CN204536185U - 高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光电子技术领域，涉及一种高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置，检测装置包括主机、光纤、气体检测模块(探头)。本实用新型基于光谱吸收的原理检测气体的浓度，利用光开关切换光路，选择激光器所发射的不同波长的光源，实现测量不同的气体浓度。通过加入标准浓度的各种参比气室，采用比较法，有效提高测量精度，消除了环境温度等影响。本实用新型采用了根据矿井特殊环境定制的粉末冶金外壳，针对环境中粉尘多、湿度大的情况，能够较好的保护传感器内部的光路。本实用新型具有抗辐射、耐腐蚀、寿命长、传输距离长等优点，气体检测模块无需本质安全供电，外壳有特殊防护，将光纤传感的本质安全特性应用于高湿易爆气体环境。
Description
技术领域
本实用新型属于光电子技术领域，涉及一种高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置。
背景技术
传统的煤矿安全监控设备不论传感器、分站还是交换机都需要供电，且电源必须是专用的本质安全电源，而煤矿井下供电困难。现有的气体检测普遍采用催化、热导等检测方法，其中的敏感元件易中毒、长期稳定性差，测量数值会随时间产生漂移，因此要求传感器连续工作7天必须进行一次标校，浪费大量人力物力。
矿井下大量存在的机电设备，在启动和工作过程中会对传统检测数据的传输产生电磁干扰。矿井下的湿度很高，容易对现有检测结果造成很大的误差，同时，井下含有高浓度的甲烷、氧气，属于易爆环境，可能在瓦斯突出时引起爆炸。目前的矿用传感器一般单只传感器只有单个探头。
发明内容
本实用新型的目的是针对以上技术的缺陷，提供一种高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置。本实用新型的技术解决方案是，检测装置包括气体检测模块1和主机2，所述气体检测模块1包括参比气室13、发射透镜15、接收透镜14和光纤；发射透镜15和接收透镜14分别固定于气体检测模块的两端，中间加入标准浓度的参比气室13，发射透镜15通过光纤连接至DFB激光器11，接收透镜14通过光纤连接至光电探测模块12；气体检测模块1置于被检测环境中，获取含有浓度信息的光信号，通过光纤分布式的连接至主机进行信号处理。由于气体检测模块1全部由无源器件组成，可以确保其本质安全特性和抗电磁干扰能力；主机2包括信号处理电路3、微处理器4、声光报警模块5、通讯模块6、电源模块7、液晶显示模块8、温度补偿模块9、光开光10、DFB激光器11和光电探测模块12；主机2中的微处理器4同时与声光报警模块5、通讯模块6、电源模块7、液晶显示模块8、温度补偿模块9连接，光电探测模块12通过信号处理电路3与微处理器4相连，微处理器4通过光开关10与DFB激光器11连接。
所述气体检测模块1内的透镜随参比气室的数量成对增加。
所述气体检测模块1内的两透镜之间的参比气室根据检测气体的不同更换。
所述气体检测模块1的防护外壳采用粉末冶金烧结而成的一体式过滤筒状多孔外壳。
本实用新型具有以下优点和有益效果：
本实用新型的气体检测模块与处理单元之间是光纤通讯，无电信号，因此对电磁干扰具有先天的免疫。而且，所有的探头都是无源的，无需本质安全电源为其供电，且探头到处理单元之间的距离可达到20km，每个处理单元可以连接多个探头。同时利用激光的光谱吸收特性和远距离传输特性，在实现气体浓度测量的同时实现长距离传输。
本实用新型的气体检测模块内的透镜可以随着需要测量的气体种类成对增加，从而实现同时测量多种气体的浓度。由于主机能够连接多个探头，根据检测气体的不同，更换参比气室内气样同样实现该功能。
再者，本实用新型采用分离式设计，实现分布式测量，气体检测模块无需本质安全供电，内部结构简单，都是无源的，较好的将光纤传感的本质安全特性应用于高湿易爆气体环境中。该装置的寿命只与激光器的寿命有关，而该激光器的预期寿命一般不少于10年。
气体检测模块的防护外壳透气性好、成本低、能够应对矿井中高湿度多粉尘的极端恶劣环境。采用经过特殊封装的标准气室结构，保证参比气样不受环境温度的影响，光纤气体测量较好的提高了检测精度与速度(甲烷检测精度≦0.01％，一氧化碳检测精度≦2ppm，响应时间≦15s)，而且无需定期标校。
附图说明
图1是本实用新型的原理框图。
图2是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细说明，如图1、2所示。检测装置包括气体检测模块1和主机2。主机2包括信号处理电路3、微处理器4、声光报警模块5、通讯模块6、电源模块7、液晶显示模块8、温度补偿模块9、光开光10、DFB激光器11和光电探测模块12；气体检测模块1包括参比气室13、发射透镜15、接收透镜14和光纤。一台主机可扩展连接多个气体检测模块，气体检测模块通过光纤将包含有浓度信息的光信号传送至主机进行信号处理。
发射透镜15和接收透镜14分别固定于气体检测模块的两端，中间加入标准浓度的参比气室13，发射透镜15通过光纤连接至DFB激光器11，接收透镜14通过光纤连接至光电探测模块12。
主机2中的微处理器4同时与声光报警模块5、通讯模块6、电源模块7、液晶显示模块8、温度补偿模块9连接，光电探测模块12通过信号处理电路3与微处理器4相连，微处理器4通过光开关10与DFB激光器连接。
所述主机2内的光开关10采用MEMS开关，微处理器4一方面控制DA产生低频的锯齿波，将模拟电路生成的高频正弦波加载在锯齿波上，以驱动光源发光，另一方面通过控制光开关，从而调整内部光路结构，选择待测气体需要的特定波长的光源。光开关所选择的光信号通过光纤送至DFB激光器11，接着通过光纤送至发射透镜15，此时，光源由透镜发出，待测气体与参比气室13均对光进行吸收，导致光强度产生衰减，通过分别测量出射光强，便可计算出待测气体的浓度。接收透镜14将已通过气体的光信号收集，通过光纤传送至光电探测模块12，将带有气体浓度信息的光信号转换成电信号，然后通过放大和滤波，滤除低频锯齿波，将带有气体浓度信息的高频正弦输入锁相乘法器，与二倍频的高频信号相乘后，便可得到反映气体浓度的二次谐波信号。通过二次谐波信号和光强的比值变化，获得气体的浓度值。该实用新型的气体检测模块1中加入了参比气室13，气室内充满标准气体浓度为1％(参比气室内的气样浓度随情况而调整)的气样，由发射透镜发出的光源，分别通过含有标准气体浓度为1％的参比气室13和环境中的待测气体，根据Beer－Lambert定律得出两组出射光强度，按照上述处理过程最后得到两组数字信号。以浓度为1％的气样推演所得的二次谐波信号为标准参考值，将反映待测环境气体浓度的二次谐波信号除以反映参比气室气体浓度的二次谐波信号，这两组数值经过比较成倍数关系，由于已知参比气室内采用的浓度为1％的标准气样，根据相除所得的系数值即可得到当前环境中待测气体的浓度值。液晶显示模块8循环显示当前环境中不同气体的浓度值，温度补偿模块9对环境中温度造成的误差进行补偿校正，若实测浓度值大于设定值，声光报警模块5发出报警信号。
所述气体检测模块1的防护外壳采用粉末冶金烧结而成的一体式过滤筒状多孔外壳。粉末冶金是一种少或无切削加工的批量生产方法，可以在较低的成本下，达到环境所需的要求。现有的井下气体传感器外壳大多采用钢制材料，本实用新型采用粉末冶金颗粒制作的外壳，该外壳透气性好、制作成本低，环境中的待测气体能够均匀进入检测模块内，且能够很好的保护内部的光路不受污染，不影响测量的精度，由于材料的特殊性能，适用于矿井中高湿度多粉尘的极端恶劣环境。
气体检测模块1内的透镜可以随着需要测量的气体种类成对增加，从而实现同时测量多种气体的浓度；由于主机能够连接多个探头，根据检测气体的不同，更换参比气室内气样同样实现该功能。
本实用新型采用分离式设计，保证了气体检测模块1是无源的，无需本质安全供电，从实际应用层面更符合矿井中的本质安全要求，将其固定于矿井巷道、采掘工作面、机电硐室等位置，经过光纤连接到井上的主机2。微处理器4通过控制光开关10选择待测气体对应波长的光路。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。本实用新型中的光开关是基于微机电系统技术加工而成的，光开关与两组光纤相连，分别作为入射端和出射端，由内部微镜的调整从而实现光路的选择。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置，其特征在于，检测装置包括两大部分：气体检测模块（1）和主机（2），所述气体检测模块（1）包括参比气室（13）、发射透镜（15）、接收透镜（14）和光纤；发射透镜（15）和接收透镜（14）分别固定于气体检测模块的两端，中间加入标准浓度的参比气室（13），发射透镜（15）通过光纤连接至DFB激光器（11），接收透镜（14）通过光纤连接至光电探测模块（12）；主机（2）包括信号处理电路（3）、微处理器（4）、声光报警模块（5）、通讯模块（6）、电源模块（7）、液晶显示模块（8）、温度补偿模块（9）、光开光（10）、DFB激光器（11）和光电探测模块（12），主机（2）中的微处理器（4）同时与声光报警模块（5）、通讯模块（6）、电源模块（7）、液晶显示模块（8）、温度补偿模块（9）连接，光电探测模块（12）通过信号处理电路（3）与微处理器（4）相连，微处理器（4）通过光开关（10）与DFB激光器（11）连接。
2.根据权利要求1所述的高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置，其特征在于，所述气体检测模块（1）内的透镜随参比气室的数量成对增加。
3.根据权利要求1所述的高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置，其特征在于，所述气体检测模块（1）内的两透镜之间的参比气室根据检测气体的不同更换。
4.根据权利要求1所述的高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置，其特征在于，所述气体检测模块（1）的防护外壳采用粉末冶金烧结而成的一体式过滤筒状多孔外壳。
Priority Applications (1)
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| CN201520207531.8U CN204536185U (zh) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | 高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置 |
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| CN201520207531.8U CN204536185U (zh) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | 高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置 |
Publications (1)
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| CN204536185U true CN204536185U (zh) | 2015-08-05 |
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| CN201520207531.8U Active CN204536185U (zh) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | 高湿易爆环境中多种气体的分布式光纤检测装置 |
Country Status (1)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105510276A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-04-20 | 武汉阿卡瑞思光电自控有限公司 | 基于tdlas的多组分气体多点监测系统 |
| CN109215297A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-01-15 | 珠海任驰光电科技有限公司 | 一种分时复用光纤可燃气体报警装置及方法 |
| CN110749549A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-04 | 山东大学 | 一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法 |
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2015
- 2015-04-08 CN CN201520207531.8U patent/CN204536185U/zh active Active
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