CN113820287A - 一种原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针及检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体浓度监测领域,公开了一种原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,包括支撑杆,支撑杆一端设有气体光谱吸收气室,气体光谱吸收气室上设有光电探测器,气体光谱吸收气室上设有激光准直器,气体光谱吸收气室的内部并位于光电探测器与激光准直器之间设有中空的气体吸收池,气体光谱吸收气室的外壁设为与气体吸收池连通的镂空壁,气体光谱吸收气室的镂空壁套设有过滤膜片。本发明通过将气体光谱吸收气室置入管道内部,实现对管道内被测气体的原位直测,无需借助抽取装置,其结构简单、响应速度快、准确度高、环境影响小、使用维护方便。本发明还基于气体光谱吸收浓度检测探针提出一种检测仪。
Description
技术领域
本发明属于气体浓度监测领域,具体涉及一种原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针及检测仪,适应于瓦斯抽放管道或天然气输送管道中的甲烷浓度监测。
背景技术
传统的在线监测或便携式仪器监测管道甲烷浓度,无论是采用传统的光干涉(光瓦)、热催化、热释电、红外检测原理,还是采用激光光谱吸收检测原理检测瓦斯管道甲烷浓度,一般都是通过“抽取法”从瓦斯管道引出样气至检测元件探头进行浓度测量,而普遍利用的抽取样气方法有泵吸法或差压引气法。但此方法的特点是首先将被测气通过取气装置从瓦斯管道引出,再通过气体导流管引入至气体过滤装置,最后在气体扩散作用下进入检测元件探头进行浓度测量。其存在的缺点是:(1)由于被测气体需经过取气装置、过滤装置及中间环节导流气路,最后扩散至检测元件探头,造成测量响应时间长、实时性差;(2)管道浓度测量计算需进行温度压力补偿,被测气经过取气装置从原管道引出后,所测得的温度压力不能反映输送管道内的真实工况;(3)由于被测气从原管道引出造成温度差异,被测气中的水汽容易在监测元件探头端形成凝结水,从而影响探头的检测性能;(4)由于测量需要取气辅助装置,气路中间环节多,气路长,易出现漏气,造成测量数据失真现象;(5)取气辅助装置一般结构设计复杂,不够紧凑。
现有技术中公开了“一种瓦斯抽放管道用气体监测仪及其气体监测探杆”,其检测仪包括:中空杆体,内部设有进气管和出气管;安装壳体,连接在中空杆体的远离插入段的一端,内部安装有检测腔室,检测腔室的内腔构成检测腔;气体检测传感器,部分位于检测腔内以对检测腔内的气体参数进行检测;进气管和出气管分别与检测腔联通而形成供气体从进气口进入、经过检测腔应从出气口配出的检测通路;表头,用于中空探杆上安装的各类传感器检测型号。该专利采用取气装置利用差压引气法将管道内被测气引出至安装有检测探头的检测腔,再利用气体扩散原理扩散至检测元件,进行气体浓度测量,由于该装置采样路径过长,影响响应时间,且被测气从原管道引出造成温度差异,被测气中的水汽容易在监测元件探头端形成凝结水,从而影响探头的检测性能。
现有技术中还公开了一种“瓦斯抽放管道用的激光甲烷探头”,包括壳体、进气嘴、光缆接口、与外气嘴安装座以及气体吸收池,待测气体从进气嘴进入气体吸收池腔体,通过激光光谱特征吸收测量甲烷浓度,该探头通过减小气体吸收池内腔体积,并使引入气体形成进出通路加快气体吸收池内气体置换,以此缩短响应时间,但该探头需配合其他取气装置使用。
另外,可调谐半导体激光光谱吸收光谱(TDLAS)技术,是目前国际最先进的气体分析技术。它是利用半导体激光器窄线宽和可调谐的特性,通过对检测气体特征吸收谱线强度的测量,实现对待测气体浓度的测量。该技术对检测气体具有高选择性,具有抗干扰、分辨率高、响应速度快、调校周期长等特点,被广泛应用于环境痕量气体的监测。因此,将TDLAS应用于瓦斯抽放管道、天然气输送管道等甲烷浓度监测领域成为必然趋势。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于TDLAS技术的结构简单、实用性强的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针及检测仪,旨在解决传统基于泵吸式或差压式采样的“抽取法”瓦斯管道甲烷浓度测量存在的缺陷。
为达到上述目的,本发明提供了如下技术方案:
本发明提供一种原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,包括中空管状的支撑杆,支撑杆的一端设有气体光谱吸收气室,气体光谱吸收气室上并在背离支撑杆的背离端设有光电探测器,气体光谱吸收气室上并在相对于光电探测器的相对端设有激光准直器,气体光谱吸收气室的内部并位于光电探测器与激光准直器之间设有中空的气体吸收池,气体光谱吸收气室的外壁设为与气体吸收池连通的镂空壁,气体光谱吸收气室的镂空壁套设有过滤膜片。
进一步,支撑杆上并在背离气体光谱吸收气室的背离端设有安装法兰。
进一步,支撑杆上套设有封口密封圈。
进一步,光电探测器与激光准直器同轴布置。
进一步,气体光谱吸收气室的气体吸收池内设有电线保护套管,电线保护套管的一端对应光电探测器,另一端引入支撑杆的中空管腔。
进一步,气体光谱吸收气室上并与激光准直器同侧端设有伸入气体吸收池的温度探头。
进一步,气体光谱吸收气室上并与激光准直器同侧端设有伸入气体吸收池的压力探测针管,压力探测针管背离气体吸收池的背离端在支撑杆的中空管腔内延伸。
进一步,气体光谱吸收气室上设有用于安装过滤膜片的膜片保护罩,膜片保护罩的径向上设有通气孔,过滤膜片采用微米级疏水聚合防水透气膜,膜片保护罩采用不锈钢。
进一步,气体光谱吸收气室的镂空壁设置条形、方形、菱形、梅花形、椭圆形或圆形镂空孔。
本发明还提供一种检测仪,包括主表头及设于主表头内的激光器和压力检测元件,还包括有上述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,主表头设在支撑杆上,激光器与激光准直器电性连接,压力检测元件与压力探测针管连接,主表头分别与光电探测器和温度探头电性连接。
本发明的有益效果是:本发明提及的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,通过将气体光谱吸收气室置入管道内部,实现对管道内被测气体的原位直测,无需借助抽取装置,其结构简单、响应速度快、准确度高、环境影响小、使用维护方便。并能推动激光传感器技术在煤矿瓦斯抽放、天然气输送领域的推广应用,推动安全监控系统检测层设备的技术升级。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1为本发明原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针的仰视结构示意图;
图2为图1中的A-A剖视结构示意图;
图3为图2中的B-B剖视结构示意图;
图4为本发明原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针的应用示意图;
附图标记说明:1-安装法兰,2-支撑杆,3-封口密封圈,4-压力探测针管,5-激光准直器,6-温度探头,7-气体光谱吸收气室,8-气体吸收池,9-过滤膜片,10-膜片保护罩,11-光电探测器,12-管道,13-主表头,14-激光器,15-压力检测元件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1-3所示,本实施例中提及的一种原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,包括中空管状的支撑杆2,该支撑杆2一端密封安装有气体光谱吸收气室7,而气体光谱吸收气室7上并在背离支撑杆2的背离端设有光电探测器11、在相对于光电探测器11的相对端设有激光准直器5,且气体光谱吸收气室7的内部并位于光电探测器11与激光准直器5之间设有中空的气体吸收池8,气体光谱吸收气室7的外壁设为与气体吸收池8连通的镂空壁,气体光谱吸收气室7的镂空壁套设有过滤膜片9。这样,激光准直器、气体吸收池和光电探测器共同组成气体光谱吸收气室;
在本实施例中,激光准直器5调整同轴耦合激光摄入光电探测器11后,在气体光谱吸收气室7上采用环氧树脂粘接固定激光准直器5和光电探测器11,保证其同轴结构的稳定性。
在本实施例中,气体光谱吸收气室7为不锈钢圆柱型结构,中间设有条形槽的气体吸收池8作为光谱吸收腔,且其镂空壁使待测的气体能够通过过滤膜片9进入到气体吸收池内,以使光电探测器11与激光准直器5正常工作;而气体光谱吸收气室7的镂空壁可以设置条形、方形、菱形、梅花形、椭圆形或圆形镂空孔中一种或多种,只要保证气体吸收池能够顺利进出待测的气体即可。
在本实施例中,气体光谱吸收气室7的气体吸收池8内设有电线保护套管,该电线保护套管的一端对应光电探测器11,另一端引入支撑杆2的中空管腔。这样,光电探测器11的供电信号传输电线就可以穿过电线保护套管进入到支撑杆中被引出,以保证光电探测器的正常工作。
在本实施例中,气体光谱吸收气室7上并与激光准直器5同侧端设有伸入气体吸收池8的温度探头6和压力探测针管4,且压力探测针管4背离气体吸收池8的背离端在支撑杆2的中空管腔内延伸。这样,温度探头检测端设置在气体吸收池内部,后端通过电线进入到支撑杆中并由其引出与主表头连接;压力探测针管为中空不锈钢管,前端与气体吸收池连通,后端进入到支撑杆中并由其引出并连接主表头内的压力检测元件上。
在本实施例中,气体光谱吸收气室7上设有用于安装过滤膜片9的膜片保护罩10,膜片保护罩10的径向上设有通气孔,以使待测气体尽量减少被阻挡,并有效的通过膜片保护罩上的通气孔进入过滤膜片,从而进入气体吸收池,该过滤膜片采用微米级疏水聚合防水透气膜,膜片保护罩采用不锈钢材质,能够满足使用条件。
如图4所示,本实施例提及的一种检测仪,包括主表头13、激光器14、压力检测元件15和原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其中,主表头13通过设在支撑杆2上的安装法兰1固定连接,而支撑杆2上设置的气体光谱吸收气室7则伸入到待测的管道12中,并通过支撑杆2上所设的封口密封圈3与管道12密封连接;同时,设于主表头13内的激光器14与探针中的激光准直器5电性连接,设于主表头3内的压力检测元件15则与探针中的压力探测针管4连接,探针中的与光电探测器11和温度探头6的电源线则电性连接于主表头13上。这样,探针通过管道壁的测量孔插入管道内部,测量孔处由封口密封圈密封,另一端设置安装法兰与主表头连接,气体吸收池前端设置光电探测器的供电信号传输电线穿过电线保护套管与主表头连接;气体吸收池后端设置激光准直器入射光纤与主表头内激光器连接;中空管状的支撑杆保护引入主表头的光电探测器电线、准直器光纤、温度探头电线、压力探测针管。
使用时,将探针的气体光谱吸收气室部分直接插入管道内部,实现原位式气体浓度直测,其瓦斯管道内气体在气流及扩散共同作用下,直接通过过滤膜片进入检测探针的气体吸收池,并进行直接的浓度测量。同时,探针集成了温度探头和压力探测针管,温度探头直接插入管道内部,测量管道内真实温度,压力探测针管直接与管道气体连通,不经过中间环节,不受外界条件影响,保证了测量的实时性、准确性。而入射激光束来自激光器发射源件,通过光纤传输进入激光准直器,然后通过气体光谱吸收气室内的气体吸收池,光波最后进入光电探测器转换成电信号,由配套处理电路进行解调。这样,本探针(检测仪)结合TDLAS技术应用于瓦斯抽放管道、天然气输送管道等甲烷浓度监测,解决了传统基于泵吸式或差压式采样的“抽取法”瓦斯管道甲烷浓度测量存在的缺陷。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,包括中空管状的支撑杆(2),其特征在于,所述支撑杆的一端设有气体光谱吸收气室(7),所述气体光谱吸收气室上并在背离支撑杆的背离端设有光电探测器(11),所述气体光谱吸收气室上并在相对于光电探测器的相对端设有激光准直器(5),所述气体光谱吸收气室的内部并位于光电探测器与激光准直器之间设有中空的气体吸收池(8),所述气体光谱吸收气室的外壁设为与气体吸收池连通的镂空壁,所述气体光谱吸收气室的镂空壁套设有过滤膜片(9)。
2.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述支撑杆上并在背离气体光谱吸收气室的背离端设有安装法兰(1)。
3.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述支撑杆上套设有封口密封圈(3)。
4.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述光电探测器与激光准直器同轴布置。
5.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述气体光谱吸收气室的气体吸收池内设有电线保护套管,所述电线保护套管的一端对应光电探测器,另一端引入支撑杆的中空管腔。
6.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述气体光谱吸收气室上并与激光准直器同侧端设有伸入气体吸收池的温度探头(6)。
7.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述气体光谱吸收气室上并与激光准直器同侧端设有伸入气体吸收池的压力探测针管(4),所述压力探测针管背离气体吸收池的背离端在支撑杆的中空管腔内延伸。
8.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述气体光谱吸收气室上设有用于安装过滤膜片的膜片保护罩(10),所述膜片保护罩的径向上设有通气孔,所述过滤膜片采用微米级疏水聚合防水透气膜,所述膜片保护罩采用不锈钢。
9.根据权利要求1所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,其特征在于,所述气体光谱吸收气室的镂空壁设置条形、方形、菱形、梅花形、椭圆形或圆形镂空孔。
10.一种检测仪,包括主表头(13)及设于主表头内的激光器(14)和压力检测元件(15),其特征在于,还包括有如权利要求1-9任一项所述的原位直测式管路气体光谱吸收浓度检测探针,所述主表头设在支撑杆上,所述激光器与激光准直器电性连接,所述压力检测元件与压力探测针管连接,所述主表头分别与光电探测器和温度探头电性连接。
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