CN117074363A - 一种激光甲烷传感器、批量自动标定与测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光甲烷传感器、批量自动标定与测试系统及方法，激光甲烷传感器包括基座、壳体、光路模块和电路板，所述基座的一端设有进气口，所述基座的进气口处沿气体传输方向依次设置有滤网、金属烧结板和防水透气膜；所述光路模块安装于所述基座的另一端，所述进气口与所述光路模块的内侧之间形成气体传输空间；所述电路板则固定安装于所述光路模块的外侧；所述壳体的一端密封安装于所述基座的另一端；所述金属烧结板的密度为90μm‑100μm。本发明能够保证防水性也能保证响应时间的高可靠性，并能够实现对批量传感器的标定与测试。
Description
技术领域
本发明主要涉及甲烷检测技术领域，具体涉及一种激光甲烷传感器、批量自动标定与测试系统及方法。
背景技术
由于煤炭需求量的逐年增加，对于煤炭资源的开采由浅部开采向着深部迈进，导致矿井开采强度也随之加大，矿井发生的灾害事故，瓦斯灾害是导致经济损失最严重、伤亡人数最多、社会影响最大的煤炭安全事故，是矿井生产的第一灾害。由于开采过程中地质构造的特殊性和复杂性，容易导致瓦斯爆炸和突出风险，影响了矿井安全高效的生产，也严重威胁了矿井生产人员的人身安全，因此研究矿井瓦斯气体的精准检测方法，具有重要的实际意义。
甲烷(CH4)是矿井瓦斯气体的主要组成部分，占瓦斯气体的70％-96％。CH4气体在煤矿、石油化工、气站等领域中是一种对人体和环境有严重危害的气体，也是温室气体主要成分之一，对甲烷气体的精准监测至关重要。21世纪以来，进入了人类科技的百家争鸣、蓬勃发展阶段，运用何种技术进行CH4气体的精准检测也是科学家们研究的方向。
传统气体传感器的种类有很多，包括电化学气体传感器、半导体气体传感器、催化燃烧气体传感器等。然而，传统气体传感器在环境温度、气体压强等变化的实际测量环境下，导致检测准确性和示值稳定度的劣化，需要不断对传感器进行校准。而光学气体传感器作为一种新型气体传感器，因其气敏机制和系统结构，能够弥补传统气体传感器某些方面的不足，具有重要的研究价值和应用前景。
随着激光器行业的发展，可调谐半导体激光器应用到气体传感行业，由于其高波长分辨率、窄线宽、高功率稳定性等高性能，大大提升了光学气体传感器对气体组分分析的精确度和灵敏度。因此，基于可调激光器吸收光谱技术(TDLAS)的光纤气体传感器因其灵敏度高、抗电磁干扰、本质安全、网络复用和远程感知等优势应用已经越来越广泛。
可协调半导体激光吸收光谱法(TDLAS)，是将激光应用在气体分子吸收光谱测量的一种光学与光谱学技术，是一种气体分析检测方法，该技术通过改变注入的电流和温度来调控可协调半导体激光器的线宽和波长，进而测量气体分子的吸收线，最后通过朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律计算出所测量气体浓度。TDLAS技术经过多年的发展历程而日趋成熟，具有灵敏度高、可探测气体种类多、实时在线监测等优点，因此基于TDLAS技术的激光气体传感器克服了市场上现有传感器的缺点，使其塑造了气体检测领域包括矿井化工、燃气阀井、环境检测的主导地位。
但是面对煤矿和阀井等恶劣的应用环境，激光甲烷传感器常常会优先保证高可靠的防水性能，煤矿用和阀井用激光甲烷传感器的防水性能依靠防水透气膜的选型，但防水透气膜的响应速度快则防水性能差，防水性能好则响应速度慢，因此依靠防水透气膜的选型很难满足激光甲烷传感器既保证防水性也能保证响应时间的高可靠性。因此激光甲烷传感器在标定测试过程中会出现等待响应时间过长未达国家标准的问题，以及等待响应时间未充分出现误报的问题。
同时，当前激光甲烷传感器中的激光器存在一致性差的问题，导致在标定测试过程中需要一对一的人为计算进行算法补偿，并且人工操作过程繁琐复杂导致激光甲烷传感器的标定和测试效率低，因此无法实现大批量自动标定和测试。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种保证防水性也能保证响应时间的高可靠性的激光甲烷传感器、批量自动标定与测试系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种激光甲烷传感器，包括基座、壳体、光路模块和电路板，所述基座的一端设有进气口，所述基座的进气口处沿气体传输方向依次设置有滤网、金属烧结板和防水透气膜；所述光路模块安装于所述基座的另一端，所述进气口与所述光路模块的内侧之间形成气体传输空间；所述电路板则固定安装于所述光路模块的外侧；所述壳体的一端密封安装于所述基座的另一端；所述金属烧结板的密度为90μm-100μm。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述金属烧结板与所述防水透气膜之间设有压环，所述压环的高度范围为1.8-2.2mm。
所述基座的高度为19-21mm。
所述基座上设置有第一环形台阶和第二环形台阶，所述滤网安装在第一环形台阶上，所述金属烧结板安装在第二环形台阶上，所述金属烧结板与第二环形台阶之间设置有第一密封件。
所述滤网与所述金属烧结板之间设置有第二密封件。
所述防水透气膜为聚四氟乙烯膜。
所述滤网为不锈钢滤网。
本发明还公开了一种如上所述的激光甲烷传感器的批量自动标定与测试系统，包括高低温交变湿热试验箱、多路切换板、气体密封罐、压力控制模块和上位机；多个待测激光甲烷传感器均与多路切换板相连；多个待测激光甲烷传感器均位于气体密封罐内；所述压力控制模块与所述气体密封罐相连通，用于控制气体密封罐内气体的浓度、流速和压力；所述气体密封罐位于高低温交变湿热试验箱内，所述高低温交变湿热试验箱、多路切换板和压力控制模块均与上位机相连。
本发明进一步公开了一种基于如上所述的激光甲烷传感器的批量自动标定与测试系统的批量自动标定与测试方法，包括步骤：
上位机控制高低温交变湿热试验箱的温度和湿度，使其处于标定环境下；
然后压力控制模块对气体密封罐抽真空；
气体密封罐抽真空完成后，压力控制模块对气体密封罐充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；
通过控制多路通道切换板进行不同通道的切换，以对批量的激光甲烷传感器进行标定；
标定合格后，上位机控制高低温交变湿热试验箱的温度和湿度，使其处于测试环境下；
然后压力控制模块对气体密封罐抽真空；
气体密封罐抽真空完成后，压力控制模块对气体密封罐充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；
通过控制多路通道切换板进行不同通道的切换，以对批量的激光甲烷传感器进行测试，测试不合格的重新进行标定。
作为上述技术方案的进一步改进：
在标定不合格时，压力控制模块重新对气体密封罐抽真空；气体密封罐抽真空完成后，压力控制模块对气体密封罐充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；再对标定不合格的激光甲烷传感器进行重新标定。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过加快气体传输速度和减小气体传输空间的结构改进，首先将应用于气体发散、颗粒过滤、流量控制与均布的金属烧结片，从密度60μm更换为90μm-100μm，从而加快甲烷气体的传输速度；将基座高度从22mm降低到20mm、压环高度从3.5mm降低到2mm，进而使得基座与光路模块之间的甲烷气体传输空间缩小，提高响应时间；即通过上述改进结构，一方面加快了气体传输速度，另一方面也减小了气体传输空间，从而减小了响应时间；同时上述结构的改进也不会影响传感器本身的装配。
本发明使用多路通道切换板(即一个串口)连接多个继电器，并且每个继电器都连接激光甲烷传感；通过上位机切换路切换板中的继电器，切换到当前继电器时其余继电器处于关闭状态，即可对当前继电器连接的激光甲烷传感器进行标定及测试操作；因此只要通过上位机逐个切换多路通道切换板中的继电器就能完成对批量激光甲烷传感器的自动标定与测试。
附图说明
图1为本发明的激光甲烷传感器在实施例的结构示意图。
图2为本发明的批量自动标定与测试系统在实施例的方框结构图。
图3为本发明的多路通道切换板在实施例的方框结构图。
图4为本发明的批量自动标定与测试方法在实施例的流程图。
图例说明：1、基座；2、第二密封件；3、金属烧结片；4、第一密封件；5、壳体；6、光路模块；7、线缆；8、第五密封件；9、螺钉；10、电路板；11、防水透气膜；12、第四密封件；13、压环；14、第三密封件；15、滤网；16、高低温交变湿热试验箱；17、多路通道切换板；18、气体密封罐；19、压力控制模块；20、上位机。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
本发明实施例的激光甲烷传感器，具体应用于煤矿用和阀井，而煤矿用和阀井用激光甲烷传感器对防水性和响应时间能要求十分严格，激光甲烷传感器的防水性能依靠防水透气膜11，但防水透气膜11的防水性能越好则响应速度越慢，因此很难实现既保证防水性也能保证响应时间的高可靠性。另外防水透气薄膜还具备防水、防尘、防污垢进入光路模块6的作用。同时，防水透气薄膜也可以有效抵御激光器温度变化导致的压差所产生的影响，平衡激光甲烷传感器内部与外部环境的压力。考虑到煤矿用和阀井用激光甲烷传感器的恶劣应用环境和使用寿命，在保证高防护等级的情况下不能更换防水透气膜11。
故本发明通过加快气体传输速度和减小气体传输空间的结构改进来保证防水性能和响应时间的高可靠性，对应改进后的激光甲烷传感器的具体结构如图1所示：包括基座1、壳体5、光路模块6和电路板10，基座1的一端设有进气口，基座1的进气口处沿气体传输方向依次设置有滤网15、金属烧结片3和防水透气膜11；光路模块6安装于基座1的另一端，进气口与光路模块6的内侧之间形成气体传输空间；电路板10则固定安装于光路模块6的外侧；壳体5的一端密封安装于基座1的另一端；金属烧结片3的密度为90μm-100μm。其中金属烧结片3与防水透气膜11之间设有压环13，压环13的高度范围为1.8-2.2mm；其中基座1的高度为19-21mm。
本发明通过加快气体传输速度和减小气体传输空间的结构改进，首先将应用于气体发散、颗粒过滤、流量控制与均布的金属烧结片3，从密度60μm更换为90μm-100μm，从而加快甲烷气体的传输速度；将基座1高度从22mm降低到20mm、压环13高度从3.5mm降低到2mm，进而使得基座1与光路模块6之间的甲烷气体传输空间缩小，提高响应时间；上述改进结构中不更换防水透气膜11，从而不会影响其防水性能；上述结构改进一方面加快了气体传输速度，另一方面也减小了气体传输空间，从而减小了响应时间；同时上述结构的改进也不会影响传感器本身的装配。
通过实验表明，结构改进后的激光甲烷传感器响应时间从之前的50秒缩短至24秒，满足了响应时间小于30s的国家标准要求，在保证防水性能的同时，减小了响应时间。
在一具体实施例中，基座1上设置有第一环形台阶和第二环形台阶，滤网15安装在第一环形台阶上，金属烧结片3安装在第二环形台阶上，金属烧结片3与第二环形台阶之间设置有第一密封件4；滤网15与金属烧结片3之间设置有第二密封件2。
另外，上述基座1的外侧也同样设置有第三密封件14，便于与待测管道等部件密封连接。壳体5与基座1之间螺纹连接，且对应壳体5与基座1之间也同样设置有第四密封件12，保证壳体5与基座1之间的密封性；电路板10通过螺钉9安装在光路模块6上；其中壳体5相对于基座1的另一端则设有线孔，电路板10的线缆7则通过线孔穿出壳体5；壳体5另一端的外侧设置有第五密封件8，便于与其它部件密封对接。上述第一密封件4、第二密封件2、第三密封件14、第四密封件12和第五密封件8均为密封圈。
在一具体实施例中，防水透气膜11为聚四氟乙烯膜(PTFE)，耐高温、不易腐蚀、性质稳定；滤网15为不锈钢滤网，强度高、性质稳定，便于拆卸清洗。
本发明采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的激光甲烷传感器，半导体激光器的光谱谱线宽度要远小于气体吸收谱线的谱线展宽，使得测量精度更高。该类传感器具备了更多的优势，包括更强的选择性、对于复杂环境更好的适应性、高度稳定性、广泛的检测范围。
如图2-3所示，本发明实施例的如上所述的激光甲烷传感器的批量自动标定与测试系统，包括高低温交变湿热试验箱16、多路通道切换板17、气体密封罐18、压力控制模块19(如压力控制器)和上位机20；多个待测激光甲烷传感器均与多路通道切换板17相连；多个待测激光甲烷传感器均位于气体密封罐18内；压力控制模块19与气体密封罐18相连通，用于控制气体密封罐18内气体的浓度、流速和压力；气体密封罐18位于高低温交变湿热试验箱16内，高低温交变湿热试验箱16、多路通道切换板17和压力控制模块19均与上位机20相连。
本发明使用多路通道切换板17(即一个串口)连接多个继电器，并且每个继电器都连接激光甲烷传感；通过上位机20切换多路通道切换板17中的继电器，切换到当前继电器时其余继电器处于关闭状态，即可对当前继电器连接的激光甲烷传感器进行标定及测试操作；因此只要通过上位机20逐个切换多路通道切换板17中的继电器就能完成对批量激光甲烷传感器的自动标定与测试。
如图4所示，本发明实施例的基于如上所述的批量自动标定与测试系统的批量自动标定与测试方法，包括步骤：
上位机20控制高低温交变湿热试验箱16的温度和湿度，使其处于标定环境下；
然后压力控制模块19对气体密封罐18抽真空；
气体密封罐18抽真空完成后，压力控制模块19对气体密封罐18充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；
通过控制多路通道切换板17进行不同通道的切换，以对批量的激光甲烷传感器进行标定；
标定合格后，上位机20控制高低温交变湿热试验箱16的温度和湿度，使其处于测试环境下；
然后压力控制模块19对气体密封罐18抽真空；
气体密封罐18抽真空完成后，压力控制模块19对气体密封罐18充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；
通过控制多路通道切换板17进行不同通道的切换，以对批量的激光甲烷传感器进行测试，测试不合格的重新进行标定。
在上述标定不合格时，压力控制模块19重新对气体密封罐18抽真空；气体密封罐18抽真空完成后，压力控制模块19对气体密封罐18充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；再对标定不合格的激光甲烷传感器进行重新标定。
本发明通过上位机20与激光甲烷传感器进行通讯，通过批量自动标定与测试系统，可以实现对激光甲烷传感器的批量自动标定和测试。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光甲烷传感器，其特征在于，包括基座(1)、壳体(5)、光路模块(6)和电路板(10)，所述基座(1)的一端设有进气口，所述基座(1)的进气口处沿气体传输方向依次设置有滤网(15)、金属烧结片(3)和防水透气膜(11)；所述光路模块(6)安装于所述基座(1)的另一端，所述进气口与所述光路模块(6)的内侧之间形成气体传输空间；所述电路板(10)则固定安装于所述光路模块(6)的外侧；所述壳体(5)的一端密封安装于所述基座(1)的另一端；所述金属烧结片(3)的密度为90μm-100μm。
2.根据权利要求1所述的激光甲烷传感器，其特征在于，所述金属烧结片(3)与所述防水透气膜(11)之间设有压环(13)，所述压环(13)的高度范围为1.8-2.2mm。
3.根据权利要求1所述的激光甲烷传感器，其特征在于，所述基座(1)的高度为19-21mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的激光甲烷传感器，其特征在于，所述基座(1)上设置有第一环形台阶和第二环形台阶，所述滤网(15)安装在第一环形台阶上，所述金属烧结片(3)安装在第二环形台阶上，所述金属烧结片(3)与第二环形台阶之间设置有第一密封件(4)。
5.根据权利要求4所述的激光甲烷传感器，其特征在于，所述滤网(15)与所述金属烧结片(3)之间设置有第二密封件(2)。
6.根据权利要求1或2或3所述的激光甲烷传感器，其特征在于，所述防水透气膜(11)为聚四氟乙烯膜。
7.根据权利要求1或2或3所述的激光甲烷传感器，其特征在于，所述滤网(15)为不锈钢滤网。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的激光甲烷传感器的批量自动标定与测试系统，其特征在于，包括高低温交变湿热试验箱(16)、多路通道切换板(17)、气体密封罐(18)、压力控制模块(19)和上位机(20)；多个待测激光甲烷传感器均与多路通道切换板(17)相连；多个待测激光甲烷传感器均位于气体密封罐(18)内；所述压力控制模块(19)与所述气体密封罐(18)相连通，用于控制气体密封罐(18)内气体的浓度、流速和压力；所述气体密封罐(18)位于高低温交变湿热试验箱(16)内，所述高低温交变湿热试验箱(16)、多路通道切换板(17)和压力控制模块(19)均与上位机(20)相连。
9.一种基于权利要求8所述的激光甲烷传感器的批量自动标定与测试系统的批量自动标定与测试方法，其特征在于，包括步骤：
上位机(20)控制高低温交变湿热试验箱(16)的温度和湿度，使其处于标定环境下；
然后压力控制模块(19)对气体密封罐(18)抽真空；
气体密封罐(18)抽真空完成后，压力控制模块(19)对气体密封罐(18)充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；
通过控制多路通道切换板(17)进行不同通道的切换，以对批量的激光甲烷传感器进行标定；
标定合格后，上位机(20)控制高低温交变湿热试验箱(16)的温度和湿度，使其处于测试环境下；
然后压力控制模块(19)对气体密封罐(18)抽真空；
气体密封罐(18)抽真空完成后，压力控制模块(19)对气体密封罐(18)充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；
通过控制多路通道切换板(17)进行不同通道的切换，以对批量的激光甲烷传感器进行测试，测试不合格的重新进行标定。
10.根据权利要求9所述的批量自动标定与测试方法，其特征在于，在标定不合格时，压力控制模块(19)重新对气体密封罐(18)抽真空；气体密封罐(18)抽真空完成后，压力控制模块(19)对气体密封罐(18)充入对应浓度、流速和压力的甲烷气体；再对标定不合格的激光甲烷传感器进行重新标定。
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