所述的在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：所述挡光环套设在所述检测气室的外侧，所述挡光环采用不透明橡胶材料制成，其一侧设置有用于固定鲍威尔棱镜的第一定位孔，其另一侧设置有若干个用于固定所述聚光透镜的第二定位孔。
6.根据权利要求1所述的在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：所述激光器选用波长为1647nm的激光器。
7.根据权利要求1所述的在线检测沼气输送管道中甲烷含量的系统，其特征在于：所述后处理模块包括用于对所述探测器进行光波测量的锁相放大器、以及信号处理器，所述锁相放大器将测量到的数据传递给信号处理器进行处理。
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