CN218674715U - 开路气体检测系统和用于检测沿开路的气体的收发器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及开路气体检测系统和用于检测沿开路的气体的收发器；其中一种开路气体检测系统包括：发射器，被配置成生成跨开路的照明；以及接收器，被定位成在照明已经通过开路之后检测来自发射器的照明，检测器被配置成基于照明来检测感兴趣的气体，所述发射器和所述接收器被配置成无线通信；另外，一种用于检测沿开路的气体的收发器包括：防爆壳体，控制器，紧凑型激光模块，光检测器，所述控制器被配置成与远程收发器无线通信以检测沿所述开路的所述气体。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于并且要求2021年8月19日提交的美国临时专利申请序列号63/234,813的权益，该申请的内容整体通过引用方式并入本文中。
技术领域
本申请涉及开路气体检测系统和用于检测沿开路的气体的收发器。
背景技术
开路气体检测器(OPGD)是视线气体监测器，其通常安装以长距离监测气体存在。开路气体检测器提供高速响应，它们在极端条件下操作，并且需要更少的仪器来监测大面积区域。这些检测器通常检测单种化学物质的独特光谱指纹。这种气体检测器通常由一对装置组成；源单元和检测器单元。源单元生成高能束电磁能。目标气体吸收一些电磁能并且发射其余部分。然后，检测器单元基于目标气体检测特定光谱范围的发射能量。
一些开路气体检测系统采用源单元(发射器)和检测器单元(接收器)之间的有线通信。这种有线方法需要复杂的基础设施、复杂的安装、电缆磨损并且需要频繁维护。此外，通过这种系统接口，有线通信用于获取有关单元(发射器和接收器)本身的信息，而不是有关单元之间的介质/环境的信息——这在谈论开路气体检测时尤其重要的数据。需要从发射器和接收器以及它们之间的路径获得反馈来清楚地了解系统环境，而这在使用有线通信时是不可能的。
实用新型内容
一种开路气体检测系统，包括：发射器，被配置成生成跨开路的照明；以及接收器，被定位成在照明已经通过开路之后检测来自发射器的照明，检测器被配置成基于照明来检测感兴趣的气体，其特征在于，所述发射器和所述接收器被配置成无线通信。
还提供了一种用于检测沿开路的气体的收发器，所述收发器包括：防爆壳体；控制器，设置在所述防爆壳体内；紧凑型激光模块，设置在所述防爆壳体内并且以可操作的方式耦合到所述控制器；光检测器，以可操作的方式耦合到所述控制器；以及其特征在于，所述控制器被配置成与远程收发器无线通信以检测沿所述开路的所述气体。
附图说明
图1是具有无源接收器的单向开路气体检测系统的示意图。
图2是示出串扰问题的两个开路气体检测系统的示意图。
图3是根据一个实施例的有源双向开路气体检测系统的示意图。
图4和图5是根据本实用新型实施例的用于有源双向开路气体检测系统的激光模块的侧视图和透视图。
图6是示出根据本实用新型实施例的有源双向开路气体检测系统的功效的实验装置的示意图。
图7是根据本实用新型实施例的双向开路气体检测系统的系统框图。
图8是根据本实用新型实施例的操作有源双向开路气体检测系统的方法的流程图。
具体实施方式
图1是单向开路气体检测系统的示意图。系统100包括发射器102和接收器104，它们被布置成使得从发射器102传送的光脉冲108将沿着路径106行进到接收器104。接收器104接收光脉冲并且被配置成分析接收到的信号的光谱特性以确定光脉冲是否通过感兴趣的气体。如图1中所示，从发射器102到接收器104的通信完全是单向的。因此，无源接收器104没有与发射器102通信的能力。系统100的这种限制会在多个此类系统100彼此靠近使用的情况下引起串扰。众所周知，在发射器与接收器之间不采用任何类型的同步的开路气体检测系统存在诸如串扰等问题，并且在恶劣的环境条件下难以检测气体。串扰是开路气体检测系统中的重要问题。就光学系统而言，“串扰”是指由发射器为其相关接收器发射的信号在附近的单独集合的接收器中产生不希望的影响的现象。恶劣的天气条件也可能导致系统困难，因为与正常操作相比，接收器从发射器获得的信号可能要低得多。这会导致系统运行错误，因为它会影响光学性能和检测能力，并且最终将导致接收器错过监测路径中的实际气体读数。
图2是示出串扰问题的两个开路气体检测系统的示意图。图2示出了具有源102-1和检测器104-1的第一开路气体检测系统靠近具有源102-2和检测器104-2的第二开路气体检测系统操作。图2中所示的开路气体检测系统中的每一个都如上文关于系统100所描述的那样操作。然而，这两个系统的靠近允许来自一个源(诸如源102-1)的光脉冲或能量110由与预期的检测器(104-1)不同的检测器(104-2)检测。这种对错误光脉冲或能量的检测被称为串扰，并且可能会导致受影响系统出现错误。
为了获得有关系统环境的真实信息，发射器与接收器之间的接口应该是光学和无线的。本质上，希望提供一种具有连续或至少定期学习其环境的能力的开路气体检测系统。采用无线通信呈现了使光辐射强度超过允许极限值的挑战，这在需要光学本质安全认证的应用中可能是重大障碍。在许多需要覆盖长距离的应用中，长距离光通信所需的能量可能超过标准的极限值，而系统仍需要符合防爆规定。此外，由于眼睛安全标准，高级激光可能会使用户处于危险之中。本文描述的至少一些实施例提供了一种开路气体检测系统，该开路气体检测系统包括源(发射器)和检测器(接收器)，其可以采用UV和/或IR电磁能进行气体检测以及采用激光IR能在源与检测器之间进行双向通信。
图3是根据本实用新型实施例的有源双向开路气体检测系统200的示意图。系统200包括发射器202和接收器204。与发射器102一样，发射器202被配置成沿着路径106向接收器104发送光脉冲108，该接收器被配置成检测接收到的脉冲108的光谱属性以便沿路径106检测感兴趣气体。然而，根据本实用新型实施例，接收器204包括允许接收器204沿路径120向发射器202发送光脉冲或其他合适的信号或波形的光源(图7中所示)。在一个实施例中，光源是激光发射器。此外，发射器202还包括检测器和合适的检测逻辑，以检测来自接收器204的光脉冲/信号。在接收器侧添加光源允许在两个单元之间使用无线通信，使系统有源和双向。通过这种方式，可以启用发射器和接收器的附加功能和控制选项。这些新功能包括但不限于：监测介质特性(恶劣天气/雾/雪等)作为环境学习系统的一部分、距离计算(使用飞行时间(ToF)技术)、当发射器信号较低时增加的脉冲重复频率(PRF)作为环境补偿模块的一部分、防止来自附近发射器的串扰等。
在接收器侧提供有源光源以及在源侧提供检测电子器件将原本单向的系统转换为有源双向系统，具有无线通信的能力，从中获得数字通信和光谱信息。此外，双向通信使两个单位能够提高对环境以及单元本身的认识。这种认识可以帮助单元提供动态调整发射器工作模式的能力，诸如在发生大雨、大雾或暴风雪等干扰时。因此，调整单元的工作模式有利于环境条件的补偿，使得接收器能够在恶劣的天气条件下从发射器获得可行的信号，并且系统将继续正常操作，并且检测气体。
开路气体检测器操作的许多环境是高度易挥发或易爆的，并且可能被气体检测系统中的火花或升高的表面温度点燃。因此，对于这种气体检测系统，非常希望符合防爆额定值。此类额定值要求符合要求的电气装置内产生的任何爆炸或火焰都不会点燃装置的环境。这些额定值推动了诸如壳体壁厚和材料以及从装置内部到外部环境的火焰淬火路径的设置等设计约束条件。防爆额定值的一个示例是针对潜在爆炸性气氛的Ex-d标准EN60079-0和EN60079-1的ATEX认证。通常，防爆壳体相对笨重，以便在机械上足够坚固以容纳内部爆炸而不破裂。通常，这种防爆容器是非常坚固的金属外壳，其被设计用于承受爆炸压力。然而，对于光学装置，外壳必须容纳某种类型的窗口，以允许照明穿过环境。
保护危险环境的另一种方式是要求在其中操作的装置符合本质安全要求。当电子器件本质上是安全时，即使在故障条件下，它们本身也无法产生所需的温度或火花来产生爆炸。本质安全规范的示例是Factory Mutual Research于1998年10月颁布的标准，标题为《在I类、II类和III类，第1类危险(分类)场所(类编号为3610)使用的批准标准本质安全设备和相关设备(APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATEDAPPARATUS FOR USE IN CLASS I,II,AND III,DIVISION 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS,CLASS NUMBER 3610)》。本质安全要求通常规定了如此低的能量水平，以至于对于涉及高电压、高电流和/或高瓦数的电路(诸如AC电路)根本不可能符合要求。在本文所述的至少一些实施例中，电路被设计和配置成符合诸如上文所述的本质安全要求。
图4和图5是根据本实用新型实施例的用于有源双向开路气体检测系统的激光模块的侧视图和透视图。提供紧凑的激光模块有助于降低系统成本，这对于防爆系统尤为重要。此外，希望提供一种激光模块，其具有足够的能量用于低能量长距离通信和/或检测，但仍能符合1类激光标准。激光模块250满足这些标准。激光模块250具有圆形的激光输出端252并且优选地具有约8.5mm的直径。激光输出端252延伸约6mm。激光模块250的总长度“L”约为20mm。激光模块250还包括一对双绞线导体254，其延伸到2针连接器256，该连接器连接到单元内的合适的通电电路。如图5中所示，激光模块250通常还包括输出透镜258。在一个实施例中，激光模块250被配置成生成红外(IR)激光束。
图6是示出根据本实用新型实施例的有源双向开路气体检测系统的功效的实验装置的示意图。系统280包括设置有激光模块250的发射器202，如上文关于图4和图5所描述。发射器202的激光模块250生成朝向接收器204的IR激光束260。接收器204包括被配置成检测IR激光束的检测器262。为了模拟由环境条件(诸如下雨或暴风雪)引起的衰减，在光束260的路径中放置ND滤光器264。实验装置表明即使在由滤光器264的90％的遮蔽下，在200米的检测距离也能成功操作。这表明使用符合1类激光标准的紧凑型激光模块250具有令人满意的信噪比和平衡设计。
图7是根据本实用新型实施例的双向开路气体检测系统的系统框图。系统300包括发射器302和接收器304。发射器302和接收器304中的每一个优选地分别包括防爆壳体305、306。发射器302包括耦合到激光驱动模块310的控制器308。激光驱动模块310可以包括功率处理组件以及频率控制和脉冲生成逻辑，使得在接收到来自控制器308的信号时，激光驱动模块312被配置成使激光模块250通过壳体窗口317向接收器304生成合适的脉冲或信号316。发射器302可以采用任何合适的激光模块，但优选地采用激光模块250，如上所述。控制器308可以是以下任何合适的电路或逻辑布置：能够使激光模块250生成脉冲或信号316以及采用通信模块314使用无线通信318与接收器304通信。在一个实施例中，控制器308是微处理器。
接收器304包括定位在壳体306中的检测器窗口322附近的光检测器320。光检测器320被配置成生成表示通过窗口322的光脉冲或信号316的电信号。光检测器320耦合到检测逻辑模块324，其被配置成接收来自光检测器320的电信号并且放大信号以及分析接收到的信号的光谱分量以向控制器326提供对信号的光谱分量的指示。在一些实施例中，光检测器320和检测逻辑324可以组合在单个物理装置中。控制器326可以是以下任何合适的电路或逻辑布置：其能够从检测逻辑324接收光谱分量信息，并且基于光谱分量信息生成有用气体检测信息。在一个实施例中，控制器326是微处理器。
如图7中所示，控制器326耦合到激光驱动模块334，该激光驱动模块耦合到激光器332。激光器332被配置成通过窗口340生成激光照射，如附图标记336所示。注意，窗口340可以是与窗口320分开的窗口，或者它可以是同一组件。激光336行进到发射器302，在此它通过窗口338并且被光检测器330检测到。注意，窗口338可以是与窗口317分开的窗口，或者它可以是同一组件。光检测器330耦合到检测逻辑328，该检测逻辑向控制器308提供指示检测到的信号的信息。这样，接收器304能够使用激光通信与发射器302无线通信。因此，接收器304能够向发射器302发射无线信息和从发射器302接收无线信息。发射器302与接收器304之间的这种双向通信能力为开路气体检测传感器300提供了多种新的特征和模式。例如，环境条件可能会使一些激光脉冲316衰减，使得信噪比低于接收器304检测到的选定阈值。当发生这种情况时，接收器304与发射器302无线通信以指示发射器302增加激光束的强度。
系统300的一个特定协同作用是因为每个装置都能够发射和接收光信号，所以可以使用光信号本身来执行双向通信。此外，可以理解，由于每个装置都可以生成和接收光脉冲或信号，因此在激光器或检测器中的一个对于单个单元发生故障的情况下，系统300的检测能力是多余的。
在一些实施例中，激光驱动模块312可以组合成与激光器相同的物理组件，诸如紧凑型激光源模块250(如图4和图5中所示)。此外，诸如检测逻辑328之类的检测逻辑和诸如光检测器330之类的光检测器也可以组合在单个物理装置中。
图8是根据本实用新型实施例的操作有源双向开路气体检测系统的方法的流程图。方法500开始于发生系统启动的框502。系统启动可以包括对发射器或接收器中的每一个的一次或多次自检。例如，自检可以包括验证足够的操作电压、测试光学组件(诸如激光器或检测器)等。系统启动502还可以包括将接收器与其相应的发射器配对的配对操作。配对可以以任何合适的方式发生。作为配对过程的一部分，或此后不久，接收器和发射器使它们各自的定时器同步。接下来，在框506处，生成用于信号发射开始的触发。在一个示例中，该触发可以由接收器生成，该接收器指示发射器在预定义时间范围开始发射光脉冲。注意，本实用新型实施例也可以在发送器向接收器指示其将发射光脉冲的预定义时间范围的情况下实施。无论如何，作为框506的结果，接收器将在预定义时间范围打开其集成窗口以从发射器接收光脉冲或信号，如框508处所示。
在框510处，接收器对接收到的信号执行数据处理。数据处理可以包括：分析接收到的信号的光谱特性以检测一种或多种感兴趣的气体，如框512处所示。该分析生成气体检测系统的主要输出。还可以随时间存储和分析光谱特性，以识别环境介质条件和/或状态。此外，可以使用人工智能和机器学习并且在光谱特性上进行训练，以预测未来的值或条件。然而，接收器还在其他方面分析接收到的信号以确定其他感兴趣的参数。例如，可以确定信号强度或质量，如框514处所示。信号强度或质量的变动可以提供对由于雨/雾/雪/薄雾导致的信号劣化的指示。此外，在已知的零信号周期内测量信号电平可以提供对背景噪声或串扰的指示，如框516处所示。此外，由于接收器和发射器具有同步定时器，并且接收器知道发射器发射光脉冲的准确时间，所以接收器可以测量脉冲穿过开路所需的时间。该飞行时间测量518提供了对距离的直接指示，这可是监测特定应用的重要变量。接收器还可以分析接收到的信号以确定发射器和/或接收器本身的单元状态，如框520处所示。
作为在框510执行的分析的结果，接收器可以确定需要调整所发射的光脉冲的某个方面。在这种情况下，可以执行可选框522，其中接收器向发射器发射调整请求。例如，在框510处，接收器可以确定：信号强度已经下降到低信号阈值以下并且激光束的强度应该增加特定量。该强度增加命令以及强度增加量参数可以在可选框522处从接收器传送到发射器。然后发射器将响应地将激光束强度增加所请求的量。
在框524处，提供系统输出。在接收器/收发器包括无线通信电路的实施例中，诸如使用WirelessHART通信协议，接收器/收发器可以将输出直接报告给过程通信网络。此外或替代地，该系统可以直接在接收器/收发器的显示器上提供输出。另外，在气体检测水平高于某个阈值的情况下，输出还可以包括视觉或听觉警报。最后，由于接收器和发射器可以相互通信，因此输出也可以从接收器传送到发射器，以在发射器的显示器/警报器上本地显示。由于生成的输出，方法500通过返回框506进行重复。
如上所述，本文所述的一些实施例提供了一种用于开路气体检测系统的小型、低能量、长距离光通信系统，该系统符合至少一个防爆规范，和/或符合1类激光要求。在一些实施例中，无线通信模块被设计成使用接收器与发射器之间的无线通信来防止不同对(对/组意味着接收器和发射器)之间的串扰。这样，每个接收器将识别相关的发射器并且与其配对以避免串扰。
尽管已经参考优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员将认识到可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。例如，虽然本文描述的实施例通常提供具有多个感兴趣的附加参数的气体检测系统，但也启用了附加能力，诸如使用该系统使用激光雷达技术绘制周围区域的地图。
Claims (17)
1.一种开路气体检测系统，包括：
发射器，被配置成生成跨开路的照明；以及
接收器，被定位成在所述照明已经通过所述开路之后检测来自所述发射器的所述照明，所述接收器被配置成基于所述照明来检测感兴趣的气体，其特征在于，所述发射器和所述接收器被配置成无线通信。
2.根据权利要求1所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述无线通信是在所述开路上的光通信。
3.根据权利要求1所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述无线通信是双向无线通信。
4.根据权利要求3所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述开路气体检测系统被配置成基于由所述接收器检测到的照明来动态地调整所述发射器的工作模式。
5.根据权利要求4所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述发射器的工作模式是基于环境干扰来调整的。
6.根据权利要求1所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述发射器包括紧凑型激光模块，所述紧凑型激光模块被配置成沿所述开路向所述接收器生成光学激光脉冲。
7.根据权利要求6所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述激光模块被配置成生成IR激光脉冲。
8.根据权利要求1所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述接收器包括紧凑型激光模块，所述紧凑型激光模块被配置成沿所述开路向所述发射器生成光学激光信号。
9.根据权利要求8所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述发射器被配置成检测来自所述接收器的所述光学激光信号。
10.根据权利要求9所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述紧凑型激光模块符合1类激光标准。
11.根据权利要求1所述的开路气体检测系统，其特征在于，所述发射器和所述接收器中的至少一个包括防爆壳体。
12.一种用于检测沿开路的气体的收发器，所述收发器包括：
防爆壳体；
控制器，设置在所述防爆壳体内；
紧凑型激光模块，设置在所述防爆壳体内并且以可操作的方式耦合到所述控制器；
光检测器，以可操作的方式耦合到所述控制器；以及
其特征在于，所述控制器被配置成与远程收发器无线通信以检测沿所述开路的所述气体。
13.根据权利要求12所述的收发器，其特征在于，所述控制器被配置成经由所述紧凑型激光模块和所述光检测器使用光通信与所述远程收发器进行无线通信。
14.根据权利要求12所述的收发器，其特征在于，所述紧凑型激光模块是1类激光装置。
15.根据权利要求12所述的收发器，其特征在于，所述紧凑型激光模块被配置成生成沿所述开路的IR激光束。
16.根据权利要求12所述的收发器，其特征在于，所述收发器被配置成与所述远程收发器配对。
17.根据权利要求16所述的收发器，其特征在于，所述收发器和配对的远程收发器具有同步定时器。
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