[发明专利]一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置和方法。由于受长距离光纤传感波段的限制，只能利用气体吸收线强较弱的近红外泛频带，对指标气体中典型的CO、CO₂、C₂H₂、C₂H₄等烷烃类气体进行高灵敏实时在线监测。利用多频波长调制和新型长光程多次反射池技术实现多组分微弱信号检测，其装置包括激光器、激光控制器、信号发生器、新型多次反射池、光纤准直器、光束耦合器、光电探测器、锁相放大器、采集A/D及终端的信号处理系统、防爆机箱。该装置全光纤连接，无需人工取样，响应灵敏度高，可同时进行多种指标性气体的实时监测，操作简单，稳定性好，功率小，便于携带、安装和现场实验，动态量程大。

主权项

一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，其特征在于由长光程多次反射池、多光纤准直器、4*1光纤耦合器、铠装光纤和多频调制装置组成，其中多频调制装置包括以分布式反馈(DFB)激光器1、激光控制器、探测器、滤波放大器、信号发生器、锁相放大器和信号处理系统；所述DFB激光器为可调谐半导体激光器，由四种CO、CO₂、C₂H₂、C₂H₄气体的DFB激光器构成，包括用于测CO气体的中心波长1567nm的DFB激光器，用于测CO₂气体的中心波长1436nm的DFB激光器，用于测C₂H₄气体的中心波长1626nm的DFB激光器，以及用于测C₂H₂气体的中心波长1538nm的DFB激光器，四种DFB激光器出射的激光经过4*1合束器耦合输出，与铠装双光纤的输入芯线熔接；所述激光控制器由四组温度控制器和四组电流控制器组成，分别用于控制激光器中的四种DFB激光器的输出功率和波长，注入电流改变功率，同时小范围改变波长，通过精确温度控制锁定波长，使四种激光器输出中心波长位于所测指标气体的吸收线上；所述铠装光纤为双芯光纤，用于传输由体激光器发出的激光束通过光纤准直器进入长光程多次反射池内，同时将长光程多次反射池8的出射光通过、4*1光纤耦合器耦合进铠装光纤传输至探测器；所述光纤准直器能够精细调节达到镜面上的光束角度，调节精度为1度，转动螺纹副，能够将入射光以精确角度入射到长光程多次反射池8内，保证反射池内光束传输次数和出射光斑质量；所述长光程多次反射池用于延长激光通过被测气体路径，反射池内光束经过多次来回反射极大地增强了吸收光程长度，出射端面的透射光束包含被测气体吸收信号，经过、4*1光纤耦合器和铠装光纤到达光电探测器；所述探测器将光电信号转换后进入滤波放大器，并将放大的信号分为五路并行输出，其中四路分别输入锁相放大器中的四组锁相，用于解调吸多组分收信号的二次谐波；另一路经过低通滤波后输出三角波信号进入信号处理系统，用于整个系统的光强修正；所述锁相放大器6由四组锁相放大器组成，分别用于四种指标气体的解调，其输入参考信号与调制信号一致，即用于CO解调的锁相放大器的输入参考信号为5KHz，用于CO₂解调的锁相放大器的输入参考信号为10KHz，用于C₂H₂解调的锁相放大器的输入参考信号为15KHz通过解调放大，用于C₂H₄解调的锁相放大器的输入参考信号为20KHz，其输出的二次谐波信号进入信号处理系统7，用于反演指标气体浓度；所述信号发生器由四组信号发生器组成，用来产生低频扫描信号和高频调制信号；四组信号发生器输出30Hz锯齿波扫描信号，分别扫描四只DFB激光器的波长，使其产生测量目标气体的吸收谱线；同时，四组信号发生器分别输出5KHz，10KHz，15KHz和20KHz的高频正弦信号用于调制测量CO、CO₂、C₂H₂、C₂H₄气体的激光器；每种高频调制信号分别引入所述锁相放大器中的四组锁相放大器，作为参考信号对相应的调制信号解调；所述信号处理系统由多通道采集A/D和工控机组成，采集A/D用于接收所述锁相放大器输出的多组分二次谐波信号和放大滤波器4输出的低频信号，经过模数转换后进入工控机，工控机用于以下几个方面的操作：(1)通过激光控制器调节激光器1温度和注入电流，控制DFB激光器的输出波长和功率；(2)接收滤波放大器的反馈信号，判断DFB激光器输出光功率在整个光路上的传输稳定性，对浓度反演结果进行光强修正；(3)将通过采集A/D接收到的多通道二次谐波信号首先做小波变换去噪处理，然后利用锯齿波幅值修正光强，接着用最小二乘法拟合标准信号反演浓度，最后利用Kalman滤波处理浓度数据已去除奇异波动值；另外，计算所测二次谐波的峰值位置，与标准谐波信号分支位置相比对，以此计算DFB激光器波长漂移，通过激光器温度串口控制命令在线修正，完成波长锁定。