一种用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷浓度检测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷浓度检测方法，此传感器包括驱动模块、激光器、接收模块和数据处理模块，所述驱动模块与所述激光器相连，用于输出驱动电流来驱动激光器；所述接收模块用于接收经过气室的激光并发送至数据处理模块，所述数据处理模块接收所述激光信号并转化为甲烷浓度；其中激光器采用可调谐半导体激光吸收光谱技术的垂直腔面发射激光器。本发明专利技术具有测量精度高、功耗低、监测全面等优点。监测全面等优点。监测全面等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷浓度检测方法


[0001]本专利技术主要涉及燃气监测
，具体涉及一种用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷浓度检测方法。

技术介绍

[0002]天然气作为我国长期使用的主要能源之一，其存储和运输过程的安全问题不容忽视。天然气的运输过程主要采用管道方式运输属于隐蔽工程，随着时间的推移深埋在地下的管道设备容易老化和腐蚀，造成燃气的泄漏。燃气的主要成分是甲烷，极易产生爆炸，因此燃气泄漏将严重威胁到周围人群的生命财产安全。另外阀井室环境比较恶劣，对传感器要求标准较高，需要具有长时间内的稳定特性，同时测量方面的精确度水平要足够高，除此之外，还需要具有比较低廉的成本以及比较低的能耗。因此，研制出一种实时准确的检测及监测低功耗甲烷浓度的设备系统，在构建安全生产以及科学生产体系方面有着较大的价值。
[0003]传统常用的监测燃气的传感器包括热催化式甲烷传感器、红外式甲烷传感器和激光甲烷传感器，但是上述传感器均存在或多或少的问题，具体为：
[0004]1)采用热催化元件的传感器，利用甲烷在催化元件表面无焰燃生热量，由测温元件测量温度的变化得到甲烷浓度。该传感器检测方面的范围较小，获得的结果精度也不高，还会在测量较高浓度甲烷时出现测量漂移现象，结果出现误差；采用红外原理的传感器，利用红外区中气体具备的特征吸收峰，在该吸收峰处进行具体气体的吸收状态检测能够获得气体的准确浓度。虽然测量范围宽、精度高，但受其他可燃气体和水汽影响。
[0005]2)传统激光甲烷传感器功耗高，不适合在电池供电的场景下长期使用。
[0006]3)传统的甲烷传感器只能监测甲烷气体浓度，但天然气阀井室内环境恶劣，监测的参数更多能够更好的监测井室燃气泄漏等安全问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种测量精度高的用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷浓度检测方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0009]一种用于阀井室的激光甲烷传感器，包括驱动模块、激光器、接收模块和数据处理模块，所述驱动模块与所述激光器相连，用于输出驱动电流来驱动激光器；所述接收模块用于接收经过气室的激光并发送至数据处理模块，所述数据处理模块接收所述激光信号并转化为甲烷浓度；其中激光器采用可调谐半导体激光吸收光谱技术的垂直腔面发射激光器。
[0010]作为上述技术方案的进一步改进：
[0011]所述接收模块包括光电二极管、前置放大电路和锁相放大电路，所述光电二极管、前置放大电路和锁相放大电路依次相连，所述锁相放大电路的输出端与所述数据处理模块相连。
[0012]所述前置放大电路与锁相放大电路之间设置有滤波电路。
[0013]还包括温度控制模块，用于对激光器的温度进行调节。
[0014]还包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于检测环境温度，所述压力传感器用于检测环境压力。
[0015]本专利技术还公开了一种基于如上所述的用于阀井室的激光甲烷传感器的甲烷浓度检测方法，包括步骤：
[0016]所述驱动模块产生正弦波和三角波叠加的调制电流信号，来对激光器的激光波长进行调制，使激光器发出的激光波长控制在相对应的甲烷气体吸收峰处；
[0017]所述接收模块接收经过气室的激光并发送至数据处理模块，所述数据处理模块接收所述激光信号并转化为甲烷浓度。
[0018]作为上述技术方案的进一步改进：
[0019]在对激光器的激光波长进行调制时，通过调节激光器的环境温度来实现粗调，通过调制电流信号来实现细调。
[0020]所述接收模块接收经过气室的激光后，进行前置放大后，再进行滤波处理；其中使用二阶数字滤波和限幅滤波的混合滤波方式动态来调整滤波参数。
[0021]所述数据处理模块接收多次激光信号对应的浓度信号，计算得到平均值，再进行温度补偿和压力补偿，得到最终的甲烷浓度数据。
[0022]在激光开机前先检测外界环境的温度，并将环境温度与激光器所需的恒定温度进行比对得到温差，根据温差来选择启动驱动激光器的制冷器的电流；其中温差越大，启动制冷器的电流越大；温差越小，启动制冷器的电流越小。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0024]本专利技术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，利用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、快速的响应、高度稳定性、广泛的检测范围。
[0025]本专利技术采取变电流的控温模式，可有效降低传感器的功耗。
[0026]本专利技术的激光甲烷传感器，通过温度传感器和压力传感器采集阀井室的环境温度和环境压力参数，能够更全面的实时监测阀井室安全。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的激光甲烷传感器在实施例的方框结构图。
[0028]图2为本专利技术的激光信号进行滤波处理的流程图。
[0029]图3为本专利技术的激光信号在进行处理时的流程图。
[0030]图4为本专利技术的激光器变电流控制模式流程图。
[0031]图例说明：1、驱动模块；101、信号叠加电路；2、激光器；3、接收模块；301、光电二极管；302、前置放大电路；303、滤波电路；304、锁相放大电路；305、2F信号电路；4、数据处理模块；5、供电模块；6、温度传感器；7、压力传感器；8、温度控制模块；9、主控制器。
具体实施方式
[0032]以下结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述。
[0033]如图1所示，本专利技术实施例提供了一种用于阀井室的激光甲烷传感器，包括驱动模块1、激光器2、接收模块3、数据处理模块4、主控制器9和供电模块5，驱动模块1与激光器2相连，用于输出驱动电流来驱动激光器2；接收模块3用于接收经过气室的激光并发送至数据处理模块4，数据处理模块4接收激光信号并转化为甲烷浓度，其中主控制器9则与数据处理模块4相连；其中激光器2为采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的垂直腔面发射激光器2。其中供电模块5将外接电源转换成合适的电压再分别给其它部分供电，避免相互干扰。
[0034]本专利技术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，利用半导体激光器2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、快速的响应、高度稳定性、广泛的检测范围。
[0035]在一具体实施例中，采用垂直腔面发射激光器2(VCSEL)作为光源，通过信号叠加电路101用一个正弦波调制信号叠加一个三角波信号的驱动电流(波长调制)来驱动VCSEL激光器2，可以实现激光器2的激光波长的调节。其中接收模块3包括光电二极管301、前置放大电路302、滤波电路303和锁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于阀井室的激光甲烷传感器，其特征在于，包括驱动模块(1)、激光器(2)、接收模块(3)和数据处理模块(4)，所述驱动模块(1)与所述激光器(2)相连，用于输出驱动电流来驱动激光器(2)；所述接收模块(3)用于接收经过气室的激光并发送至数据处理模块(4)，所述数据处理模块(4)接收所述激光信号并转化为甲烷浓度；其中激光器(2)采用可调谐半导体激光吸收光谱技术的垂直腔面发射激光器(2)。2.根据权利要求1所述的用于阀井室的激光甲烷传感器，其特征在于，所述接收模块(3)包括光电二极管(301)、前置放大电路(302)和锁相放大电路(304)，所述光电二极管(301)、前置放大电路(302)和锁相放大电路(304)依次相连，所述锁相放大电路(304)的输出端与所述数据处理模块(4)相连。3.根据权利要求2所述的用于阀井室的激光甲烷传感器，其特征在于，所述前置放大电路(302)与锁相放大电路(304)之间设置有滤波电路(303)。4.根据权利要求1或2或3所述的用于阀井室的激光甲烷传感器，其特征在于，还包括温度控制模块(8)，用于对激光器(2)的温度进行调节。5.根据权利要求1或2或3所述的用于阀井室的激光甲烷传感器，其特征在于，还包括温度传感器(6)和压力传感器(7)，所述温度传感器(6)用于检测环境温度，所述压力传感器(7)用于检测环境压力。6.一种基于权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：金玉轩，曾世，曾佳慧，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十八研究所，
类型：发明
国别省市：