CN116930090A - 探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种探测装置，包括：气室单元，气室单元用于填充待测气体；光路单元，光路单元包括相背离的入射端和反射端，入射端用以提供平行光以穿过气室单元，反射端用以反射平行光并反向穿过气室单元；检测单元，检测单元与气室单元连接，检测单元用以根据反向穿过气室单元的平行光检测气室单元内通入待测气体时的浓度。该探测装置通过在气室单元内设置待测气体，入射端用以提供平行光以穿过待测气体，反射端用以反射平行光且平行光反向穿过气室单元的待测气体，检测单元与气室单元连接，检测单元用以根据反向穿过气室单元的平行光检测气室单元内通入的待测气体的浓度，该探测装置通过检测单元实现检测气室单元内通入的待测气体的浓度。

Description

探测装置

技术领域

本申请涉及探测设备技术领域，尤其涉及一种探测装置。

背景技术

近年来双燃料或纯气体动力船舶被广泛应用，双燃料或纯气体发动机大都采用天然气作为燃料，液化天然气主要成分为甲烷及少量乙烷、丙烷等，属于易燃易爆的气体，使用及存储过程中的安全问题不容忽视。由于管道阀门的破裂等多方面因素，往往会造成天然气泄漏，同时燃气泄漏的发生具备一定的突发性，其本身是不受气候与季节影响，一旦这些气体在大气中的密度到达了一定程度，遭遇明火或者静电产生火花就会带来剧烈的爆炸，同时也会在其爆炸体积扩大之后再引发回火爆炸，对船舶设备、人员安全构成很大威胁。

为了严密监控可燃气体在空气和与主机连通双壁管中的浓度，保证船舶的安全航行，可燃气体探测传感器是不可或缺的可燃气体探测报警设备，燃气探测传感器是一个体积小但功能复杂的设备，主要包括传感元件、信号采集与转化电路、外壳及辅助组件如橡胶垫、密封圈等，但燃气探测传感器的使用工况非常复杂。

申请内容

本申请提供一种探测装置，用以解决现有探测装置对气体浓度探测困难的问题。

本申请还提供一种探测装置，包括：气室单元，所述气室单元用于填充待测气体；光路单元，所述光路单元包括间隔设置的入射端和反射端，所述入射端用以提供平行光以穿过所述气室单元，所述反射端用以反射所述平行光，且所述平行光反向穿过所述气室单元；检测单元，所述检测单元与所述气室单元连接，所述检测单元用以根据反向穿过所述气室单元的平行光检测所述气室单元填充的所述待测气体的浓度。

在一些实施例中，所述光路单元包括工作光源、聚光碗和反射镜，所述工作光源和所述聚光碗设置于所述入射端，所述反射镜设置于所述反射端，所述工作光源用以提供出射光线，所述聚光碗用以根据所述出射光线输出所述平行光以穿过所述气室单元，所述反射镜用以反射所述平行光，且所述平行光反向穿过所述气室单元。

在一些实施例中，所述检测单元包括检测器，所述检测器与信号处理器连接，所述检测器设置于所述入射端，所述检测器用以接收反向穿过所述气室单元的所述平行光，所述信号处理器用于根据所述检测器接收的所述平行光输出所述气室单元填充的所述待测气体的浓度。

在一些实施例中，所述光路单元还包括参考光源，所述参考光源设置于所述入射端，所述参考光源用于出射参考光线，且所述参考光线直射所述检测器。

在一些实施例中，所述入射端与所述气室单元之间设置有视窗，所述入射端提供的所述平行光自所述视窗进入所述气室单元，所述视窗用以将所述气室单元内填充的所述待测气体与所述检测器进行隔离。

在一些实施例中，所述气室单元包括固定架，所述视窗设置于所述固定架与所述入射端之间，所述反射镜设置于所述固定架靠近所述反射端的一端。

在一些实施例中，所述气室单元还包括罩壳，所述罩壳设置于所述固定架、所述视窗和所述反射镜的外周，所述罩壳、所述反射镜和所述视窗围合形成气室，所述气室用于填充所述待测气体。

在一些实施例中，所述入射端提供的所述平行光经所述气室射向所述反射镜且反向穿过所述气室以形成检测通道，所述参考光线直射所述检测器以形成参考通道。

在一些实施例中，还包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片设置于所述检测通道，所述第二滤光片设置于所述参考通道。

在一些实施例中，所述第一滤光片的带宽为3.31μm，所述第一滤光片的带宽允许误差为－5％～5％，所述第二滤光片的带宽为4.0μm，所述第二滤光片的带宽允许误差为－5％～5％。

在一些实施例中，所述反射镜对3μm～4.5μm波段的光线反射率大于等于95％。

在一些实施例中，还包括发射元件，所述发射元件用以产生所述参考光源和所述工作光源，所述参考光源的衰减和所述工作光源的衰减相同。

在一些实施例中，还包括显示单元，所述显示单元与所述检测单元连接，所述检测单元用于输出模拟量至所述显示单元，所述显示单元用于根据所述模拟量输出所述气室单元填充的所述待测气体的浓度。

本申请提供的探测装置，包括：气室单元，气室单元用于填充待测气体；光路单元，光路单元包括相背离的入射端和反射端，入射端用以提供平行光以穿过气室单元，反射端用以反射平行光并反向穿过气室单元；检测单元，检测单元与气室单元连接，检测单元用以根据反向穿过气室单元的平行光检测气室单元内通入的待测气体的浓度。该探测装置通过在气室单元内设置待测气体，利用光路单元的入射端提供平行光以穿过气室单元的待测气体，利用光路单元的反射端反射平行光且平行光反向穿过气室单元的待测气体，检测单元与气室单元连接，检测单元用以根据反向穿过气室单元的平行光检测气室单元内通入的待测气体的浓度，从而该探测装置能够实现利用检测单元检测气室单元内通入的待测气体的浓度。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为红外检测原理图；

图2为本申请实施例探测装置的红外检测的光路示意图；

图3为本申请实施例气室单元的结构示意图；

图4为图3中气室单元的罩壳的局部结构示意图。

附图标号为：100-光路单元、110-工作光源、120-聚光碗、130-视窗、140-反射镜、150-参考光源、160-发射单元、200-气室单元、210-固定架、220-气室、230-罩壳、241-第一滤光片、242-第二滤光片、300-检测单元、310-检测器、1-常规光源、2-常规气室、21-过滤结构、22-常规检测器、23-放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请探测装置的具体实施方式作详细说明。

请参阅图1～图4，本申请提供了一种探测装置，包括：气室单元200，气室单元200用于填充待测气体；光路单元100，光路单元100包括相背离的入射端101和反射端102，入射端101用以提供平行光以穿过气室单元200，反射端102用以反射平行光且平行光反向穿过气室单元200；本申请该探测装置还包括检测单元300，检测单元300与气室单元200连接，检测单元300用以根据反向穿过气室单元200的平行光检测气室单元200通入待测气体的浓度。

本申请该探测装置，气室单元200用于通入待测气体，利用光路单元100的入射端101提供平行光以穿过气室单元200，利用光路单元100的反射端102反射平行光且平行光反向穿过气室单元200，检测单元300与气室单元200间隔设置，检测单元300用以根据反向穿过气室单元200的平行光检测气室单元200通入待测气体时的浓度。通过光路单元100提供的平行光在入射端101和反射端102之间形成反射式的双通道检测光路，平行光为红外光，通过延长红外吸收光程，增加该探测装置的探测精度。

在本申请实施例中，光路单元100包括工作光源110、聚光碗120、反射镜140，检测单元300包括检测器310，工作光源110、聚光碗120、检测器310设置于入射端101，反射镜140设置于反射端102，工作光源110用以提供出射光线，聚光碗120用以将出射光线转换为平行光以穿出气室单元200，反射镜140用以反射平行光且平行光反向穿过气室单元200。其中，检测器310为双通道检测器，从而，光路单元100利用工作光源110、聚光碗120、反射镜140和检测器310实现多通道检测的反射光路。

在本申请一些实施例中，检测器310与信号处理器(未图示)电连接，由于检测器310与工作光源110设置于同侧，检测器310用以接收反向穿过气室单元200的平行光，信号处理器用于将检测器310的平行光信号转换为气室单元200通入待测气体时的浓度。

在本申请一些实施例中，入射端101与气室单元200之间设置有视窗130，入射端101提供的平行光经视窗130穿过气室单元200，平行光透过视窗130穿过气室单元200后汇集到反射镜140上，平行光经反射镜140反射后再次穿过气室单元200，且平行光被检测器310接收，视窗130用以将气室单元200与检测器310进行隔离。

在本申请一些实施例中，工作光源110、聚光碗120、视窗130、气室单元200、反射镜140和检测器310形成的反射式光路结构简洁，通过光路单元100的反射式光路延长红外吸收光程，增加探测精度。并且，红外光透过视窗130时，视窗130用以将气室单元200通入的待测气体与检测器310的电路部分完全隔离开，待测气体为易燃易爆气体，视窗130使工作光源110与气室单元200的待测气体隔离，有利于较大提高本申请该探测装置的监测精度和可靠性。

本申请探测装置包括发射单元160，发射单元160用于提供工作光源110和参考光源150，参考光源150和工作光源110选择同一种发射元件，发射单元160用于发出红光，需保证参考光源150的衰减和工作光源110的衰减相同。

在本申请一些实施例中，以甲烷作为气室单元200通入的待测气体，工作光源110用以发射平行光，通过反射镜140反射，穿过第一滤光片241，平行光最终被检测单元300采集，这一光路形成了检测通道。同样地，工作光源110用于发射平行光，平行光通过反射镜140反射，平行光穿过第二滤光片242，最终被检测单元300采集，这一光路形成了参考通道。工作光源110和参考光源150分别与光源驱动电路(未图示)相连接，光源驱动电路用以控制工作光源110发出一定频率和一定占空比的红外光，发出的红外光包括检测通道所需的3.31μm的红外光线，光源驱动电路还用以控制参考光源150发出一定频率和一定占空比的红外光，发出的红外光包括参考通道所需的4.0μm的红外光线。

需要详细阐述的是，本申请实施例中的检测器310采用适用于红外探测原理的传感器，检测器310的检测原理主要基于郎伯比尔定律，郎伯比尔定律描述的是物质对某一波长的光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系，通过关系计算得到浓度。

由于甲烷气体在中红外波段的吸收峰为3.31μm，当中红外波段的红外线透射过甲烷气体后，波长为3.31μm的红外线会因为甲烷的存在而被大量吸收，而除3.31μm以外波长的红外线，几乎不会被甲烷吸收。

因此，对于检测通道，由于红外光透过了3.31μm的第一滤光片241，红外光的波长就被限制为3.31μm了，这一波长下的红外光是会被甲烷气体吸收的。对于参考通道，由于红外光透过了4.0μm的第二滤光片242，红外光的波长就被限制为4.0μm，这一波长下的红外光不会被甲烷气体吸收。

需要补充的是，对于单通道设计，只需要根据郎伯比尔定律，通过光程和光强衰减程度即可以计算得到浓度；单通道设计由于光路中混杂其他气体、环境温度和可见光影响等因素，导致郎伯比尔定律中的摩尔吸光系数不稳定，最终计算得到的浓度不可靠；从而，在检测通道的基础上加入参考通道形成双通道设计，参考通道可以对检测通道的环境影响进行校正。采用上述双通道设计对待测气体的浓度进行计算时，不是直接计算待测气体的浓度，而是联立检测通道和参考通道的方程，并将检测通道的方程式与参考通道的方程式相除，进而可以在算法上最大程度地消除外界因素对摩尔吸光系数的影响。

还需要说明的是，上述的双通道设计依然尚不完善，在实际应用中，由于环境温度对电路的影响，或是由于电子元器件本身的性能波动等因素，使得原检测通道的放大电路的放大系数受到一定影响，放大系数的变化会对浓度计算结果产生直接影响，因此，为了解决双通道设计影响检测通道的放大系数的问题，从而在上述双通道设计的基础上，进一步地，在工作光源110基础上增加一路参考光源150形成双光源设计，工作光源110用于产生检测通道和参考通道，参考光源150用于产生校正通道，从而，采用工作光源110和参考光源150形成的双光源设计，检测通道和校正通道形成双通道设计，即，采用工作光源110和参考光源150可以形成双光源双通道设计，通过校正通道实现对检测通道的放大电路进行校正。

上述的双光源双通道设计中，参考光源150设置于入射端101，参考光源150用于出射参考光线并直射检测器310，即参考光源150不经过反射，参考光源150直接射向检测器310，以确定工作光源110形成的检测通道的放大系数，从而参考光源150实现对检测通道的放大电路进行校正。

需要理解的是，本申请实施例涉及到校正通道及放大系数，在传感器类的硬件电路设计中，放大系数是影响检测精度的重要要素，放大系数一般是由外围电路确定的，外围电路选择的元器件例如10Ω的电阻确定后，放大系数就不会变了；但实际上由于温度等影响，电阻电容等元器件使用时间久了之后会有一些微小的变化，这个变化会影响放大系数，最终影响检测器310的测量精度。引入参考光源150的意义在于，参考光源150用于直射检测器310，可以直接计算光强转换为电信号的实际值，该实际值可以作为标准值进行计算。

此外，由于多级放大电路组成的电路，校正通道有个光源，例如，经过一系列电路、传感器计算处理后得到一个AD值99，但理论值是100，这时候把AD值为99作为标准值带入测量通道和参考通道进行运算使用。还需要说明的是，本申请涉及的多通道包括检测通道、参考通道和校正通道；检测通道用于检测发射光被待测气体吸收的光强程度，从而计算出待测气体的浓度；参考通道用于降低或排除光路环境变化、光源光强波动等不可控外界因素影响；校正通道用于校正放大电路，降低或排除元器件性能波动。

如图3所示，气室单元200包括固定架210、气室220和罩壳230，视窗130设置于固定架210靠近入射端101的一侧，反射镜140设置于固定架210靠近反射端102的一侧，罩壳230设置于固定架210、视窗130和反射镜140的外周，罩壳230、反射镜140和视窗130围设形成气室220。视窗130能够避免电路板和光学元件直接接触到气室220内通入的待测气体，实现对气室220和检测器310进行隔离，视窗130在起到隔离气室220内的待测气体与检测器310的作用的同时，拥有较大透过率，使工作光源110发射的红外光尽可能多地打在检测器310上，使检测器310接收到的信号较大，检测器310接收到的有效信号越大，在噪声一定的情况下，会提升信噪比，为使测量更准确，选择蓝宝石窗口作为视窗130。在实际应用中，综合考虑红外光在传播过程中的衰减导致的系统噪声，以及增加光程对于探测精度的提高效果。通过反射光路，在保证信号强度的情况下，尽量增加气室220的长度，同时节省了本申请该探测装置体积。

如图4所示，罩壳230用以防止粉尘、盐雾、水汽的杂质进入气室220，能够保证探测装置在船舱潮湿、盐雾、有灰尘的环境下测量的准确性，罩壳230能够保证向气室220的进气速度和响应时间。本申请该探测装置，利用罩壳230进行隔爆设计，隔爆型防爆设计原理是将电气设备的带电部件放在特制的外壳即罩壳230内，本申请探测装置的罩壳230具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离开的作用，并能承受进入罩壳230内的爆炸性混合物被罩壳230内电气设备的火花、电弧引爆时所产生的爆炸压力，而罩壳230不被破坏；同时能防止罩壳230内爆炸生成物向罩壳230外爆炸性混合物传爆，不会引起罩壳230外爆炸性混合物燃烧和爆炸。

需要理解的是，在本申请实施例中，该探测装置的检测原理为红外分光式检测原理，根据郎伯比尔定律，当一束光透过气体介质时，光能中的一部分会被介质吸收而衰减，其衰减程度与透过的气体介质浓度、光程有直接关系；相较于传统催化燃烧式检测原理，红外分光式检测原理具有气体选择性好、探测元件不易中毒老化失效、响应速度快、稳定性好、信噪比高、精度好的优点。

在利用罩壳230保证进气速度和响应时间的基础上，检测通道设置有第一滤光片241，参考通道设置有第二滤光片242，在具体实施例中，第一滤光片241的带宽为3.31μm，第一滤光片241的带宽允许误差为－5％～5％，第一滤光片241用以排除检测通道上的其他波长光的影响，在具体实施例中，第二滤光片242的带宽为4.0μm，第二滤光片242的带宽允许误差为－5％～5％，第二滤光片242用以排除可见光的影响。

第一滤光片241和第二滤光片242为玻璃，由于第一滤光片241设置于检测通道，第二滤光片242设置于参考通道，气室220内的待测气体为甲烷时，甲烷气体在3.31μm的波长范围内有吸收峰用于浓度检测，检测通道可检测到光强被甲烷吸收一部分，甲烷气体在4.5μm的波长范围内没有吸收峰，参考通道无法检测到，仅作为参比用于浓度计算。

此外，反射镜140对3μm～4.5μm的红外波段的反射率大于等于95％。以及，红外光通过气室220，红外光被气体吸收一定光强后达到反射端即被检测器310接收，检测器310与信号处理器(MCU)连接，检测器310的接收信号经过MCU处理，得到气室220内通入的待测气体浓度相关数据。

需要说明的是，本申请探测装置的工作原理与常规探测器的工作原理均涉及光路设计，常规探测器包括常规光源1、常规气室2、过滤结构21、常规检测器22、放大器23，常规气室2设置有气体，常规气室2远离常规光源1的一端设置有常规检测器22，常规气室2与常规检测器22之间设置有过滤结构21，常规检测器22远离常规气室2的一侧设置有放大器23；常规探测器的工作原理为常规光源1发射的平行光进入常规气室2，平行光经过滤结构21过滤后投向常规检测器22，放大器23用以获取常规检测器22的放大系数，常规检测器22用以检测常规气室2内的气体浓度；不同之处在于，本申请该探测装置的检测通道为反射通道，本申请探测装置的反射式光路设计不同于常规探测器的直射光路。

本申请实施例中，该探测装置还包括显示单元，显示单元与检测单元300进行电气连接，显示单元与检测单元300进行机械连接，检测单元300用于输出模拟量至显示单元，显示单元用于根据模拟量输出气室单元200通入待测气体时的浓度。

本申请该探测装置，包括：气室单元200，气室单元200用于设置待测气体；光路单元100，光路单元100包括间隔设置的入射端101和反射端102，入射端101用以提供平行光以穿过气室单元200，反射端102用以反射平行光且平行光反向穿过气室单元200；检测单元300，检测单元300与气室单元200连接，检测单元300用以根据反向穿过气室单元200的平行光检测气室单元200通入的待测气体的浓度，从而能够解决现有探测装置对待测气体的浓度探测困难的问题。

以上所述仅是本申请探测装置的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种探测装置，其特征在于，包括：

气室单元(200)，所述气室单元(200)用于填充待测气体；

光路单元(100)，所述光路单元(100)包括间隔设置的入射端(101)和反射端(102)，所述入射端(101)用以提供平行光以穿过所述气室单元(200)，所述反射端(102)用以反射所述平行光，且所述平行光反向穿过所述气室单元(200)；

检测单元(300)，所述检测单元(300)与所述气室单元(200)连接，所述检测单元(300)用以根据反向穿过所述气室单元(200)的平行光检测所述气室单元(200)填充的所述待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述光路单元(100)包括工作光源(110)、聚光碗(120)和反射镜(140)，所述工作光源(110)和所述聚光碗(120)设置于所述入射端(101)，所述反射镜(140)设置于所述反射端(102)，所述工作光源(110)用以提供出射光线，所述聚光碗(120)用以根据所述出射光线输出所述平行光以穿过所述气室单元(200)，所述反射镜(140)用以反射所述平行光，且所述平行光反向穿过所述气室单元(200)。

3.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述检测单元(300)包括检测器(310)，所述检测器(310)与信号处理器连接，所述检测器(310)设置于所述入射端(101)，所述检测器(310)用以接收反向穿过所述气室单元(200)的所述平行光，所述信号处理器用于根据所述检测器(310)接收的平行光信号输出所述气室单元(200)填充的所述待测气体的浓度。

4.根据权利要求3所述的探测装置，其特征在于，所述光路单元(100)还包括参考光源(150)，所述参考光源(150)设置于所述入射端(101)，所述参考光源(150)用于出射参考光线，且所述参考光线直射所述检测器(310)。

5.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，所述入射端(101)与所述气室单元(200)之间设置有视窗(130)，所述入射端(101)提供的平行光自所述视窗(130)进入所述气室单元(200)，所述视窗(130)用以将所述气室单元(200)填充的所述待测气体与所述检测器(310)进行隔离。

6.根据权利要求5所述的探测装置，其特征在于，所述气室单元(200)包括固定架(210)，所述视窗(130)设置于所述固定架(210)与所述入射端(101)之间，所述反射镜(140)设置于所述固定架(210)靠近所述反射端(102)的一端。

7.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述气室单元(200)还包括罩壳(230)，所述罩壳(230)设置于所述固定架(210)、所述视窗(130)和所述反射镜(140)的外周，所述罩壳(230)、所述反射镜(140)和所述视窗(130)围合形成气室(220)，所述气室(220)用于填充所述待测气体。

8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述入射端(101)提供的所述平行光经所述气室(220)射向所述反射镜(140)且反向穿过所述气室(220)以形成检测通道，所述参考光线直射所述检测器(310)以形成参考通道。

9.根据权利要求8所述的探测装置，其特征在于，还包括第一滤光片(241)和第二滤光片(242)，所述第一滤光片(241)设置于所述检测通道，所述第二滤光片(242)设置于所述参考通道。

10.根据权利要求9所述的探测装置，其特征在于，所述第一滤光片(241)的带宽为3.31μm，所述第一滤光片(241)的带宽允许误差为－5％～5％，所述第二滤光片(242)的带宽为4.0μm，所述第二滤光片(242)的带宽允许误差为－5％～5％。

11.根据权利要求10所述的探测装置，其特征在于，所述反射镜(140)对3μm～4.5μm波段的光线反射率大于等于95％。

12.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，还包括发射单元(160)，所述发射单元(160)用以产生所述参考光源(150)和所述工作光源(110)，以使所述参考光源(150)的衰减和所述工作光源(110)的衰减相同。

13.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元与所述检测单元(300)连接，所述检测单元(300)用于输出模拟量至所述显示单元，所述显示单元用于根据所述模拟量输出所述气室单元(200)填充的所述待测气体的浓度。