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原文传递一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法

专利名称：	一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法
摘要：	本发明公开了一种可精确定位的红外甲烷测量装置及测量方法，包括主控制器、分布式反馈激光器、伸缩结构、挡板、防爆外壳和系统电源，所述主控制器通过串口分别与调制信号发生电路、激光器温度控制电路、第一无线通信模块和显示器连接；所述分布式反馈激光器中封装有激光二极管、NTC热敏电阻、半导体制冷器和光电二极管，激光二极管与调制信号发生电路连接，NTC热敏电阻和半导体制冷器分别与激光器温度控制电路连接；所述挡板中依次设置有光电转换电路、谐波检测电路、协控制器和第二无线通信模块，协控制器通过串口分别与光电转换电路、谐波检测电路和第二无线通信模块连接，光电转换电路和谐波检测电路连接。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	四川;51
申请人：	西南石油大学
发明人：	葛亮;陈旭阳;李莉;唐泽江;王博雅;母小琳;黄龙;胡泽;韦国晖;石明江;赖欣;杨青;邓魁
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910295661.4
公开号：	CN109900656A
分类号：	G01N21/3504(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	610500 四川省成都市新都区新都大道8号
主权项：	1.一种可精确定位的红外甲烷测量装置，它包括主控制器(1)、分布式反馈激光器(2)、伸缩结构(3)、挡板(4)、防爆外壳(30)和系统电源，所述主控制器(1)通过串口分别与调制信号发生电路(5)、激光器温度控制电路(6)、第一无线通信模块(7)和显示器(8)连接；所述分布式反馈激光器(2)中封装有激光二极管(9)、NTC热敏电阻(10)、半导体制冷器(11)和光电二极管(12)，激光二极管(9)与调制信号发生电路(5)连接，NTC热敏电阻(10)和半导体制冷器(11)分别与激光器温度控制电路(6)连接；所述挡板(4)中依次设置有光电转换电路(13)、谐波检测电路(14)、协控制器(15)和第二无线通信模块(16)，协控制器(15)通过串口分别与光电转换电路(13)、谐波检测电路(14)和第二无线通信模块(16)连接，光电转换电路(13)和谐波检测电路(14)连接。 2.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述调制信号发生电路(5)包括低频梯形波发生电路(17)、高频正弦波发生电路(18)、低通滤波器(19)、带通滤波器(20)和信号叠加电路(21)，其中低频梯形波发生电路(17)和高频正弦波发生电路(18)的一端均与主控制器(1)连接，低频梯形波发生电路(17)的另一端与低通滤波器(19)连接，高频正弦波发生电路(18)的另一端与带通滤波器(20)连接；低通滤波器(19)、带通滤波器(20)和主控制器(1)的数模输出接口DA均与信号叠加电路(21)连接；信号叠加电路(21)与分布式反馈激光器(2)连接。 3.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述激光器温度控制电路(6)包括PID模糊控制单元(22)、TEC驱动控制电路(23)、半导体制冷器(11)、压控恒流源电路(24)、NTC热敏电阻(10)和电压调理电路(25)，其中PID模糊控制单元(22)的一端与主控制器(1)连接、另一端与TEC驱动控制电路(23)和半导体制冷器(11)依次连接，NTC热敏电阻(10)置于分布式反馈激光器(2)内且分别与压控恒流源电路(24)和电压调理电路(25)连接，电压调理电路(25)与主控制器(1)电路连接。 4.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述谐波检测电路(14)由依次连接的前置放大电路(26)、带通滤波电路(27)、AD采样电路(28)和数字锁相环电路(29)构成，其中前置放大电路(26)与光电转换电路(13)连接；数字锁相环电路(29)与协控制器(15)连接。 5.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述伸缩结构(3)由支架和伸缩杆构成，一端安装有分布式反馈激光器(2)；伸缩杆上还安置有挡板(4)，可根据实际测量环境调节伸缩杆的长度；主控制器(1)和协控制器(15)可以控制挡板(4)在伸缩杆上以一定步长进行移动。 6.根据权利要求1所述的一种可精确定位的红外甲烷测量装置，其特征在于：所述分布式反馈激光器(2)和光电转换电路(13)分别在伸缩结构(3)的两端，分布式反馈激光器(2)发射近红外激光经过甲烷气团后直接被光电转换电路(13)接收并转换成电信号，能够有效地提高检测精度、降低因激光反射和散射而带来的误差。 7.一种可精确定位的红外甲烷测量方法，可以连续检测一条直线上各处的甲烷平均浓度以精确定位该直线上甲烷发生泄漏的位置，其特征在于：当系统进入工作状态时，分布式反馈激光器(2)发出近红外激光，经甲烷气团吸收后被光电转换电路(13)接收并通过谐波检测电路(14)和协控制器(15)处理后得到甲烷浓度；主控制器(1)通过第一无线通信模块(7)和第二无线通信模块(16)控制协控制器(15)，使挡板(4)在伸缩结构(3)上以一定步长进行不断的移动；每当挡板(4)移动一个步长就测量一次甲烷浓度并记录其位置，将甲烷浓度以及对应的位置信息存入主控制器(1)中，甲烷浓度最高处即为该直线上甲烷发生泄漏的位置；最后，主控制器(1)控制显示器(8)显示甲烷发生泄漏的位置。 8.根据权利要求7所述的一种可精确定位的红外甲烷测量方法，激光的发射、吸收和检测的具体过程主要包括以下步骤： S1.当系统进入工作状态时，根据实际测量环境调节伸缩结构(3)中伸缩杆的长度；主控制器(1)控制调制信号发生电路(5)产生低频梯形波和高频正弦波，两束信号和主控制器(1)的数模输出接口DA传出的信号叠加形成调制信号，用来驱动分布式反馈激光器(2)中的激光二极管(9)，产生调制激光； S2.激光器温度控制电路(6)实时地监测分布式反馈激光器(2)的温度并进行控制，压控恒流源电路(24)驱动NTC热敏电阻(10)使其根据温度大小产生相对应的NTC热敏电阻电压，NTC热敏电阻电压经过电压调理电路(25)后送入主控制器(1)中与设定温度输出电压在减法器电路进行运算获得温度控制误差e，温度控制误差e经过误差放大器放大后输入到PID模糊控制单元(22)处理，得到控制输出量u，进而控制TEC驱动控制电路(23)对半导体制冷器(11)进行驱动控制，使温度控制误差e减到最小，接近于零，从而实现分布式反馈激光器(2)内部温度的恒定； S3.分布式反馈激光器(2)经过调制信号发生电路(5)调制和激光器温度控制电路(6)控制温度后产生稳定波长为1653.7nm的近红外激光，该近红外激光射过甲烷气团，经甲烷气团吸收后，改变了调制光信号的波形；携带甲烷浓度信息的光信号被光电转换电路(13)转换成模拟电信号，再依次经过前置放大器(26)放大、带通滤波电路(27)滤波去噪后由AD采样电路(28)转换成数字电信号；随后，将数字电信号送入数字锁相环电路(29)进行锁相解调，解调出相应的一次谐波分量和二次谐波分量；最后，两个谐波分量输入到协控制器(15)中，根据红外吸收原理、朗伯比尔定律和甲烷气团吸收洛伦兹线性得到甲烷浓度。 9.根据权利要求8所述的一种可精确定位的红外甲烷测量方法，其特征在于：所述数字锁相环电路(29)将AD采样电路(28)中的AD采样信号经FIR高通滤波后与同步调制信号和2倍频同步调制信号对应相乘，然后再分别经FIR低通滤波和信号累加得到一次谐波分量和二次谐波分量，最后分别经过FIR低通滤波、平滑滤波和均值处理后送入协控制器(15)。
所属类别：	发明专利