CN207946353U - 一种气体浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种气体浓度检测装置，涉及气体检测技术领域，主要目的是用以解决现有技术中可测量气体种类单一，测量精度低的问题，所述气体浓度检测装置包括：信号发生器、锁相放大器、至少一个激光器、光纤耦合器、气室、探测器、数据采集卡、控制模块、电化学传感器模组，具体通过激光器输出待检测气体吸收谱线波长的激光束，经过长光程气室内的多次反射，经探测器接收，以及锁相放大器解调出含有浓度信息的二次谐波信号，通过控制模块对对含有浓度信息的二次谐波信号进行处理，计算出待检测气体的浓度。本实用新型主要用于多种气体浓度的检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种气体浓度检测装置。
背景技术
近年来，煤矿事故已经明显下降，但是重大煤矿安全事故仍然时有发生，对人民的生命和财产造成具体损失，在国际上已产生了不良影响。可燃气体爆炸事故是当前煤矿安全生产中威胁最大、最突出的一个问题。究其原因，除单纯追求高产、高效益的人为因素外，生产技术水平不高，对危险气体如瓦斯、一氧化碳等气体的检测采用人工巡检为多，自动化装置、先进的检测设施使用效率低，增加了煤矿安全事故的发生几率，因此，气体浓度检测受到了广泛关注。
目前，市面上常用的气体浓度检测装置主要采用单端单光源入射到气体池中，光源的单一性决定了测量其他的种类少，局限性大，在某些研究中采用的是一个光源对应一个气体池的方式解决多光源耦合问题，但随着测量组分的增加，对装置的复杂性以及测量精度的要求更高。
实用新型内容
本实用新型提供一种气体浓度检测装置，用以解决现有技术中可测量气体种类单一，测量精度低的问题。
本实用新型提供了一种气体浓度检测装置，包括：信号发生器、锁相放大器、至少一个激光器、光纤耦合器、气室、探测器、数据采集卡、控制模块、电化学传感器模组；
所述信号发生器分别与所述锁相放大器、所述激光器相连，所述信号发生器，用于将所述信号发生器生成的参考信号与调制信号分别发送至所述锁相放大器与所述激光器；
所述激光器与所述光纤耦合器相连，所述激光器，用于根据所述调制信号产生不同波长的激光束，所述光纤耦合器，用于将所述不同波长的激光束进行耦合；
所述光纤耦合器与所述气室相连，所述气室，用于将耦合后的激光束进行多次反射以及扫描；
所述气室，还用于接收待检测气体；
所述气室与所述探测器相连，所述探测器，用于接收气室输出的激光束；
所述探测器与所述锁相放大器相连，所述锁相放大器，用于从所述气室输出的激光束中提取特定频率的信号，对所述气室输出的激光束进行去噪；
所述锁相放大器与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡，用于从去噪后的激光束中采集第一电压信号，并将所述第一电压信号传递至所述控制模块；
所述气室还与所述电化学传感器模组相连，所述电化学传感器模组，用于对气室输出的待检测气体进行检测，并将检测到的信号传递至所述数据采集卡；
所述电化学传感器模组与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡，还用于从所述电化学传感器模组检测到的信号中采集第二电压信号，并将所述第二电压信号传递至所述控制模块；
所述控制模块与所述信号发生器相连，所述控制模块，用于控制所述信号发生器产生不同的信号；
所述控制模块与所述数据采集卡相连，所述控制模块，还用于对所述数据采集卡采集到的第一电压信号与第二电压信号进行处理，得到待检测气体的浓度值。
进一步地，所述气室的中心位置安装有用于获取温度信号的第一传感器以及用于获取压力信号的第二传感器；
所述数据采集卡分别与所述第一传感器、所述第二传感器相连，所述数据采集卡，还用于采集所述温度信号、所述压力信号，并将所述温度信号、所述压力信号传递至所述控制模块；
所述控制模块，还用于根据所述温度信号、所述压力信号对所述待检测气体的浓度值进行修正。
进一步地，所述装置还包括：
激光驱动器，用于控制所述激光器产生不同波长的激光束；
激光器选择器，用于配合所述激光驱动器调制激光器产生不同波长的激光束；
以及安装在所述激光器底部的激光器底座；
其中，所述信号发生器与所述激光驱动器相连，所述激光驱动器与所述激光器选择器相连，所述激光器选择器与所述激光器相连。
进一步地，在所述气室的进气口设置有计量待检测气体流量的计量器。
进一步地，在所述气室的输入口安装有准直器；
所述准直器与所述光纤耦合器相连，所述准直器，用于调整所述激光束进入所述气室的角度。
进一步地，在所述气室的输出口安装有聚焦器；
所述聚焦器与所述探测器相连，所述聚焦器，用于将聚焦所述气室输出的激光束。
进一步地，所述装置还包括：
真空泵，用于将所述电化学传感器模组输出待检测气体输出至废气处理；
所述真空泵分别与所述电化学传感器模组、所述废气处理相连。
由上述技术方案可知，本实用新型提供的气体浓度检测装置，通过激光器输出待检测气体吸收谱线波长的激光束，经过长光程气室内的多次反射，经探测器接收，以及锁相放大器解调出含有浓度信息的二次谐波信号，通过控制模块对对含有浓度信息的二次谐波信号进行处理，计算出待检测气体的浓度。与现有技术中采用单光源入射方式相比，本实用新型实施例通过多路激光器来实现信号波长的调制，经过高频调制可以抑制低频段的背景噪声干扰，提高系统的测量精度，通过控制模块来控制和切换激光器的工作状态，从一系列激光器中依次选择测量激光束导入到检测光路，实现对多组分气体的分时顺序检测。
附图说明
图1为本实用新型一实施例提供的气体浓度检测装置的结构示意图；
图2为本实用新型另一实施例提供的气体浓度检测装置的结构示意图；
图3a为本实用新型另一实施例提供的二次谐波信号的波峰与波谷的比值与调制系数的变化关系示意图；
图3b为本实用新型另一实施例提供的调制系数与二次谐波峰值的关系曲线示意图；
图4为本实用新型另一实施例提供的气体浓度检测装置的结构原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1示出了本实用新型一实施例提供的气体浓度检测装置内部的结构示意图，如图1所示，该气体浓度检测装置包括：信号发生器101、锁相放大器113、至少一个激光器106、光纤耦合器107、气室109、探测器112、数据采集卡102、控制模块116、电化学传感器模组118；
其中，信号发生器101分别与锁相放大器113、激光器106相连，信号发生器101，用于将信号发生器101生成的参考信号与调制信号分别发送至锁相放大器113与激光器106；
激光器106与光纤耦合器107相连，激光器106，用于根据调制信号产生不同波长的激光束，光纤耦合器107，用于将不同波长的激光束进行耦合；
光纤耦合器107与气室109相连，气室109，用于将耦合后的激光束进行多次反射以及扫描；
气室109，还用于接收待检测气体；
气室109与探测器112相连，探测器112，用于接收气室输出的激光束；
探测器112与锁相放大器113相连，锁相放大器113，用于从气室109输出的激光束中提取特定频率的信号，对气室109输出的激光束进行去噪；
锁相放大器113与数据采集卡102相连，数据采集卡102，用于从去噪后的激光束中采集第一电压信号，并将第一电压信号传递至控制模块116；
气室109还与电化学传感器模组118相连，电化学传感器模组118，用于对气室109输出的待检测气体进行检测，并将检测到的信号传递至数据采集卡102；
电化学传感器模组118与数据采集卡102相连，数据采集卡102，还用于从电化学传感器模组118检测到的信号中采集第二电压信号，并将第二电压信号传递至控制模块116；
控制模块116与信号发生器101相连，控制模块116，用于控制信号发生器101产生不同的信号；
控制模块116与数据采集卡102相连，控制模块116，还用于对数据采集卡102采集到的第一电压信号与第二电压信号进行处理，得到待检测气体的浓度值。
由此，上述的气体浓度检测装置，通过激光器输出待检测气体吸收谱线波长的激光束，经过长光程气室内的多次反射，经探测器接收，以及锁相放大器解调出含有浓度信息的二次谐波信号，通过控制模块对对含有浓度信息的二次谐波信号进行处理，计算出待检测气体的浓度。与现有技术中采用单光源入射方式相比，本实用新型实施例通过多路激光器来实现信号波长的调制，经过高频调制可以抑制低频段的背景噪声干扰，提高系统的测量精度，通过控制模块来控制和切换激光器的工作状态，从一系列激光器中依次选择测量激光束导入到检测光路，实现对多组分气体的分时顺序检测
作为一种优选实施方式，图2示出了本实用新型另一实施例提供的气体浓度检测装置的结构示意图，为了控制激光器106能够输出符合要求的激光束，该气体浓度检测装置还包括：激光驱动器103，用于控制激光器106产生不同波长的激光束；
激光器选择器104，用于配合激光驱动器103调制激光器106产生不同波长的激光束；
以及安装在激光器106底部的激光器底座105；
其中，信号发生器101与激光驱动器103相连，激光驱动器103与激光器选择器104相连，激光器选择器104与激光器106相连。
本实用新型实施例依据的测量原理是Beer-Lambert定律，当激光器106发出的光束入射到气室109后，一束光经过气体分子吸收后，其光强变化为如下公式：
It(v)＝I0(v)exp[-α(v)CL]
其中，I0(υ)为入射光束的光强，It(υ)为投射光的光强，α(υ)为在频率υ处单位浓度、单位长度下气体对光的吸收系数，C为气体的体积分数，L为其他吸收光路的光程长度。
为了提高气体浓度检测装置的抗干扰能力，引入波长调制和谐波检测技术，通过在激光器106扫描信号(频率为)之上添加一个高频的正弦调制信号(频率为f)，那么激光器的瞬时频率υ(t)如下述公式：
其中，α为调制幅度，当调制幅度足够小的情况下下，入射光的光强基本保持不变，即为I0(v)＝I0(v0)＝I0；
其中，υ0是吸收谱线的中心频率，则经过波长调制后的信号如下述公式：
其中，为吸收系数经调制后的傅立叶系数，进一步通过将波长调制后的信号输入到锁相放大器中，就可以得到各次谐波分量的信号，本实用新型实施例选用二次谐波峰值来检测气体的浓度。
对于本实用新型实施例，具体可以通过在气室109中设置有光学镜片110，入射光束经过气室109内的光学镜片110的多次折射，从气室109的出射端口射出，保证出射端口射出的激光束能够准确输出。
其中，气室109的中心位置安装有用于获取温度信号的第一传感器(温度传感器)114以及用于获取压力信号的第二传感器(压力传感器)115，这里的第一传感器可以感受气室109内的环境温度，并将环境温度转换成可以输出温度信号，这里的第二传感器可以感受到气室109内的压力，并将压力转换为可以输出的压力信号。
数据采集卡102分别与温度传感器114、压力传感器115相连，数据采集卡102，还用于采集温度信号、压力信号，并将温度信号、压力信号传递至控制模块116；
控制模块116，还用于根据温度信号、压力信号对待检测气体的浓度值进行修正。
由于气室109内吸收谱线的强度和吸收谱线的线型函数二者将直接影响二次谐波信号的峰值，所以吸收谱线的强度对气体浓度测量结果的准确性起着决定性的作用，本实用新型实施例通过测量气室109内的温度和压强对气体浓度进行修正，进一步提高了气体浓度值测量结果的准确性。
在实际情况下，气室109内的环境温度和压强可直接测得，但是计算线宽时，需要预先知道气室109内的气体成分和气体浓度，而气体成分和气体浓度正是我们要检测的目标，所以线宽值通过理论方法无法直接计算得到。因此，在修正线宽对二次谐波信号的影响时，本实用新型实施例暂且不考虑是哪种因素导致线宽发生变化，而只关注线宽变化对二次谐波幅度的影响。通过对数值模拟得出的二次谐波信号的峰谷值进行计算，可以计算出二次谐波信号的波峰与波谷的比值与调制系数的变化关系，如图3a所示，图3a为调制系数与二次谐波峰值的关系曲线示意图，而调制系数与线宽的计算公式如下：
其中，m为调制系数，Δv为线宽，δv为调制幅度，具体调制系数与二次谐波峰值的关系曲线如图3b所示，通过线宽和调制幅度，可以计算出调制系数。
因为调制幅度是固定不变的，当测量环境中参数改变导致线宽发生变化时，调制系数就必将发生改变，因此我们只要通过二次谐波信号的波峰与波谷的比值得到了调制系数，再将调制系数使二次谐波峰值发生波动的比例值作为修正系数来修正谐波峰值，就消除了线宽变化对二次谐波的影响。
经过以上的分析，我们得出温度和压强对吸收谱线影响的修正方法：在模拟的目标测量环境中，标定出二次谐波信号的峰值与气体浓度的关系式，利用图1分别标定出不同压力和不同温度下的调制系数，再利用图2得出调制系数与二次谐波信号峰值的关系式，在测量过程中，当调制系数值发生变化时，则证明测量环境参数一定发生改变导致线宽发生变化，此时所测得的浓度结果务必存在较大误差，所以需要将此时测量得到的二次谐波峰值，用预先标定的调制系数对应的二次谐波峰值，再利用修正值来修正原始计算得到的气体浓度值。
进一步地，为了方便调节输入气室109中待检测气体的流量，本实用新型实施例在气室109的进气口设置有计量待检测气体流量的计量器117。
进一步地，为了保证输入气室109内激光束的准确性，本实用新型实施例在气室109的输入口安装有准直器108，使得输入准直器108后的激光束准直后形成准直光斑。准直器108与光纤耦合器107相连，准直器108，用于调整激光束进入气室109的角度。
进一步地，为了保证输出气室109后的激光束准确地汇聚到出射端出口，本实用新型实施例在气室109的输出口安装有聚焦器111，使得从气室109输出的激光束汇聚到聚焦器111上。聚焦器111与探测器112相连，聚焦器111，用于将聚焦气室109输出的激光束。
为了防止气室109内排出的待检测气体可能污染环境，该气体浓度检测装置还包括：真空泵119，用于将电化学传感器模组118输出待检测气体输出至废气处理，真空泵119分别与所电化学传感器模组118、废气处理相连。
图4为本实用新型另一实施例提供的气体浓度检测装置的结构原理框图，如图4所示，高频调制电路产生高频正弦信号，与激光驱动器产生的低频三角波信号相叠加，共同加载到DFB激光器上，这样在低频三角波进行线性扫描的同时，激光器的输出光功率也伴随着高频正弦调制，于是，激光器的波长得到调制，而这样的高频调制可以可抑制低频段的背景噪声干扰，提高系统的测量灵敏度。激光器输出待测气体吸收谱线波长的激光，经过长光程气室内的多次反射，由光电探测器接收，由放大电路放大后，经锁相放大电路解调出含有浓度信息的二次谐波信号。同时，温度传感器和压力传感器测量其室内的温度和压力信号，将这些信号进行信号调理后再输入到锁相放大器中。锁相放大电路的输出信号、电化学传感器模组检测到的浓度值，一同由A/D转换电路采集到上位机中，进行数据的处理、显示、存储等。
综上所述，本实用新型实施例采用可调谐激光吸收光谱技术，解决了现有技术中气体浓度简册装置中待检测气体单一、测量时间长、测量精度低等特点，本实用新型中的待检测气体可以为多种混合的气体，采用基于分时扫描的时分多路技术来实现多组分气体的实时检测，通过控制模块来控制和切换激光驱动器的工作状态，因而从一系列的激光器中依次选择测量光束导入到检测光路，实现多组分气体的分时顺序检测。相比现有的线色谱的气体浓度检测方法相比，可调谐激光吸收光谱技术不需要消耗性载气和易污染老化的色谱柱和复杂的气路控制系统，灵敏度更高；相比现有的傅立叶红外的气体浓度检测方法相比，可调谐激光吸收光谱技术可以提高气体池光程，从而极大的提高了检测灵敏度。
另外，本实用新型的浓度检测装置具有可以消除背景气体交叉干扰、可同时检测多种成分气体的浓度、测量精度高、测量时间短、可进行温度压力修正以适应恶劣测量环境等特点。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的权利要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种气体浓度检测装置，其特征在于，包括：信号发生器、锁相放大器、至少一个激光器、光纤耦合器、气室、探测器、数据采集卡、控制模块、电化学传感器模组；
所述信号发生器分别与所述锁相放大器、所述激光器相连，所述信号发生器，用于将所述信号发生器生成的参考信号与调制信号分别发送至所述锁相放大器与所述激光器；
所述激光器与所述光纤耦合器相连，所述激光器，用于根据所述调制信号产生不同波长的激光束，所述光纤耦合器，用于将所述不同波长的激光束进行耦合；
所述光纤耦合器与所述气室相连，所述气室，用于将耦合后的激光束进行多次反射以及扫描；
所述气室，还用于接收待检测气体；
所述气室与所述探测器相连，所述探测器，用于接收气室输出的激光束；
所述探测器与所述锁相放大器相连，所述锁相放大器，用于从所述气室输出的激光束中提取特定频率的信号，对所述气室输出的激光束进行去噪；
所述锁相放大器与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡，用于从去噪后的激光束中采集第一电压信号，并将所述第一电压信号传递至所述控制模块；
所述气室还与所述电化学传感器模组相连，所述电化学传感器模组，用于对气室输出的待检测气体进行检测，并将检测到的信号传递至所述数据采集卡；
所述电化学传感器模组与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡，还用于从所述电化学传感器模组检测到的信号中采集第二电压信号，并将所述第二电压信号传递至所述控制模块；
所述控制模块与所述信号发生器相连，所述控制模块，用于控制所述信号发生器产生不同的信号；
所述控制模块与所述数据采集卡相连，所述控制模块，还用于对所述数据采集卡采集到的第一电压信号与第二电压信号进行处理，得到待检测气体的浓度值。
2.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述气室的中心位置安装有用于获取温度信号的第一传感器以及用于获取压力信号的第二传感器；
所述数据采集卡分别与所述第一传感器、所述第二传感器相连，所述数据采集卡，还用于采集所述温度信号、所述压力信号，并将所述温度信号、所述压力信号传递至所述控制模块；
所述控制模块，还用于根据所述温度信号、所述压力信号对所述待检测气体的浓度值进行修正。
3.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述装置还包括：
激光驱动器，用于控制所述激光器产生不同波长的激光束；
激光器选择器，用于配合所述激光驱动器调制激光器产生不同波长的激光束；
以及安装在所述激光器底部的激光器底座；
其中，所述信号发生器与所述激光驱动器相连，所述激光驱动器与所述激光器选择器相连，所述激光器选择器与所述激光器相连。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，在所述气室的进气口设置有计量待检测气体流量的计量器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，在所述气室的输入口安装有准直器；
所述准直器与所述光纤耦合器相连，所述准直器，用于调整所述激光束进入所述气室的角度。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，在所述气室的输出口安装有聚焦器；
所述聚焦器与所述探测器相连，所述聚焦器，用于将聚焦所述气室输出的激光束。
7.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述装置还包括：
真空泵，用于将所述电化学传感器模组输出待检测气体输出至废气处理；
所述真空泵分别与所述电化学传感器模组、所述废气处理相连。
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