CN115015150A - 一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，针对可燃气体浓度传感器光路腔体发明了一种螺旋型光路结构增加光路长度，有效提高传感器的信噪比、对可燃气体浓度的检测极限及检测精度；针对传感器所用的红外热释电元件发明的元件内部复杂的光学反射结构，可有限避免因传感器光路腔体内反射元件附着杂质而引起的检测失灵、误报警等情况的发生，以提高传感器的可靠性及抗误报警能力；发明的多通道冗余型可燃气体浓度检测方式，有效提高了可燃气体检测结果的精度及可靠性。本发明有效提高了可燃气体浓度传感器对可燃气体浓度的检测极限及精度、传感器的可靠性及抗误报警能力。
Description
技术领域
本发明是一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，对甲烷等碳氢类可燃气体化合物的浓度进行高精度、高可靠性的检测。用于石油化工厂等防爆区域、天然气气田勘探等场所的可燃气体浓度检测。
背景技术
现今，可燃气体浓度传感器多采用非色散红外传感器(NDIR)方式对可燃气体浓度进行检测。非色散红外传感器(NDIR)是一种利用不同类型气体对红外光信号光谱进行选择性吸收的特点，利用朗伯-比尔定律(即，气体浓度与对红外信号吸收情况的关系)原理检测特定气体浓度的一类气体浓度传感器。
根据朗伯-比尔定律：
IOUT(λ)＝I0exp(-α(λ)CL)
式中：I0为红外光源发出的源红外信号强度；IOUT为红外气体浓度传感器检测到的红外信号强度；α(λ)为波长为λ的气体对红外信号的吸收系数；C为待检测气体的浓度；L为红外信号与待检测气体的吸收长度(即：光路长度)。
由此可以看出，如果想提高传感器对可燃气体浓度的探测极限及精度，需要提高光路长度L、或提高红外光源的发光功率以提高I0。然而一方面，提高红外光源的发光功率不光会提高传感器的功耗，甚至会减少探测器的使用寿命；另一方面，受传感器体积的限制想提高光路长度L，不能简单的增加光路的直线长度，需要专门对光路进行结构设计。
可燃气体浓度传感器随着使用时间的增加，会在光路的反光镜上不均匀的附着灰尘、水蒸气、冷凝水等污染物。将对接收端的红外敏感元件接收到的红外信号的分布产生影响，甚至会引起探测失灵、误报警等情况。因此需要为接收端的红外敏感元件设计一种红外光接收结构，使接收端的红外敏感元件不受反光镜不均匀附着物的影响。从而提高传感器的可靠性及抗误报警能力。
甲烷等碳氢类气体是一类具有易燃易爆特点的可燃性气体。因此在石油化工厂、天然气气田及天然气管路传输等场所为防止发生燃烧、爆炸等危险情况，需要对该类气体的浓度进行检测。
可燃气体浓度传感器常采用非色散红外传感器(NDIR)方式进行可燃气体浓度的检测。该类型传感器是一种利用不同类型气体对红外光信号光谱进行选择性吸收的特点，利用朗伯- 比尔定律(即，气体浓度与对红外信号吸收情况的关系)来检测可燃气体的浓度的传感器。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，传感器在光路结构上采用一种螺旋结构，能有效增加光路长度提高信噪比，进而提高可燃气体浓度的检测极限及精度。在敏感元件设计上采用多通道冗余型可燃气体检测方式，可有效提高传感器的可靠性及抗误报警能力。
本发明的目的是这样实现的：传感器光路腔体为螺旋形光路结构，在光路结构的入口处是可燃气体流的进气口，在光路结构的中心末端是可燃气体浓度检测腔，可燃气体浓度检测腔内设置多通道红外热释电元件，在光路结构内壁上靠近进气口位置上设置有红外光源，在光路结构内壁上还规律设置有内凹型弧面反光镜和一球面聚光反射镜，红外光源发出的红外光信号，经过多个内凹型弧面反光镜的反射形成被反射的红外光线，反射过程中被反射的红外光线被可燃气体充分吸收对应特征波长的红外信号；其余在可燃气体特征吸收波长外的红外信号经球面聚光反射镜的反射，射向可燃气体浓度检测腔，并由多通道红外热释电元件检测可燃气体的浓度。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.多通道红外热释电元件包括元件窗口、元件引脚、金字塔分光镜矩阵、四个红外光学滤光片及红外热释电敏感元件、内部红外反射镜，内部红外反射镜位于元件窗口内侧，对由元件入口射向多通道红外热释电元件内部的红外光信号具有高通过性，对由金字塔分光镜矩阵及四个红外光学滤光片反射的信号具有全光谱高反射性；红外光信号是由红外光源受PWM 控制信号控制产生的周期性脉冲红外光信号；由四路红外热释电敏感元件接收到的红外信号强度数据来计算可燃气体的浓度。
2.由红外光源射出的红外光线A、B通过元件窗口射入传感器内部；当光射到金字塔分光镜时发生反射并射向红外光学滤光片，被反射的光中只有带通波长范围内的光被允许通过红外光学滤光片，射向其后面的红外热释电敏感元件；其余不在带通波长范围内的光将被全部反射到内部红外反射镜上，并在其上发生二次反射；内部红外反射镜具有全光谱高反射性，所有光线将全部发生二次反射；二次反射的光将被反射到对向的红外光学滤光片，并重复上述光路反射过程。
3.金字塔反光镜组成的金字塔分光镜阵列位于传感器内部的正中心，每个红外光学滤光片后安装一个红外热释电敏感元件，且分别布置在平行于金字塔分光镜阵列四条边的位置上；红外光学滤光片A1、A2只通过中心波长为待检测可燃气体红外吸收特征波长且半波宽度为 0.1um的红外信号；红外光学滤光片B1、B2只通过中心波长为与可燃气体红外吸收特征波长不重合的一个波长且半波宽度为0.1um的红外信号；红外光学滤波片A1、A2、B1、B2对其允许通过的特征波长外的红外光信号具有全光谱高反射性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、针对传感器光路腔体发明的螺旋型光路结构：可有效增加红外光信号与可燃气体接触所需的光路长度，从而提高可燃气体浓度传感器的检测极限与检测精度；2、针对传感器所用的红外热释电元件发明的元件内部复杂的光学反射结构：可有效避免因传感器光路腔体内的反射镜附着杂质而引起的传感器检测失灵、误报警等情况的发生。有效提高了传感器的可靠性及抗误报警能力；3、发明的多通道冗余型可燃气体浓度检测方式：通过各浓度检测通道与参考通道的浓度检测冗余组合计算出的可燃气体浓度更加精确可靠。有效的提高了可燃气体传感器检测结果的可靠性。
综上，本发明对可燃气体浓度传感器的检测极限及检测精度、可靠性、抗误报警能力等都有极大的提高。
附图说明
图1是可燃气体浓度传感器光路结构示意图。
图2是多通道红外热释电元件内部结构示意图。
图3是多通道红外热释电元件剖面图。
图4是多通道红外热释电元件内部俯视图。
图1，可燃气体浓度传感器光路结构是一种螺旋型光路结构，螺旋型结构在有限的空间内有效增加了光路长度，使可燃气体与红外光线充分接触。
图2，是一种多通道红外热释电元件内部的实例，总红外通道数为4，其中包含两路测量波段、两路参考波段，中央分光矩阵为金字塔形分光镜。总红外通道数还可为5、6、7等；中央分光镜矩阵类型还可为半球形、多棱锥形等。
图3，说明了红外光信号在多通道红外热释电元件内的反射传递过程。
图4，说明了金字塔分光镜矩阵、四路红外光学滤光片及其对应红外热释电元件在多通道红外热释电元件内部空间的布置情况。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明针对可燃气体浓度传感器的光路特点设计了一种螺旋型光路结构。能够有效增加可燃气体吸收红外光信号所需的光路长度，提高了可燃气体浓度传感器的信噪比。从而提高了可燃气体浓度传感器对可燃气体浓度的检测极限。提高了传感器的信噪比、检测极限及检测精度；针对传感器所用的红外热释电元件发明了一种内部复杂的光学反射结构,有效提高了传感器的可靠性及抗误报警能力；针对可燃气体浓度检测方式，发明了一种多通道冗余型的可燃气体浓度检测方式，有效提高了可燃气体浓度检测结果的精度及可靠性。
本发明针对可燃气体浓度传感器所用的红外热释电元件，设计了一种多通道冗余型红外热释电元件。其中包含数个可燃气体浓度检测通道和数个参考通道，通过各通道的冗余比较，计算得到的可燃气体浓度将更加可靠。有效的提高了可燃气体浓度传感器的可靠性。
本发明针对可燃气体浓度传感器所用的红外热释电元件，设计了一种在元件中央布置一组分光镜矩阵(分光镜矩阵可选择由半球形分光镜、多棱锥分光镜等分光镜构成)、垂直于分光镜各边布置立式红外光学滤光片、以及内部红外反射镜等构成的元件内部光路结构。通过红外光信号在分光镜矩阵、内部红外反射镜、红外光学滤光片间的复杂光学反射过程，使每路红外热释电敏感元件接收到的红外光束是均匀的。能够有效防止因传感器光路腔体内的反射元件附着杂质，使红外热释电敏感元件接收到的红外光信号不均匀，而引起可燃气体浓度传感器的检测失灵、误报警等情况的发生，从而提高传感器的可靠性。能够将红外光信号均匀的反射到各红外热释电敏感元件上。从而避免因传感器光路腔体内反光元件附着杂质，导致各红外热释电元件上接收到的红外信号不均匀，而引起的传感器检测失灵、误报警等情况的发生。有效的提高了传感器的可靠性及抗误报警能力。
在红外热释电元件内，布置数个用于检测可燃气体浓度的红外热释电敏感元件，以及数个用于参考(非可燃气体吸收波段)的红外热释电敏感元件。通过各检测通道与参考通道的浓度冗余组合计算出可燃气体的浓度值。可有效提高可燃气体浓度计算结果的精度及可靠性。
图1所示的可燃气体浓度传感器光路结构示意图，可燃气体流1通过布置在进气口3前端的防虫网2，流入传感器光路腔体9内。安装于镀金聚光罩杯内的红外光源4发出的红外光信号，经过多个内凹型弧面反光镜5的反射形成被反射的红外光线8。在上述反射过程中被反射的红外光线8被可燃气体充分吸收对应特征波长的红外信号。其余在可燃气体特征吸收波长外的红外信号经球面聚光反射镜10的反射，射向可燃气体浓度检测腔6。由多通道红外热释电元件7检测可燃气体的浓度。
图2所示的多通道红外热释电元件由元件窗口11、元件引脚14、金字塔分光镜矩阵15、四个红外光学滤光片(A1、A2、B1、B2)及红外热释电敏感元件(12、13、16、17)、内部红外反射镜18组成。内部红外反射镜18位于元件窗口11内侧，对由元件入口11射向多通道红外热释电元件内部的红外光信号19具有高通过性，对由金字塔分光镜矩阵15及四个红外光学滤光片(A1、A2、B1、B2)反射的信号具有全光谱高反射性。红外光信号19是由红外光源 4受PWM控制信号20控制产生的周期性脉冲红外光信号。由四路红外热释电敏感元件接收到的红外信号强度数据来计算可燃气体的浓度。
图3所示，由红外光源4射出的红外光线A、B(21、27)，通过元件窗口11射入传感器内部。当光射到金字塔分光镜26时发生反射并射向红外光学滤光片1、2(22、25)。被反射的光中只有带通波长范围内的光被允许通过红外光学滤光片1、2(22、25)，射向其后面的红外热释电敏感元件1、2(23、24)。其余不在带通波长范围内的光将被全部反射到内部红外反射镜18上，并在其上发生二次反射。由于内部红外反射镜18具有全光谱高反射性，因此所有光线将全部发生二次反射。二次反射的光将被反射到对向的红外光学滤光片，并重复上述光路反射过程。
图3中只显示了两束光A与B(21、27)在两个红外光学滤光镜片1、2(22、25)与内部红外反射镜18间的光路反射过程，实际在传感器内将是一束光在金字塔分光镜阵列、四个红外光学滤光片A1、A2、B1、B2与内部红外反射镜18之间的复杂反射过程。这个复杂的反射过程将使得四个红外光学滤光片A1、A2、B1、B2都被提供了各自传输范围内相对应的所有光束，这样有利于防止由内凹型弧面反光镜5及球面聚光反光镜10附着杂质(灰尘、水蒸气、冷凝水等)，引起红外热释电敏感元件接收到的红外信号不均匀，进而引起可燃气体浓度传感器的检测失灵、误报警等情况的发生。以提高传感器的精度及可靠性。
图4所示多通道红外热释电元件内部俯视图，由金字塔反光镜26组成的金字塔分光镜阵列15位于传感器内部的正中心。四个红外光学滤光片A1、A2、B1、B2(12a、13a、14a、16a)，每个红外光学滤光片后安装一个红外热释电敏感元件(12b、13b、14b、16b)，分别布置在平行于金字塔分光镜阵列15四条边的位置上。其中红外光学滤光片A1、A2只通过中心波长为待检测可燃气体红外吸收特征波长(通常为3.4um)，且半波宽度为0.1um的红外信号。即用于对待检测可燃气体进行检测的波段。B1、B2只通过中心波长为与可燃气体红外吸收特征波长不重合的一个波长(通常为3.91um)，且半波宽度为0.1um的红外信号。即参考波段。红外光学滤波片A1、A2、B1、B2(12a、13a、14a、16a)对其允许通过的特征波长外的红外光信号具有全光谱高反射性。
综上，本发明是一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，有效提高了可燃气体浓度传感器对可燃气体浓度的检测极限及精度、传感器的可靠性及抗误报警能力。针对可燃气体浓度传感器光路腔体发明了一种螺旋型光路结构增加光路长度，有效提高传感器的信噪比、对可燃气体浓度的检测极限及检测精度；针对传感器所用的红外热释电元件发明的元件内部复杂的光学反射结构，可有限避免因传感器光路腔体内反射元件附着杂质而引起的检测失灵、误报警等情况的发生，以提高传感器的可靠性及抗误报警能力；发明的多通道冗余型可燃气体浓度检测方式，有效提高了可燃气体检测结果的精度及可靠性。
Claims (4)
1.一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，其特征在于：传感器光路腔体为螺旋形光路结构，在光路结构的入口处是可燃气体流的进气口，在光路结构的中心末端是可燃气体浓度检测腔，可燃气体浓度检测腔内设置多通道红外热释电元件，在光路结构内壁上靠近进气口位置上设置有红外光源，在光路结构内壁上还规律设置有内凹型弧面反光镜和一球面聚光反射镜，红外光源发出的红外光信号，经过多个内凹型弧面反光镜的反射形成被反射的红外光线，反射过程中被反射的红外光线被可燃气体充分吸收对应特征波长的红外信号；其余在可燃气体特征吸收波长外的红外信号经球面聚光反射镜的反射，射向可燃气体浓度检测腔，并由多通道红外热释电元件检测可燃气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，其特征在于：多通道红外热释电元件包括元件窗口、元件引脚、金字塔分光镜矩阵、四个红外光学滤光片及红外热释电敏感元件、内部红外反射镜，内部红外反射镜位于元件窗口内侧，对由元件入口射向多通道红外热释电元件内部的红外光信号具有高通过性，对由金字塔分光镜矩阵及四个红外光学滤光片反射的信号具有全光谱高反射性；红外光信号是由红外光源受PWM控制信号控制产生的周期性脉冲红外光信号；由四路红外热释电敏感元件接收到的红外信号强度数据来计算可燃气体的浓度。
3.根据权利要求2所述的一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，其特征在于：由红外光源射出的红外光线A、B通过元件窗口射入传感器内部；当光射到金字塔分光镜时发生反射并射向红外光学滤光片，被反射的光中只有带通波长范围内的光被允许通过红外光学滤光片，射向其后面的红外热释电敏感元件；其余不在带通波长范围内的光将被全部反射到内部红外反射镜上，并在其上发生二次反射；内部红外反射镜具有全光谱高反射性，所有光线将全部发生二次反射；二次反射的光将被反射到对向的红外光学滤光片，并重复上述光路反射过程。
4.根据权利要求3所述的一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器，其特征在于：金字塔反光镜组成的金字塔分光镜阵列位于传感器内部的正中心，每个红外光学滤光片后安装一个红外热释电敏感元件，且分别布置在平行于金字塔分光镜阵列四条边的位置上；红外光学滤光片A1、A2只通过中心波长为待检测可燃气体红外吸收特征波长且半波宽度为0.1um的红外信号；红外光学滤光片B1、B2只通过中心波长为与可燃气体红外吸收特征波长不重合的一个波长且半波宽度为0.1um的红外信号；红外光学滤波片A1、A2、B1、B2对其允许通过的特征波长外的红外光信号具有全光谱高反射性。
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