一种红外气体检测系统技术方案

一种红外气体检测系统，属于气体检测技术领域。包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、气室、光电探测器、参考电路、放大电路、数字电位器、差分电路、滤波电路、微处理器。其特征在于利用数字电位器作为放大电路的增益电阻，通过微处理器采集到的最终波形的变化经过软件处理后，反馈调节数字电位器的阻值来改变传输光路电信号的放大倍数，达到自动补偿由于环境因素（除气体吸收以外）带来的通过气室的传输光光功率波动的目的，克服了由此带来的系统测量误差。本实用新型专利技术结构简单，实现容易，具有长期稳定性高，对系统环境变化不敏感的特点，可以广泛的应用于自由光路与光纤气体检测领域。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种红外气体检测系统，属于气体检测

技术介绍
微水含量的检测在电力工业中有着重要的作用。80年代中期以来，随着电力工业的迅速发展，六氟化硫(SF6)电气设备得到了广泛的应用，具体包括SF6断路器，GIS封闭组合电器，SF6绝缘的变压器、电压互感器、电流互感器及各类高压套管等。并且目前在建电压等级IlOkv及以上的项目中，基本上都使用SF6开关设备。这些电气设备在电力系统中，起着非常重要的作用，其运行的可靠性不仅关系到SF6电气设备本身，而且影响其他设备，甚至整个电网的安全。在运行中，SF6气体受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。但是当气体中含有水分时，氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，从而腐蚀电气设备，降低设备绝缘能力，危及维护人员的生命安全。要完全清除仪器内SF6气体的水分是不可能的，但是时刻掌握SF6气体微水含量，采取相应的预防控制措施，减少SF6气体中的水分，可以保证和提高断路器的安全运行可靠性。除电力系统高压开关柜中微水含量，变压器油中的水气体浓度检测也是不可缺少的。利用红外光谱吸收技术对SF6断路器中水分含量进行检测，其优点是反应速度快，灵敏度高，并可实现在线检测。但是由于光器件如激光器、耦合器，准直器，光纤容易受到温度，应力环境因素变化的影响而改变光发生功率和光耦合效率，使通过气室后的传输光光强发生变化，从而与气体吸收损耗带来的光强变化混淆，带来测量误差。影响了红外光谱吸收技术的测量精度与长期稳定性。论文“温度对光纤准直器的角度偏移影响分析”中提到温度对光线准直器的影响；论文“熔锥光纤耦合器的温度响应”中提到温度对光纤耦合器的影响。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本技术提出了一种红外气体检测系统。本技术的技术方案是按以下方式实现的:一种红外气体检测系统，包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、气室、光电探测器、参考电路、放大电路、数字电位器、差分电路、滤波电路和微处理器；其特征在于DFB激光器位于气室之前，气室另一端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与放大电路连接，放大电路的输出 端与参考电路的输出端分别连接到差分电路的输入端，差分电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接微处理器，温控电路连接到DFB激光器，电流驱动电路一边连接微处理器，另一边连接DFB激光器，电流驱动电路的驱动信号由微处理器发出，利用温控电路与电流驱动电路对DFB激光器进行电流驱动及温度驱动；数字电位器的输入端连接微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，通过微处理器动态控制调节数字电位器的电阻值来改变放大电路的负反馈增益，从而控制放大电路的放大倍数；所述的温控电路是由设置在DFB激光器内部的集成的热敏电阻和外接电阻组成的电桥、电压比较、温控芯片及MOS管电路组成，其中电桥连接到电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接到温控芯片，温控芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在DFB激光器上的半导体制冷器(Tec)相连接；所述的放大电路为集成双运放芯片0PA2604 ；所述的电流驱动电路由微处理器的DA与集成运放LM358芯片连接而成；所述的参考电路由微处理器的DA与集成双运放芯片0PA2604连接而成。所述的光电探测器是PIN光电探测器。所述的差分电路为精密仪表运放8221芯片。所述的滤波电路为通用有源滤波器芯片UAF42，是低通滤波器结构。所述的微处理器为LPC1758芯片。所述的DFB 激光器是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封装(Distributed FeedbackLaser)分布式反馈激光器,波长为1370±2nm。所述的数字电位器为maxin生产的max5388，256位，50K欧量程数字电位器。利用上述检测系统对气室进行水气检测的过程，步骤如下:I)将检测系统连接好；接通各电路模块与单片机的电源，调试光路与电路使其正常工作；待测气体冲入气室；2)将温控电路中电桥电阻设定为一固定值后不变以实现对DFB激光器的恒温控制:利用微处理器产生在0.03S内电流变化48mA，变化过程从24mA由低到高升温到72mA，然后再从72mA由高到低到24mA往复进行，设定的电流变化范围是以在微处理器中对应的输出电压为三角波的形式来实现的；由于DFB激光器驱动电流变化会导致DFB激光器的输出波长的变化，在微处理器中设置的电压变化输出使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包 含即24mA到72mA之间的电流变化使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含了水汽吸收峰1368.597nm的波长；3)调节传输光电路的放大电路及差分电路的放大倍数，调整时用示波器观察其输出信号，使输出电压在吸收峰之外的幅度为Omv到IOOmv范围内，在吸收峰处的电压在3V以下，以满足微处理器采集的信号幅值要求；4)放大倍数调整好之后，经滤波电路由微处理器采集出经水汽吸收后在波长1368.597nm处与无吸收处产生的信号，经过微处理器计算出这两个信号的差值并存储该差值，上述采集、计算及存储过程重复1000次，取平均值后用微水仪拟合出的差值与水汽含量的关系即可用微处理器计算出水气浓度；5)待测气体检测完毕，关闭电源。本技术的系统检测的最终吸收峰波形是由两路三角波信号通过差分电路相减后获得，一路为光信号通过光电探测器后转换为的电信号，另一路为参考电路产生的模拟电信号，图1上半部分表示正常情况下相减后的最终吸收峰波形，A，B点均为无吸收的波长位置，应在同一水平线上，当环境因素(如温度，应力)变化时，通过气室的信号光强度会发生增强或者衰减，即进入差分电路的一路三角波(光信号转换的一路)会增大或减小，而参考电路产生的模拟三角波电信号始终不变(纯电信号受环境影响很小，变化可以忽略)，这就导致了最终吸收峰波形发生畸变，如光强增强时，相当于被减得三角波增大，微处理器采集到的最终波形信号会由图1的上部分波形变化为下部分波形，波形发生畸变会使微处理器计算差值发生变化，从而给测量系统带来测量误差，为了解决该问题，采用基于数字电位器实时补偿环境因素变化对检测系统的影响。一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法，步骤如下:1)，数字电位器的输入端连接到微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，利用微处理器实时改变数字电位器电阻来改变放大电路的放大倍数，通过放大电路放大倍数的反向同比例变化补偿光强的变化，使得放大电路输入差分电路中的一路三角波信号保持不变；2)两路三角波电信号,包括一路为参考电路产生的模拟三角波电信号，另一路为传输光光电转换后经放大电路放大的三角波信号，经过差分电路差分后得到的吸收峰波形为微处理器最终采集的波形，系统工作在正常状态时，即无环境因素改变时，最终采集波形中气体吸收峰两侧应在同一水平位置(气体吸收峰两侧对应波长均不在特征吸收区域，无吸收衰减)，当环境因素变化时，传输光光强变化，该路进入差分电路的三角波变化，波形畸变，气体吸收峰两侧在水平方向上发生错位；在微处理器芯片中进行判断本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外气体检测系统，包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、气室、光电探测器、参考电路、放大电路、数字电位器、差分电路、滤波电路和微处理器；其特征在于DFB激光器位于气室之前，气室另一端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与放大电路连接，放大电路的输出端与参考电路的输出端分别连接到差分电路的输入端，差分电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接微处理器，温控电路连接到DFB激光器，电流驱动电路一边连接微处理器，另一边连接DFB激光器，电流驱动电路的驱动信号由微处理器发出，利用温控电路与电流驱动电路对DFB激光器进行电流驱动及温度驱动；数字电位器的输入端连接微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，通过微处理器动态控制调节数字电位器的电阻值来改变放大电路的负反馈增益，从而控制放大电路的放大倍数；所述的温控电路是由设置在DFB激光器内部的集成的热敏电阻和外接电阻组成的电桥、电压比较、温控芯片及MOS管电路组成，其中电桥连接到电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接到温控芯片，温控芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在DFB激光器上的半导体制冷器相连接；所述的放大电路为集成双运放芯片OPA2604；所述的电流驱动电路由微处理器的DA与集成运放LM358芯片连接而成；所述的参考电路由微处理器的DA与集成双运放芯片OPA2604连接而成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱存光，常军，王朋朋，王强，刘永宁，魏巍，高婷，王福鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：实用新型
国别省市：