一种光谱吸收型甲烷检测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种光谱吸收型甲烷检测仪，包括电路系统、外壳和气室；电路系统采用模块化，包括微控制器模块、激光器驱动模块、FC接头尾纤二极管激光器模块、模糊PID温控模块、FC接头尾纤光电探测器模块、探测器偏置模块、信号处理模块、输出显示模块、按键处理模块、WIFI模块，电源模块；气室为一段内壁光滑圆管，侧面开通均匀分布小孔，两个端面设有内螺纹孔；外壳包括显示屏、“开/关”键、“灵敏度/动态范围”选择键、电源线接口、引出光纤的圆孔、连接WIFI的天线；WIFI模块配合路由器等实现组网测量，提高效率；电路系统在外壳内，气室置于外壳外，通过光纤将气室与电路系统连接，减少粉尘和水蒸气对电路元件的影响，使检测更精准。
【专利说明】
一种光谱吸收型甲烷检测仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种甲烷检测仪，特别涉及一种光谱吸收型甲烷检测仪。
【背景技术】
[0002]甲烷气体是温室效应气体的一种，与全球变暖温室效应现象密切相关，同时也是瓦斯气体的重要组成之一，瓦斯爆炸事故常常威胁矿山安全，甲烷气体与采矿安全也息息相关。因此，检测甲烷气体浓度具有重要意义。甲烷与二氧化碳相比，在空气中的浓度远低于二氧化碳，检测甲烷气体对检测设备的灵敏度、抗干扰能力都提出了很高的要求。现有检测设备中，光谱吸收型甲烷检测仪的工作原理是比尔朗伯定律，利用待测气体对光具有选择性吸收这一特点，将光衰减量转化为电信号，实现对气体浓度的测量。光谱吸收型甲烷检测仪与传统的半导体式、催化燃烧式以及热传导式气体检测技术相比，具有灵敏度高、选择性强和无催化剂中毒等优势。但现有的光谱吸收型甲烷检测仪的电路部分和气室一同放置在仪器外壳中，粉尘和水蒸气会与待测气体一同进入仪器内部与电路元件接触，影响检测结果。
【实用新型内容】
[0003]为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种光谱吸收型甲烷检测仪，采用电路系统封闭在外壳内部，气室置于外壳之外，通过光纤将气室与电路系统连接，减少待测气体中粉尘和水蒸气对电路元件的影响，使检测更精准。
[0004]为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:一种光谱吸收型甲烷检测仪，包括电路系统、外壳和气室，其特征在于:
[0005]所述电路系统包括微控制器模块、激光器驱动模块、FC接头尾纤二极管激光器模块、模糊PID温控模块、FC接头尾纤光电探测器模块、探测器偏置模块、信号处理模块、输出显示模块、WIFI模块以及电源模块；
[0006]所述气室为一段内壁光滑的圆管，在圆管侧面开通均匀分布的小孔用于待测气体流通，圆管两个端面的中心位置设有与所述FC接头尾纤二极管激光器模块和FC接头尾纤光电探测器模块接头匹配的内螺纹孔；
[0007]所述外壳包括显示屏、“开/关”按键、“灵敏度/动态范围”选择按键、三相电源线接口、用于引出光纤的两个圆孔，以及连接WIFI模块的天线；
[0008]电路系统被封闭在外壳内部，气室置于外壳之外，气室通过光纤与电路系统连接。
[0009]所述电路系统中激光器驱动模块包括集成运算放大器0?07、电阻1?1、1?2、1?3、1?4、Rs、电容Cl以及三极管S8050。
[0010]所述探测器偏置模块包括集成运算放大器LMH6629以及与其电连接的反馈电阻Rf、补偿电阻Re、补偿电容Cf、补偿电容Ce。
[0011]所述信号处理模块包括集成运算放大器AD797、电阻R5、电阻R6、三端电位器R7、电容C2以及电容C3。
[0012]所述气室采用一段内壁光滑的不锈钢圆管。
[0013]外壳为长方体结构，采用铝合金材质，四角为圆角，显示屏采用IXD12864液晶显示屏。
[0014]所述电路系统采用模块化结构，微控制器模块用于调控各子模块协同工作的、激光器驱动模块用于为激光器提供工作电流、FC接头尾纤二极管激光器模块用于发射红外光、模糊PID温控模块用于监视并控制激光器工作温度、FC接头尾纤光电探测器模块用于接收光信号、探测器偏置模块用于将光信号转化为模拟电压信号、信号处理模块用于对探测器偏置模块输出的电压信号进行滤波和放大、输出显示模块用于显示气体浓度信息和检测仪工作状态信息、按键处理模块用于对操作指令进行识别、WIFI模块用于将检测数据传输给协调器并接收协调器指令，以及电源模块用于将220伏输入交流电经过整流、滤波和DC-DC变换等环节转为系统中各模块工作所需电压。
[0015]工作原理:根据比尔朗伯气体吸收定理，红外光在气体媒质中传输时其能量会被选择性地吸收，吸收的强度取决于光学路径长度、吸收光谱线强以及气体样本浓度的乘积。当光学路径长度和吸收光谱线强给定时，利用检测得到的代表光信号衰减量的电压值，能够反推出待测气体的浓度值。
[0016]电路系统中微控制器模块输出给激光器驱动模块的电压值改变，可使激光器模块输出波长在一定范围内微调，从而与不同强度的气体吸收峰对应，检测要求高灵敏度时，激光器模块输出波长被调整到较强的气体吸收峰上，提高灵敏度，检测要求动态范围广时，激光器模块输出波长被调整到较弱的气体吸收峰上，降低灵敏度以换取检测动态范围的扩大，如此设置可实现了两种检测量程切换。电路系统中的WIFI模块负责把串口数据转为无线网络信号，通过路由器发送到控制中心的便携式设备或服务器中，这样可以组成传感器网络，实现多点远程移动监测。
[0017]本技术方案的有益效果包括:
[0018]I本技术方案提供的一种光谱吸收型甲烷检测仪，整个电路系统被封闭在外壳内，外部待检测气体中的水蒸气不会与电子元器件接触，检测气体时不会受到潮湿环境影响，可以防潮;气室置于外壳外部，通过FC接头与光纤连接，便于拆卸与清洗，也具有防尘效果；
[0019]g本技术方案在检测气体浓度时具有两种量程，可以根据气体浓度情况和灵敏度的要求进行选择切换；
[0020]3本技术方案电路系统中的WIFI模块配合路由器、协调器实现了组网测量，有效提高操作者工作效率；
[0021]4本技术方案检测结果更加准确，设备使用寿命也更长。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本实用新型技术方案，下面将对实施例和本技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型的结构不意图；
[0024]图2为电路系统框图；
[0025]图3为激光器驱动模块的电路原理图；
[0026]图4为探测器偏置模块的电路原理图；
[0027]图5为信号处理模块的电路原理图；
[0028]图6为模糊PID温控模块的结构框图；
[0029]图7为主程序流程图；
[0030]图8*WIFI模块的工作原理图；
[0031]图9为本实用新型的一个多点检测组网测量实施例。
[0032]图1中:I电路系统，2.气室，3.激光器尾纤，4.探测器尾纤，5.外壳，6.LCD12864显示屏，7.“开/关”按键，8.“灵敏度/动态范围”选择按键，9.天线，10.三相电源线接口。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细说明:
[0034]—种光谱吸收型甲烷检测仪，包括电路系统、外壳和气室:所述电路系统包括微控制器模块、激光器驱动模块、FC接头尾纤二极管激光器模块、模糊PID温控模块、FC接头尾纤光电探测器模块、探测器偏置模块、信号处理模块、输出显不模块、WIFI模块以及电源模块；
[0035]所述气室为一段内壁光滑的不锈钢圆管，在圆管侧面开通均匀分布的6个小孔用于待测气体流通，圆管两个端面的中心位置设有与所述FC接头尾纤二极管激光器模块和FC接头尾纤光电探测器模块接头匹配的内螺纹孔；
[0036]所述外壳外壳为长方体结构，采用铝合金材质，四角为圆角，包括LCD12864液晶显示屏、“开/关”按键、“灵敏度/动态范围”选择按键、三相电源线接□、用于引出光纤的两个圆孔，以及连接WIFI模块的天线；
[0037]电路系统被封闭在外壳内部，气室置于外壳之外，气室通过光纤与电路系统连接。
[0038]图1中，LCDl2864显示屏(6)、“开/关”按键(7)和“灵敏度/动态范围”选择按键(8)嵌入检测仪外壳(5)中，三相电源线接口(10)位于检测仪外壳(5)的左下方(正视图)，检测仪外壳(5)内电路系统(I)中的FC接头尾纤二极管激光器模块发出的激光通过光纤(3)耦合到气室(2)的入口端，在气室(2)中传播后，被气室(2)出口端的光纤(4)耦合到电路系统(I)中FC接头尾纤光电探测器模块的光敏面上，天线(9)与电路系统(I)中的WIFI模块电连接。
[0039]图2所示的电路系统包括FC接头尾纤二极管激光器模块、激光器驱动模块、模糊PID温度控制模块、信号处理模块、探测器偏置模块、FC接头尾纤光电探测器模块、WIFI模块、输出显示模块、按键处理模块、微控制器模块以及电源模块。
[0040]所述微控制器模块以STM32F103VET6芯片为核心。STM32F103VET6是ST公司研发的基于ARM的CortexTM-M3内核微控制器，工作电压为2.0?3.6V，工作频率高达72MHz，具有丰富的增强型I/O端口和联接到两条APB总线的外设。芯片包含两个12位的ADC、两个12位的DAC、3个通用16位定时器和I个PffM定时器，还包含标准和先进的通信接口 ； 2个I2C接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口等，外围电路简单。微控制器模块中STM32F103VET6芯片的PA4引脚(编程配置为DAC输出)与激光器驱动模块的VIN输入端电连接。
[0041]图3为激光器驱动模块的电路原理图。所述激光器驱动模块包括集成运算放大器0卩07、电阻1?1、1?2、1?、1?4、1^、电容(:1以及三极管38050;所述激光器驱动模块的￥爪端口通过R3与0P07反相输入端电连接，电源模块的+5V输出端与S8050的集电极电连接，S8050的发射极与Rs的一端、R2的一端同时电连接，Rs的另一端与FC接头尾纤二极管激光器模块的正极LD+以及R4的一端同时电连接，R2的另一端、CI的一端、Rl的一端同时与0P07的同相输入端电连接，RI的另一端接地，CI的另一端与O P O 7的输出端、S 8 O 5 O的基极同时电连，R 4的另一端与0P07反相输入端电连接，FC接头尾纤二极管激光器模块的负极LD-接地。根据运算放大器虚短与虚断的概念，流过激光器的电流与输入电压VIN呈线性关系，而二极管激光器的发射波长又随驱动电流的变化而变化，因此实现了利用STM32F103VET6芯片控制激光器发射波长的功能。
[0042]图4为探测器偏置模块的原理图。所述探测器偏置模块包括集成运算放大器LMH6629以及与其电连接的反馈电阻Rf、补偿电阻Re、补偿电容Cf、补偿电容Ce;所述集成运算放大器LMH6629的反相输入端与FC接头尾纤光电探测器模块的负极PD-、Rf的一端、Cf的一端同时电连接，FC接头尾纤光电探测器模块的正极PD+接地，Rf和Cf的另一端与LMH6629的输出端电连接，LMH6629的同相输入端与Re的一端、Ce的一端同时电连接，Re和Ce的另一端接地。当有光照射光电探测器时，将产生正比于光强的电流，方向为从光电探测器的负极流向正极，反馈电阻Rf对该电流取样，完成了光强一一光生电流一一输出电压eo的转换过程。电阻Re可以抵消运算放大器反相输入端对光生电流分流造成的影响，电容Cf用于消除电路的自激振荡现象，电容Ce用于削弱电阻Re引入的噪声。
[0043]图5为信号处理模块的电路原理图。所述信号处理模块包括集成运算放大器AD797、电阻R5、电阻R6、三端电位器R7、电容C2以及电容C3;所述信号处理模块的输入端e0与R5、R6以及AD797的同相输入端顺序电连接，C2的一端与R5、R6同时电连接，C2的另一端与R7的一个固定端、AD797的输出端e01电连接，R7的另一个固定端与C3的一端同时接地，C3的另一端与AD797的同相输入端电连接，R7的滑动端与AD797的反相输入端电连接。此电路的本质是一个Sallen-Key结构的二阶低通有源滤波器，它的输入端eO接收来自前一级探测器偏置模块输出的电压信号，输出端e01与微控制器模块STM32F103VET6芯片的PF6引脚电连接，PF6通过编程设定为ADC功能。电阻R5、R6，电容C2、C3的取值决定了低通滤波器的截止频率，调节三端电位器R7的滑动端可以改变此低通滤波器的品质因数。
[0044]图6为模糊PID温控模块的结构框图。FC接头尾纤二极管激光器模块内部封装了热敏电阻、激光二极管和热电制冷器，由于三者紧邻，因此热敏电阻的温度近似等于激光二极管的温度。此温度通过电流采样转换为电压后，送入STM32F103VET6芯片的PF7引脚(编程设定为ADC功能)，完成代表温度的电压值与数字量之间的换算，接下来对此数字量与存储在STM32F103VET6芯片内的预置温度数字量进行比较，将计算得到的误差一和一的变化率送入到模糊推理器(编程实现)中，以此更新PID控制器中的比例项KP、积分项KI和微分项KD，PID控制器输出的数字量被转换为模拟电压值，从微控制器模块STM32F103VET6芯片的PA5引脚(编程设定为DAC功能)输出，PA5引脚与热电制冷器驱动芯片MAX1968的CTLI引脚电连接，MAX1968根据此电压产生相应的双极性电流，对热电制冷器加热或制冷，进而实现了激光二极管的温控。
[0045]图7为主程序流程图。检测仪开机后，微控制器模块首先需要采集热敏电阻温度，来判断二极管激光器是否在室温条件(296K)下工作，“是”则进入LCD显示子程序1，“否”则进入模糊PID温控子程序来调整温度，在LCD显示子程序I中，液晶屏显示“灵敏度/动态范围”来提示操作者进行选择，当图1中的“灵敏度/动态范围”选择按键(8)未被按下时，默认进入LCD显示子程序2，屏幕显示“灵敏度优先”，微控制器模块调用D/A变换子程序I，使输出的电压值与气体吸收光谱较强的吸收峰对应，当“灵敏度/动态范围”选择按键(8)被按下时，进入LCD显示子程序3，屏幕显示“动态范围优先”，微控制器模块调用D/A变换子程序2，使输出的电压值与气体吸收光谱较弱的吸收峰对应，此后微控制器进入浓度信号的采集与处理环节，首先启动模拟电压采样子程序，采样之后判断是否超量程，若超量程则说明气体浓度过高，回到之前的D/A变换子程序2，利用弱光谱吸收峰进行检测，若未超量程则进入数字量一一浓度换算子程序，将采集到的数字量进行数字滤波和回归分析后换算为气体浓度值，调用串口通信子程序将此浓度值发送给协调器，最后调用LCD显示子程序4对浓度信息进行显示。
[0046]图8为WIFI模块工作原理图。此WIFI模块是采用通用串行接口的嵌入式模块，各项指标符合网络标准，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFT)3个接口之间的转换。WIFI模块的串行输出口 UART_TXD连接微控制器模块中STM3 2F1 3 VET6芯片的PBl I引脚，WIFI的串行输入口 UART_RXD连接STM32F103VET6芯片的PBlO引脚，PBl I和PBlO引脚通过编程分别设定为STM32F103VET6芯片的串行输入口和串行输出口。
[0047]图9为本实用新型的一个多点检测组网测量实施例。如图所示，在实施方案中搭建了个基于树型结构的小型无线传感器网络，网络中包括3个终端，一个路由器和一个协调器。终端设备即放置于监测点1、监测点2和监测点3的气室外置的光谱吸收型甲烷检测仪，各个监测点的待测气体通过气室的小孔扩散到气室中，检测仪外壳内部的FC接头尾纤二极管激光器模块发出的激光通过光纤耦合到气室的一端，在气室中传播后，被另一端的光纤耦合到FC接头尾纤光电探测器模块的光敏面上，输出的电流信号经过探测器偏置模块后被采样为电压值，信号处理模块对此电压值进行滤波和放大后，将它输入微控制器模块进行数字化处理以及电压一一浓度的回归分析，得到的结果通过嵌入到检测仪外壳上的IXD12864液晶屏显示。气室与光纤采用FC接头连接，可拆卸，便于清洁除尘，气室外壳上引出光纤的圆孔与光纤之间采用密封胶封闭，确保水蒸气、灰尘等不会进入外壳内部对电路系统造成影响。电路系统的WIFI模块将串口数据转换为无线网络信号，协调器和终端通过无线路由器实现包括控制指令输入和浓度信息输出的数据交互。此协调器可以是便携式设备，亦可以是服务器，操作者可以在不进入监测现场的情况下，方便地获得各个监测点的气体浓度数据，当数据量不大时，操作者仅需手机联网即可实现设备的操作并获得全部数据，安全、方便而且高效。
[0048]本技术方案提供的一种光谱吸收型甲烷检测仪，采用电路系统在外壳内，气室置于外壳外，通过FC接头与光纤连接，具有很好的防潮、防尘效果，检测结果更准确;在检测气体浓度时具有两种量程，可根据检测要求进行选择切换;本技术方案实现了组网测量，有效提高操作者工作效率。
[0049]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种光谱吸收型甲烷检测仪，包括电路系统、外壳和气室，其特征在于: 所述电路系统包括微控制器模块、激光器驱动模块、FC接头尾纤二极管激光器模块、模糊PID温控模块、FC接头尾纤光电探测器模块、探测器偏置模块、信号处理模块、输出显示模块、WIFI模块以及电源模块； 所述气室为一段内壁光滑的圆管，在圆管侧面开通均匀分布的小孔用于待测气体流通，圆管两个端面的中心位置设有与所述FC接头尾纤二极管激光器模块和FC接头尾纤光电探测器模块接头匹配的内螺纹孔； 所述外壳包括显示屏、“开/关”按键、“灵敏度/动态范围”选择按键、三相电源线接口、用于引出光纤的两个圆孔，以及连接WIFI模块的天线； 电路系统被封闭在外壳内部，气室置于外壳之外，气室通过光纤与电路系统连接。2.根据权利要求1所述的一种光谱吸收型甲烷检测仪，其特征在于:所述电路系统中激光器驱动模块包括集成运算放大器0?07、电阻1?1、1?2、1?、1?4、1^、电容(:1以及三极管58050。3.根据权利要求2所述的一种光谱吸收型甲烷检测仪，其特征在于:所述探测器偏置模块包括集成运算放大器LMH6629以及与其电连接的反馈电阻Rf、补偿电阻Re、补偿电容Cf、补偿电容Ce。4.根据权利要求3所述的一种光谱吸收型甲烷检测仪，其特征在于:所述信号处理模块包括集成运算放大器AD797、电阻R5、电阻R6、三端电位器R7、电容C2以及电容C3。5.根据权利要求1或4所述的一种光谱吸收型甲烷检测仪，其特征在于:所述气室采用一段内壁光滑的不锈钢圆管。6.根据权利要求5所述的一种光谱吸收型甲烷检测仪，其特征在于:所述外壳为长方体结构，采用铝合金材质，四角为圆角，显示屏采用IXD12864液晶显示屏。
【文档编号】G01N21/3504GK205449790SQ201620004377
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年1月6日
【发明人】丛梦龙
【申请人】内蒙古民族大学