一种甲烷检测实验装置

1.本实用新型涉及一种甲烷检测实验装置，属于气体检测领域。


背景技术：

2.我国的煤矿井大多都为瓦斯矿井，而瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷是一种易燃易爆的气体，在空气中的爆炸浓度范围是4.9％～16％，并且，就算甲烷浓度不在爆炸范围内，过高浓度的甲烷或者长时间吸入低浓度的甲烷都会有生命危险，而且甲烷也是温室气体的一种，并且较其他温室气体而言温室效应更强，大气中甲烷含量过高也会对环境带来一定的影响，严重破坏可持续发展的战略。因此，研究稳定性好、灵敏度高的甲烷检测装置是十分必要的。
3.目前，甲烷检测装置主要有以下几种：热传导类、催化燃烧类、光学检测类等。现有公开号为：cn109239137a，专利名称为：一种微型甲烷传感器及甲烷检测方法的发明专利，适用于煤矿井下的甲烷检测使用，该装置包括一个加热元件、多个测量元件，其加热元件单独加热到高温工作状态，利用甲烷气体和空气的热导率不同来实现甲烷的探测。该方法的甲烷检测装置缺陷在于需要将装置加热，并且检测灵敏度不够高。
4.还有人用了催化燃烧的方法，在阳极氧化铝薄膜上制备了平面型的催化燃烧式甲烷传感器(e.k.evgeny,f.k.evgeny,a.s.suchkova,et al.energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement[j].sensors andactuatorsa；physical,2013,194:176-180.)，这种方法的甲烷检测装置功耗一般较高，适合用于检测爆炸下限范围内的低浓度甲烷。
[0005]
而传统的利用光学检测原理制作的甲烷检测装置大多是基于白炽灯-滤光片-探测器结构，这类装置需要的光源功耗较大，并且无法克服水汽的干扰影响。现有公开号为：cn111398203a，专利名称为：一种低功耗甲烷检测装置及方法的发明专利，提出了一种采用led光源作为探测光的甲烷检测装置，大大降低了装置的功耗，但检测低浓度甲烷时信号很微弱，装置灵敏度不高。


技术实现要素：

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本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种甲烷检测实验装置。该实验装置不受电磁干扰、稳定性好、功耗低、灵敏度高，能够较好地解决现有技术缺陷。
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本实用新型解决技术问题采用了下述技术方案：
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一种甲烷检测实验装置，包括卤钨灯光源、窄带滤波片、聚焦透镜、甲烷气体、高纯氮气、甲烷流量计、氮气流量计、气体流量显示仪、“y”型气体三通管、铝合金气室、反射镜、石英玻璃片、单光子雪崩二极管探测器、稳压电源、示波器，所述铝合金气室四周壁上设置有进光孔、出光孔、进气口、出气口以及密封气室盖，所述反射镜分别安装在气室内壁进光孔和出光孔两侧，石英玻璃片安装在气室内壁进光孔和出光孔处，所述窄带滤波片放在卤
钨灯光源之后正对光源出光口，聚焦透镜放在窄带滤波片之后并与所述铝合金气室进光孔对齐，所述甲烷气体与甲烷流量计进气端相连，高纯氮气与氮气流量计的进气端相连，两流量计的控制端口与气体流量显示仪连接，两流量计的出气端与“y”型气体三通管的两个同侧通气口相连，“y”型气体三通管与铝合金气室的进气口相连，所述单光子雪崩二极管探测器探测端与铝合金气室出光孔相连，示波器与单光子雪崩二极管探测器输出端相连，稳压电源与单光子雪崩二极管探测器供电管脚相连。
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所述铝合金气室壁上的进光孔设置在第一气室壁上并且水平方向距离第二气室壁15mm，垂直方向在第一气室壁的中心，出光孔设置在第三气室壁上并且水平方向距离第四气室壁15mm，垂直方向在第三气室壁的中心，进气口设置在第二气室壁上并且水平方向距离第一气室壁20mm，垂直方向在第二气室壁的中心，出气口设置在第四气室壁上并且水平方向距离第三气室壁20mm，垂直方向在第四气室壁的中心，所述进光孔和出光孔为直径8mm的圆孔，进气口和出气口为直径12mm的圆口。
[0010]
所述窄带滤波片的中心波长为1650nm，带宽为12nm。
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所述单光子雪崩二极管探测器的探测端活性区为直径30μm，暗计数率小于10khz并且带有光纤尾纤。
[0012]
本实用新型的有益效果：
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(1)通过加入单光子雪崩二极管探测器，可以检测到极微弱的探测光信号，有效降低了光源功耗，提高了实验装置的甲烷检测灵敏度。
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(2)通过加入反射镜，增加了甲烷气体与光之间的作用长度，缩小了气室的整体大小。
附图说明
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图1为本实用新型的甲烷检测实验装置结构示意图。
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图2为本实用新型的气室内部图。
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图3为本实用新型的气室内部光路原理图。
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1-卤钨灯光源，2-窄带滤波片，3-聚焦镜，4-铝合金气室，5-出气口，6-单光子雪崩二极管探测器，7
‑“
y”型气体三通管，8-流量显示仪，9-甲烷流量计，10-氮气流量计，11-甲烷气体，12-高纯氮气，13-示波器，14-稳压电源，15-反射镜，16-进光孔，17-出光孔，18-进气口，19-第一气室壁，20-第二气室壁，21-第三气室壁，22-第四气室壁
具体实施方式
[0019]
如图1为本实用新型的装置结构示意图。包括卤钨灯光源1、窄带滤波片2、聚焦透镜3、甲烷气体11、高纯氮气12、甲烷流量计9、氮气流量计10、气体流量显示仪8、“y”型气体三通管7、铝合金气室4、单光子雪崩二极管探测器6、稳压电源14、示波器13，所述窄带滤波片2的中心波长为1650nm，带宽为12nm，所述单光子雪崩二极管探测器6的暗计数率小于10khz，其活性区直径为30μm，所述窄带滤波片2放在卤钨灯光源1之后正对光源出光口，聚焦透镜3放在窄带滤波片2之后，所述甲烷气体11与甲烷流量计9进气端相连，高纯氮气12与氮气流量计10的进气端相连，两流量计的控制端口与气体流量显示仪8连接，两流量计的出气端与“y”型气体三通管7的两个同侧通气口相连，“y”型气体三通管7与铝合金气室4相连，
所述单光子雪崩二极管探测器6的探测端与铝合金气室4相连，稳压电源14与单光子雪崩二极管探测器6的供电管脚相连，示波器13连于单光子雪崩二极管探测器6之后。
[0020]
如图2为本实用新型的气室内部图。包括反射镜15、进光孔16、出光孔17、进气口18、出气口5、第一气室壁19、第二气室壁20、第三气室壁21、第四气室壁22，所述进光孔16设置在第一气室壁19上并且水平方向与第二气室壁20的距离为15mm，垂直方向在第一气室壁19的中心，出光孔17设置在第三气室壁21上并且水平方向与第四气室壁22距离为15mm，垂直方向在第三气室壁21的中心，所述进气口18设置在第二气室壁20上并且水平方向与第一气室壁19距离为20mm，垂直方向在第二气室壁20的中心，出气口5设置在第四气室壁22上并且水平方向与第三气室壁21距离为20mm，垂直方向在第四气室壁22的中心，所述进光孔16和出光孔17为直径8mm的圆孔，进气口18和出气口5为直径12mm的圆口。所述反射镜15安装在第一气室壁19和第三气室壁21上，并且紧靠进光孔16和出光孔17。
[0021]
如图3为本实用新型的气室内部光路原理图。由进光孔16入射进气室的光会经过两反射镜15的多次反射最终从出光孔17出射，这样可以增加光程。
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如图1所示的实验装置图，本实用新型的检测步骤如下：
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s1：调整光路、调节示波器13、调零气体流量显示仪8，测试单光子雪崩二极管探测器6的暗计数率k0。
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s2：打开氮气流量计10，调节流量显示仪8至最大流量，关闭甲烷流量计9，将氮气通入铝合金气室4中并持续一段时间。
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s3：打开卤钨灯光源1，发出的波长范围为360-2500nm光线依次经过窄带滤波片2、聚焦透镜3进入铝合金气室4，出射的光由单光子雪崩二极管探测器6接收到信号读出至示波器13，示波器13所示此时的参考计数率(无甲烷)k1。
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s4：打开甲烷流量计9，通过调节流量显示仪8显示的甲烷与氮气的流量比来控制每次通入的甲烷浓度ci，重复s3步骤，示波器13显示不同甲烷浓度下的测量计数率ki。
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s5：将s4步骤记录下的测量计数率ki与s3步骤记录下的参考计数率k1进行作比，得到的一系列相对计数率kx。
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s6：根据以上步骤得到的相对计数率kx与甲烷浓度ci的曲线关系。
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s7：将待测甲烷气体通入本实用新型实施例的甲烷检测实验装置，所述单光子雪崩二极管探测器6检测、读出，示波器13显示此时的光子计数率，将此时的计数率与参考计数率作比，最终根据相对计数率与甲烷浓度关系得到待测甲烷的浓度。