用于检测甲烷气体的装置及检测甲烷气体的方法与流程

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种用于检测甲烷气体的装置及检测甲烷气体的方法。

背景技术：

在地下管道、矿井等场所，由于可能存在甲烷，甲烷是易燃易爆气体，由于检测技术和管理水平的落后，事故常有发生，不仅对经济造成巨大的损失，也造成了不良的社会影响，对环境造成了污染。因此为确保生命和财产安全，在此类场所作业时，需要对其内部的气体进行实时检测。

为了保障安全生产和社会稳定，检测待检测区域甲烷气体泄漏势在必行，现有用于检测待检测区域甲烷气体检浓度检测的各种系统中，相比于通过红外、热敏等检测装置，激光检测装置可对气体有高度的选择性，避免其受使用工况中的其他气体、水蒸气、粉尘等的干扰。传统的激光检测方法为将激光发射端与激光接收端置于两侧，为保证甲烷气体浓度检测的准确性，需要较远量程，即需要将激光发射端与激光接收端相距较远的距离，不便于测量。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种用于检测甲烷气体的装置及检测甲烷气体的方法，可在有限的空间内增加光程，进而提高检测精度，结构简单，使用方便。

第一方面，为实现上述目的，本发明提供一种用于检测甲烷气体的装置，包括设于待测区域内的第一支柱和第二支柱；所述第一支柱上设有包括激光准直器和探测器的光学探头以及与所述光学探头连接的控制器和激光器，所述激光器的激光输出端对应所述激光准直器的激光输入端；所述第二支柱上设有具有反光角晶结构的反射面，能够将所述光学探头发出的激光反射至所述探测器；所述控制器分别与所述探测器和所述激光器电连接，且所述控制器可控制所述激光器发出波长为1653nm的激光，并根据所述探测器所接收到的激光计算所述第一支柱和所述第二支柱之间的甲烷气体的浓度。所述第一支柱和所述第二支柱之间的距离为1m～30m。

本发明提供的用于检测甲烷气体的装置，将激光器、探测器均固定在第一支柱上，反射面固定在第二支柱上，激光的发射端与接收端均在反射面的一侧，可在有限的空间内增加光程，具体距离根据现场工况的不同进行选择，同时，根据不同的安装距离，对激光的强度进行相应的调节，以满足检测要求。经反射，光程最长可达60m，光程越大，检测精度越高。结构简单，使用方便。

同时，反射面选用具有反光角晶结构的反射面，可以有效地源向反射入射光线，广角性好，反光距离更远，可有效避免外界光源的干扰。

另外，控制器通过控制电流控制从光学探头处发出波长为1653nm的激光，该波长的激光与甲烷气体相适配，当波长为1653nm的激光经反射面反射至光学探头后，控制器将根据发射出的激光强度与反射回的激光强度进行对比，并根据强度变化进行计算，得出甲烷气体浓度，该甲烷气体浓度为第一支柱和第二支柱之间的甲烷气体浓度。本发明用来检测甲烷气体浓度的激光波长为1653nm，该激光的波长与甲烷气体相适配，可使得该设备对甲烷气体具有高度的选择性，不受其他气体、水蒸气、粉尘等干扰，相比于使用红外、热敏等气体检测装置，激光检测可使检测精度更高。

优选地，所述控制器包括信号发生电路、信号放大电路和MCU处理电路，所述MCU处理电路分别与所述信号发生电路、所述信号放大电路信号连接，所述信号放大电路还与所述探测器信号连接。

优选地，还包括直流斩波器和直流电源，所述直流斩波器的输入端与所述直流电源相连，其输出端与所述MCU处理电路相连。

优选地，还包括设于所述第一支柱上的第一壳体和第二壳体，所述光学探头设于所述第一壳体内，所述控制器、所述激光器均设于所述第二壳体内；所述第一壳体和所述第二壳体之间连接有激光传输构件。

优选地，所述激光传输构件包括光纤和包裹在所述光纤外的挠性管。

优选地，所述挠性管的材料为金属材料。

优选地，还包括连接组件，所述连接组件包括：与所述第一支柱可拆卸连接的安装板；垂直地设于所述安装板上的第一支撑件；与所述第一支撑件枢接且可水平转动的第二支撑件；所述第二支撑件与所述光学探头枢接，使得所述光学探头能够相对于所述第二支撑件进行竖直转动。

优选地，所述光学探头的轴线与所述反射面的镜面相垂直。

第二方面，本发明提供一种用于检测甲烷气体浓度的方法，其步骤包括：选取待测区域内的第一支柱和第二支柱，所述第一支柱和所述第二支柱之间的距离为1m～30m；将根据权利要求1所述的装置的光学探头和控制器以及激光器一同设置在所述第一支柱上；将所述反射面设置在所述第二支柱上；通过所述控制器控制所述激光器发出波长为1653nm的激光，所述激光经所述光学探头投射至所述反射面上，所述反射面将所述激光反射至所述光学探头，所述控制机构基于所述光学探头接收的所述激光来计算所述第一支柱和所述第二支柱之间的甲烷气体浓度。

在本发明提供的检测甲烷气体的方法中，光学探头发出的激光是具有与气体相适配的波长为1653nm的激光，相比于使用红外、热敏等气体检测方法，本方法对甲烷气体具有高度的选择性，不受其他气体、水蒸气、粉尘等干扰，可使检测精度更高。同时，激光发射器及接收器在反射面的一侧，可在有限的空间内增加光程，第一支柱和第二支柱之间的距离为1m～30m，具体距离根据现场工况的不同进行选择，同时，根据不同的安装距离，对激光的强度进行相应的调节，以满足检测要求。经反射，光程最长可达60m，在有限的空间内，光程增大，光程越大检测精度越高，结构简单，使用方便。

优选地，所述第一支柱与所述第二支柱均为树立在地面上的杆件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明实施例的用于检测甲烷气体的装置的结构主视图；

图2是本发明实施例的用于检测甲烷气体的装置的结构侧视图；

图3是本发明实施例的检测甲烷气体的方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是本发明实施例的用于检测甲烷气体的装置的结构主视图；图2是本发明实施例的用于检测甲烷气体的装置的结构侧视图。如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种用于检测甲烷气体的装置，包括：设于待测区域内的第一支柱和第二支柱；第一支柱上设有包括激光准直器和探测器的光学探头1以及与光学探头1连接的控制器和激光器，激光器的激光输出端对应激光准直器的激光输入端；第二支柱上设有具有反光角晶结构的反射面，能够将光学探头1发出的激光反射至探测器；控制器分别与探测器和激光器电连接，且控制器可控制激光器发出波长为1653nm的激光，并根据探测器所接收到的激光计算第一支柱和第二支柱之间的甲烷气体的浓度。第一支柱和第二支柱之间的距离为1m～30m，具体距离根据现场工况的不同进行选择，同时，根据不同的安装距离，对激光的强度进行相应的调节，以满足检测要求。经反射，光程最长可达60m，光程越大，检测精度越高。

本发明实施例的用于检测甲烷气体的装置，将激光器、探测器均固定在第一支柱上，反射面固定在第二支柱上，激光的发射端与接收端均在反射面的一侧，可在有限的空间内增加光程，进而提高检测精度，结构简单，使用方便。

同时，反射面选用具有反光角晶结构的反射面，可以有效地源向反射入射光线，广角性好，反光距离更远，可有效避免外界光源的干扰。

另外，控制器通过控制电流控制从光学探头1处发出波长为1653nm的激光，该波长的激光与甲烷气体相适配，当波长为1653nm的激光经反射面反射至光学探头1后，控制器将根据发射出的激光强度与反射回的激光强度进行对比，并根据强度变化进行计算，得出甲烷气体浓度，该甲烷气体浓度为第一支柱和第二支柱之间的甲烷气体浓度。本发明用来检测甲烷气体浓度的激光波长为1653nm，该激光的波长与甲烷气体相适配，可使得该设备对甲烷气体具有高度的选择性，不受其他气体、水蒸气、粉尘等干扰，相比于使用红外、热敏等气体检测装置，激光检测可使检测精度更高。

最后，控制器还可以与用户终端连接，将所测的甲烷气体浓度以信号形式发送至用户终端，方便对甲烷气体浓度进行查看、记录。

在本实施例中，控制器包括信号发生电路、信号放大电路和MCU处理电路，MCU处理电路分别与信号发生电路、信号放大电路信号连接，信号放大电路还与探测器信号连接。

MCU处理电路连接信号发生电路，信号发生电路控制激光器，激光器发出激光经过光学探头1整形射入开放空间，经反射面返回光学探头1，设备内的光探测器将光的吸收情况转化为电信号传送给信号放大电路，经过放大之后信号进入MCU处理电路，分析得出气体浓度信息。实际应用中，探测器接收到的光信号会随着天气变化有很大的变化，信号放大电路可通过控制数字电位器来调节放大倍数。工作过程中信号放大电路比较接收光信号(探测器接收激光所发出的信号)与基准光信号(激光器发射激光所发出的信号)的强度关系，若接收光信号大于基准光信号，则减小数字电位器，降低信号放大倍数；若接收光信号小于基准光信号，则增大数字电位器，提高信号放大倍数，将输出的模拟量信号锁定在一个固定的范围，保证MCU处理电路可以有效工作，实现了设备的全天候连续监测。

还包括DC/DC(直流斩波器)电压转换电路和直流电源，DC/DC电压转换电路的输入端与直流电源相连，DC/DC电压转换电路的输出端与MCU处理电路相连，电源选用直流电源，DC/DC电压转换电路可将直流电源的电压稳定在5V电压，供整机电路使用。

在本实施例中，还包括设于第一支柱上的第一壳体2和第二壳体3，将光学探头1放入第一壳体2内，第一壳体2可以保护该光学探头1不受外界损害，且可保持清洁，同样的，将控制器和激光器设于第二壳体3内，可有效保护控制器和激光器。由于激光器所发出的激光需经光学探头1内的激光准直器准直后再向反射面发出，因此，在第一壳体2和第二壳体3之间还连接有激光传输构件4，该激光传输构件4包括包裹在光线外的挠性管，挠性管柔性好，方便控制机构和光学探头1的位置的设定，不限于其间的距离。另外，将挠性管选为金属材料，使得该光传输构件在具有良好的柔软性的同时，还具有较好的耐蚀性、耐高温、耐磨损及抗拉性能，使用寿命高。

为测量第一支柱与第二支柱之间的甲烷气体的浓度，需要将光学探头1安装在第一支柱上，反射面安装于第二支柱上，因此，本装置还包括连接组件5，该连接组件5包括：安装板51、第一支撑件52和第二支撑件53。其中，安装板51与第一支柱可拆卸连接，便于光学探头1拆装于第一支柱上，第一支撑件52与第二支撑件53枢接并且第二支撑件53可水平转动，即光学探头1水平方向可绕轴旋转，相对于反射面的水平方向的位置可以调节，同时，第二支撑件53与光学探头1枢接，使得光学探头1能够相对于第二支撑件53在竖直方向上进行转动。即光学探头1竖直方向可绕轴旋转，相对于反射面的竖直方向的位置可以调节。

在本实施例中，如果光学探头1的轴线与反射面的镜面不垂直，则为了使从光学探头1发射出的激光经反射面反射后会回到光学探头1内的激光探测器内，该光学探头1需设置成较大的结构，成本较高且不便于搬运及控制，因此本实施例中的光学探头1的轴线与反射面的镜面相垂直。

图3示出了是本发明实施例的检测甲烷气体的方法的流程图，包括如下步骤：

步骤S1：选取待测区域内的第一支柱和第二支柱，所述第一支柱和所述第二支柱之间的距离为1m～30m；

步骤S2：将根据权利要求1的装置的光学探头和控制器以及激光器一同设置在第一支柱上；将反射面设置在第二支柱上；

步骤S3：通过控制器控制激光器发出波长为1653nm的激光，激光经光学探头投射至反射面上，反射面将激光反射至光学探头，控制机构基于光学探头接收的激光来计算第一支柱和第二支柱之间的甲烷气体浓度。

在本发明实施例提供的检测甲烷气体的方法中，光学探头发出的激光是具有与甲烷气体相适配的波长为1653nm的激光，相比于使用红外、热敏等气体检测方法，本方法对甲烷气体具有高度的选择性，不受其他气体、水蒸气、粉尘等干扰，可使检测精度更高。同时，激光发射器及接收器在反射面的一侧，可在有限的空间内增加光程，第一支柱和第二支柱之间的距离为1m～30m，具体距离根据现场工况的不同进行选择，同时，根据不同的安装距离，对激光的强度进行相应的调节，以满足检测要求。经反射，光程最长可达60m，光程越大，检测精度就越高，结构简单，使用方便。

最后，控制器可与用户终端连接，将所测的甲烷气体浓度以信号形式发送至用户终端，方便对甲烷气体浓度进行查看、记录。

其中，第一支柱与第二支柱分别用固定光学探头和反射面的装置，将第一支柱与第二支柱均设为树立在地面上的杆件，结构简单，且搬运起来较为方便。

由于激光器向反射面发出激光，该激光经反射面反射至激光探测器，也就是说该激光所走的光程为光学探头与反射面之间的光程，根据激光发射出的强度与激光反射回的强度的对比计算甲烷气体的浓度，该甲烷气体的浓度值为激光探测器与反射面之间的光程对应的甲烷气体浓度累计值，因此，最终输出的甲烷气体浓度的计算公式为：甲烷气体浓度累积值＝甲烷气体浓度值×甲烷气体厚度，其中，甲烷气体厚度为激光探测器与反射面之间的光程。

本发明的装置和方法可以用于检测甲烷气体，但是对于其他气体，只要对其设置相应的激光的波长，也是可以适用的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。