气体浓度监测方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种气体浓度监测方法、装置及系统，属于光纤传感技术领域。该系统包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置及微控制器。气体探头用于探测待测气体，待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的参考气室。激光产生装置用于输出信号光和多束参考光。光电探测装置用于将接收到的信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器。微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。本发明专利技术实现了对待测气体，尤其吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的气体进行高精度定量监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感
，具体而言，涉及一种气体浓度监测方法、装置及系统。
技术介绍
传统的可燃性挥发气体现场监测技术手段有催化燃烧、电化学以及红外吸收光谱等。这些技术方法相关的传感器设备在监测现场带电运行，其本身即为构成火灾与爆炸事故的诱因之一，属于非本质安全的技术手段。并且上述技术手段需要定期重新标定，无法实现长期高灵敏度运行。可调谐半导体激光吸收光谱技术以半导体激光器输出的红外激光作为主动探测光源，可实现相应传感设备的长期高效运行。同时该技术容易与光纤传感技术相结合，可将红外激光束远距离传输至可燃性挥发气体监测现场，从而实现对现场可燃性挥发气体进行不带电、本质安全的监测。当前，可调谐半导体激光吸收光谱技术与光纤传感技术相结合，形成的相应传感设备已经被大量应用于工业气体现场监测领域中，但是这些应用主要是对单一组分气体进行监测(如甲烷、乙炔等气体)，且相应气体存在分立、明显的特征吸收峰，非常便于识别提取并用于气体的定量分析。而原油储罐区可燃性挥发气体是主要由丙烷和丁烷构成的混合组分气体，且无论丙烷还是丁烷，其吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰，此时，采用传统的传感设备无法实现该可燃性挥发气体的现场高精度定量监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种气体浓度监测方法、装置及系统，以改善上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供了一种气体浓度监测系统，包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置以及微控制器。所述微控制器与所述光电探测装置电连接。所述气体探头用于探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的所述参考气室。所述激光产生装置用于输出信号光和多束参考光。其中，所述多束参考光与所述多个参考气室一一对应。所述信号光传输至所述气体探头内，一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体探头输出并传输至所述光电探测装置。每束所述参考光均传输至与该参考光对应的参考气室，一部分该参考光被该参考气室内的气体吸收，另一部分该参考光从该参考气室输出并传输至所述光电探测装置。所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器。所述微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。在本专利技术较佳的实施例中，上述激光产生装置还用于产生基准光，所述激光产生装置输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值。所述激光产生装置输出的每束参考光的光强与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于所述预设值。所述光电探测装置还用于接收所述激光产生装置输出的基准光，将所述基准光转换为第二电信号发送至所述微控制器。所述微控制器用于处理所述第一电信号和所述第二电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。在本专利技术较佳的实施例中，上述气体探头包括赫里奥特光学结构，入射到所述气体探头内的信号光经所述赫里奥特光学结构多次反射后输出，以使得一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收。在本专利技术较佳的实施例中，上述多种气体包括第一气体和第二气体，所述多束参考光包括第一参考光和第二参考光，所述多个参考气室包括填充有所述第一气体的第一参考气室和填充有所述第二气体的第二参考气室。所述第一参考光传输至所述第一参考气室，一部分所述第一参考光被所述第一参考气室内的第一气体吸收，另一部分所述第一参考光从所述第一参考气室输出并传输至所述光电探测装置。所述第二参考光输入所述第二参考气室，一部分所述第二参考光被所述第二参考气室内的第二气体吸收，另一部分所述第二参考光从所述第二参考气室输出并传输至所述光电探测装置。在本专利技术较佳的实施例中，上述第一气体为丙烷，所述第二气体为丁烷，所述信号光和多束参考光的波长范围均为1681.88nm-1685.6nm。在本专利技术较佳的实施例中，上述气体浓度监测系统还包括报警模块，所述报警模块与所述微控制器电连接。所述微控制器还用于当得到的待测气体的任一组分的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至所述报警模块；所述报警模块用于接收到所述报警指令后进行报警。在本专利技术较佳的实施例中，上述激光产生装置包括激光器以及光纤分束器。所述激光器与所述微控制器电连接。所述激光器的输出端与所述光纤分束器的输入端耦合，所述激光器输出的激光光束传输至所述光纤分束器，经所述光纤分束器分束为所述信号光、所述多束参考光以及所述基准光输出。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种气体浓度监测方法，应用于上述气体浓度监测系统。所述方法包括：根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量；根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数；根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱；根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。第三方面，本专利技术实施例还提供了一种气体浓度监测装置，运行于上述的气体浓度监测系统中的微控制器，所述气体浓度监测装置包括：获取单元，用于根据获取到的第一电信号得到第一吸收光谱以及多个第二吸收光谱，其中，所述第一吸收光谱对应于气体探头内的待测气体对信号光的吸收量，每个所述第二吸收光谱对应于一个参考气室内的气体对参考光的吸收量。第一处理单元，用于根据所述第一吸收光谱、所述多个第二吸收光谱以及第一预设规则，得到第一系数。第二处理单元，用于根据所述第一系数以及所述多个第二吸收光谱，分别获得所述待测气体的各气体组分的第三吸收光谱。第三处理单元，用于根据所述各气体组分的第三吸收光谱以及第二预设规则，获得所述待测气体的各气体组分的浓度。本专利技术实施例提供的气体浓度监测系统通过气体探头探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的参考气室。所述激光产生装置输出信号光和多束参考光。其中，所述多束参考光与多个所述参考气室一一对应。通过设置多个所述参考气室，光电探测装置将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至微控制器，所述微控制器处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度，以此实现待测气体，尤其针对吸收光谱呈带状，并无完全分立、明显的特征吸收峰的气体现场高精度定量监测。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术第一实施例提供的系统的结构框图；图2为本专利技术第一实施例提供的系统的结构示意图；图3为本专利技术第一实施例提供的气体探头的结构示意图；图4为本专利技术第一实施例提供的第一参考气室的结构示意图；图5为本专利技术第二实施例提供的气体浓度监测方法的一种流程图；图6为本专利技术第二实施例提供的气体浓度监测方法的另一种方法流程图；图7为本专利技术第二实施例提供的第一参考气室内丙烷的光谱示意图；图8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体浓度监测系统，其特征在于，包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置以及微控制器，所述微控制器与所述光电探测装置电连接，所述气体探头用于探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的所述参考气室；所述激光产生装置用于输出信号光和多束参考光，其中，所述多束参考光与所述多个参考气室一一对应；所述信号光传输至所述气体探头内，一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体探头输出并传输至所述光电探测装置；每束所述参考光均传输至与该参考光对应的参考气室，一部分该参考光被该参考气室内的气体吸收，另一部分该参考光从该参考气室输出并传输至所述光电探测装置；所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器；所述微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。

【技术特征摘要】
1.一种气体浓度监测系统，其特征在于，包括激光产生装置、气体探头、多个参考气室、光电探测装置以及微控制器，所述微控制器与所述光电探测装置电连接，所述气体探头用于探测待测气体，所述待测气体包括多种气体，每种所述气体对应一个填充有该气体的所述参考气室；所述激光产生装置用于输出信号光和多束参考光，其中，所述多束参考光与所述多个参考气室一一对应；所述信号光传输至所述气体探头内，一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体探头输出并传输至所述光电探测装置；每束所述参考光均传输至与该参考光对应的参考气室，一部分该参考光被该参考气室内的气体吸收，另一部分该参考光从该参考气室输出并传输至所述光电探测装置；所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光和每束参考光均转化为第一电信号发送至所述微控制器；所述微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。2.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述激光产生装置还用于产生基准光，所述激光产生装置输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值，所述激光产生装置输出的每束参考光的光强与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于所述预设值；所述光电探测装置还用于接收所述激光产生装置输出的基准光，将所述基准光转换为第二电信号发送至所述微控制器；所述微控制器用于处理所述第一电信号和所述第二电信号以得到所述待测气体中各组分的浓度。3.根据权利要求2所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述激光产生装置包括激光器以及光纤分束器，所述激光器与所述微控制器电连接，所述激光器的输出端与所述光纤分束器的输入端耦合，所述激光器输出的激光光束传输至所述光纤分束器，经所述光纤分束器分束为所述信号光、所述多束参考光以及所述基准光输出。4.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述气体探头包括赫里奥特光学结构，入射到所述气体探头内的信号光经所述赫里奥特光学结构多次反射后输出，以使得一部分所述信号光被所述气体探头内的待测气体吸收。5.根据权利要求1所述的气体浓度监测系统，其特征在于，所述多种气体包括第一气体和第二气体，所述多束参考光包括第一参考光和第二参考光，所述多个参考气室包括填充有所述第一气体的第一参考气室和填充有所述第二气体的第二参考气室；所述第一参考光传输至所述第一参考气室，一部分所述第一参考光被所述第一参考气室内的第一气体吸收，另一部分所述第一参考光从所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王寅，魏玉宾，张婷婷，胡杰，赵维崧，李艳芳，王兆伟，刘统玉，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37