[实用新型]一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计，属于光电子测量技术领域。

背景技术

在易燃易爆气体环境中，气体检测传感器占据着重要地位，可燃气体浓度的超标对工作人员的人身安全和安全生产产生严重影响。长期研究表明，气体浓度传感器的实时监测在很大程度上决定了安全生产的运行可靠性。气体传感器不能及时的反应环境中可燃气体的浓度或者损坏都会使得安全的不到保障，由于可燃气体浓度超标而引发的恶性事故在国内外都屡有发生。

对可燃气体的检测一般使用催化燃烧式传感器，它可以看成是一个小型化的热量计，它的检测原理在几十年内没有大的变化。催化燃烧式传感器属于高温传感器，是利用催化燃烧产生的热效应原理。它的内部结构是检测元件和补偿元件配对组成测量电桥，如果可燃气体存在时，可燃气体在检测元件载体表面和催化剂的共同作用下发生无焰燃烧，载体温度就相应升高，从而通过它内部的铂电阻阻值也会发生相应改变，而补偿元件温度不变，则电桥就失去了平衡，由电路测出电阻的变化，并输出一个与可燃气体浓度成正比的电压信号。所以，只要能测量检测元件阻值大小，就可以计算出待测气体的浓度。在整个测量过程中，催化剂是不被消耗的，即使在待测气体浓度远远低于LEL时，也会在这个电桥上发生催化燃烧反应。但是该方法中使用的均为电信号，易受电磁干扰的影响。

发明内容

本实用新型提供了一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计，以用于解决高温引燃环境中可燃气体存在安全隐患的问题及易受电磁干扰的影响的问题。

本实用新型的技术方案是：一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计，包括测温装置、气体燃烧装置和隔爆装置；所述测温装置包括光纤Bragg光栅1、圆柱形导热壁7、光纤引出线9，其中光纤Bragg光栅1通过保护套管封装成为光纤测温触头，光纤测温触头粘贴在圆柱形导热壁7已固定半径处开好的内孔中，光纤引出线9通过位于隔爆装置底座6上的引出孔引出；所述气体燃烧装置包括催化剂层3、加热电阻镀膜层4、加热源引线5、电极8，其中催化剂层3敷在加热电阻镀膜层4的外表面，加热电阻镀膜层4位于圆柱形导热壁7外表面，从电极8引出的加热源引线5与外部电源连接；所述隔爆装置包括隔爆罩2、底座6，其中隔爆罩2将嵌入在底座6上的测温装置与气体燃烧装置罩起来。

所述圆柱形导热壁7与光纤引出线9的交接处通过环氧树脂进行密封。

本实用新型的工作原理是：

将光纤Bragg光栅1经过保护套管封装后成为光纤测温触头，将光纤测温出头粘贴在圆柱导热壁7已开好的内孔中，并在圆柱的外表面敷上加热电阻镀膜层4，在加热电阻镀膜层4的外表面敷上催化剂层3，将加热源引线5接于外部电源。开启外部电源后，加热电阻镀膜层4加热，为可燃气体的燃烧提供引燃温度。

不同浓度的气体燃烧时所产生的热量不同，测温装置中的圆柱形导热壁7在不同的厚度下将产生不同的温度分布，不同的温度能引起测温光纤Bragg光栅1的波长产生不同的偏移量，通过对测温光纤Bragg光栅1的波长偏移量的测量可以实现对待测可燃气体浓度的测量。

本实用新型的数学模型分析如下：

圆柱壁外表面的温度增量（加热电阻膜的温度增量）Δt与气体燃烧的发热量成正比，即

                                                 （1）

式中，Q为气体燃烧时的发热量；C_p为加热电阻热容；为催化性能常数；ΔH为可燃气体燃烧热；C为待测气体百分含量。

圆柱壁外表面的温度发生变化，根据圆柱壁导热模型，则位于圆柱壁内固定半径处的光纤光栅温度改变。圆柱壁导热结构参看附图2，导热模型如下：

一长空心圆柱，内、外壁温度分别为t_w1与t_w2，内外半径为r₁和r₂，没有内热源。由圆柱坐标的导热微分方程化简，一维径向导热的微分方程：

                                                     （2）

通过任一环形表面的传导速率可表示为：

                             （3）