一种甲烷实时在线监测的新方法与流程

本发明涉及甲烷监测的技术领域，特别是涉及一种甲烷实时在线监测的新方法。

背景技术：

众所周知，目前甲烷作为一种清洁能源被广泛使用，同时甲烷也有易燃易爆的特性，也是导致全球变暖的主要温室气体，例如：在煤矿的开采过程中由于瓦斯爆炸事故和天然气泄漏事件等都对人类的生命财产安全造成了极大的危害，所以实现甲烷气体的实时在线监测是非常有必要的，现有的甲烷在线监测一般通过电化学监测法、气相色谱法。

光纤传感器由于其体积小、质量轻、不易腐蚀、灵敏度高、抗干扰性能好等优点在甲烷等气体的监测发挥着重要的作用，目前实现甲烷气体监测的有四种方法：电化学监测法、气相色谱法、光谱吸收法、光谱干涉法，其中光谱吸收法具有使用寿命长，响应速度快，稳定性好，精度高，易于操作等优点。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种可实现在煤矿等恶劣的环境下实时在线远程监测，抗干扰能力强，且灵敏度高的甲烷实时在线监测的新方法。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，包括以下步骤：

(1)光纤端面微球制作：

a、用光纤剥钳将单模光纤的涂敷层剥掉2cm，然后用酒精清洗并用光纤切割刀将其端面切平，本实验使用的单模光纤纤芯直径为9μm包层直径为125μm；

b、将端面切平清洗过的单模光纤放在光纤熔接机中，然后将光纤熔接机的熔接模式调节到sm-sm模式，对光纤端面进行手动放电，由于光纤表面张力的作用，得到光纤端面微球；

(2)参考气体注入：将参考臂的光纤微球结构进行密封并在内部注入浓度为4％的甲烷气体；

(3)搭建出满足监测要求的系统：将参考臂的光纤微球结构进行密封然后将制作出来的光纤微球结构与光源、光纤耦合器、pin管、差分电路、放大电路、采集卡、连接起来；

(4)进行监测：光源发出波长为1653.722nm的光经过1*2光纤耦合器分成两路，一路进参考臂另一路进传感臂，然后将这两路的光强分别通过pin管转化为电信号，由放大电路进行放大，然后将这两路信号送入差分电路进行差分，用数据采集卡将携带甲烷信息的电信号采集下来送入计算机进行分析。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(1)中光纤热熔机的放电强度为：80bit。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(2)中对参考臂中的光纤微球进行密封的密封结构体积可以容纳两组光纤微球即可。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(4)中参考臂和传感臂的两个光纤微球之间的距离严格相等且中心对准。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(4)中参考臂和传感臂中的光纤端面微球尺寸完全相同。

与现有技术相比本发明的有益效果为：甲烷气体在空气中的爆炸极限为5％-15％，所以将参考臂的密封装置里注入浓度为5％的甲烷气体作为参考，甲烷气体对近红外波段1653.77nm处有较强的吸收峰，光源发出1653.77nm的光，经过1*2光纤耦合器分成两路，一路进参考臂另一路进传感臂，经过甲烷气体后光的强度会发生衰减，然后将这两路的光强分别通过pin管转化为电信号，由放大电路进行放大，然后将这两路信号送入差分电路进行差分，用数据采集卡将携带甲烷信息的电信号采集下来送入计算机进行分析，根据甲烷吸收之后的光强直接得出甲烷气体的浓度，通过参考臂和传感器信号的差分可以消除外界干扰因素带来的误差，如光源不稳定、外界温度的变化，有效的提高了对甲烷监测的稳定性和精度，利用甲烷气体自身的吸收特定波段光谱特性和差分的思想，可以实现在恶劣环境下对甲烷气体的实时在线监测，制作方法简单，可用于远程监测，相应速度快，抗干扰能力强，适合在各种恶劣的环境下工作，有推广应用价值。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

附图说明

图1为本发明实施例中各装置的连接结构示意图；

附图中标记：1、波长为1653.722nm的激光器；2、1*2光纤耦合器；3、气室；4、封装装置；5、光纤微球耦合结构；6、pin管；7、放大电路；8、差分电路；9、数据采集卡；10、计算机。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，包括以下步骤：

(1)光纤端面微球制作：

a、用光纤剥钳将单模光纤的涂敷层剥掉2cm，然后用酒精清洗并用光纤切割刀将其端面切平，本实验使用的单模光纤纤芯直径为9μm包层直径为125μm；

b、将端面切平清洗过的单模光纤放在光纤熔接机中，然后将光纤熔接机的熔接模式调节到sm-sm模式，对光纤端面进行手动放电，由于光纤表面张力的作用，得到光纤端面微球；

(2)参考气体注入：将参考臂的光纤微球结构进行密封并在内部注入浓度为4％的甲烷气体；

(3)搭建出满足监测要求的系统：将参考臂的光纤微球结构进行密封然后将制作出来的光纤微球结构与光源、光纤耦合器、pin管、差分电路、放大电路、采集卡、连接起来；

(4)进行监测：光源发出波长为1653.722nm的光经过1*2光纤耦合器分成两路，一路进参考臂另一路进传感臂，然后将这两路的光强分别通过pin管转化为电信号，由放大电路进行放大，然后将这两路信号送入差分电路进行差分，用数据采集卡将携带甲烷信息的电信号采集下来送入计算机进行分析。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(1)中光纤热熔机的放电强度为：80bit。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(2)中对参考臂中的光纤微球进行密封的密封结构体积可以容纳两组光纤微球即可；由于光纤具有体积小质量轻的特性，所以需要的密封装置的体积也很小，在密封装置里的微量甲烷气体不会有任何的安全隐患。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(4)中参考臂和传感臂的两个光纤微球之间的距离严格相等且中心对准；避免外界环境因素对该传感器测量精度的影响，保证对甲烷气体监测的精度。

本发明的一种甲烷实时在线监测的新方法，所述步骤(4)中参考臂和传感臂中的光纤端面微球尺寸完全相同。

实施例

参照图1

甲烷气体浓度与经过甲烷气体后的透射光强的具体关系可以根据比尔-朗伯定律得出：

i(λ)＝i0(λ)exp[-α(λ)cl](1)

其中i0(λ)是光波长为λ时被甲烷吸收之前的光强；i(λ)是光波长为λ时被甲烷吸收之后的光强；α(λ)是甲烷在光波长λ处的吸收系数；c是甲烷气体的浓度；l是光通过甲烷气体的光程，由式(1)求得：

因此通过(2)式可以根据被甲烷吸收之后的光强直接得出甲烷气体的浓度；

从激光器输入到光纤的光强为i，经过1*2耦合器分成两路，参考臂的光强为传感臂的光强为参考臂和传感臂两个光纤微球之间的耦合效率均为η，光从参考臂到达pin时的光强为i1，光从传感臂到达pin时的光强为i2,浓度为4％甲烷气体吸收光损耗为a；

当气室中无甲烷气体时，传感臂的光强参考臂的光强参考臂和传感臂差分的光强δi＝i2-i1；

当气室中有甲烷气体时，由于参考臂的光纤微球密封在密封装置中，所以参考臂的输出光强i1不变，由于甲烷气体对波长1653.722nm有较强的吸收，所以传感臂输出的光强i2变小，即δi的变化量就是传感臂甲烷吸收损耗的光强，根据公式(2)可以求出气室中甲烷气体的浓度，利用参考臂和传感臂信号的差分可以消除外界干扰因素带来的误差，如光源的不稳定，外界温度的变化等，有效的提高了该甲烷传感器的稳定性和精度；

光纤端面是微球结构相当于一个透镜，对光有一定的会聚作用，所以此结构相对于光纤端面平整的结构有两大优点：第一，耦合效率高，有效的减小了透射损耗；第二耦合距离长，可以增加探测甲烷气体的灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。