基於光纖傳感的電纜隧道多種氣體濃度在線監測系統的製作方法

2023-09-22 07:00:15

專利名稱：基於光纖傳感的電纜隧道多種氣體濃度在線監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於光纖傳感技術的氣體濃度監測系統，特別適用於在電纜隧道中對多種氣體濃度進行在線監測。
背景技術：
隨著我國社會的進步和經濟的發展，城市化進程不斷加速發展，因此必然對城市所賴以存在和正常運作的各項公共基礎設施建設不斷提出更高的要求。就現代城市公共基礎設施的重要組成部分一城市電網而言，電纜隧道的使用，是滿足中心城區高負荷密度和電纜化的供電要求，有效保障電力通道的輸送容量和提高通道資源利用率的重要措施；同時與電能輸送電纜化相伴而生的城市電網隧道化及其隧道的網絡化更已成為現代社會城市型電網的特色和發展方向。但電纜隧道的安全問題，尤其是隧道內空氣品質安全問題一直是監測難點。這是由於電纜隧道狹長，空間擁擠；隧道內大量絕緣材料老化易產生多種有毒有害氣體；此外城市隧道內容易有沉積物質變質揮發氣體產生，造成空氣內含氧量的異常，有毒有害氣體聚集且不易排出。這些不但會直接影響電纜設備的安全，提高隧道火災的風險程度，更會威脅到進入隧道進行巡視維護工作人員的生命安全。專利號為201120502920.5的《電纜隧道環境監控裝置》和專利號為201220031550.6的《一種電纜隧道有害氣體監測系統》提及對隧道內氣體濃度的監測，但兩者均採用傳統電學型氣體傳感技術，應用於電纜隧道存在如下問題:
1.由於電纜隧道中需要對一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧氣、硫化氫等多種氣體濃度進行監測，因此需要在現場安裝多個傳感器。增加了系統成本和工程難度。2.電學類傳感器需要解決供電問題。而供電設備本身在複雜氣體環境下存在安全隱患。3.傳感器然後通過485總線或CAN總線發送數據。上述總線方法傳送距離有限，需要在電纜隧道內增設集中控制器或專用通信模塊。增加了系統作業難度和複雜程度。4.上述傳感器布設於現場，系統校準和探頭更換必須要在現場進行，增加了維護難度和成本。光纖氣體傳感技術是近些年來湧現的先進傳感技術。這種方案主要是利用氣體都存在一定的光譜吸收能力來實現探測目的的。例如專利號為200610166511.6《光纖氣體傳感器光路自補償的方法與裝置》中，通過選取甲烷氣體對應吸收譜線的雷射器實現甲烷濃度的探測；專利號為200610069608.5《高性能光纖瓦斯傳感器》則採用光纖光柵濾波器進行波長篩選。上述技術均限制於對某一種氣體進行監測，無法適用於電纜隧道多種氣體應用場合。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基於可調諧雷射器光譜吸收型光纖氣體傳感技術，通過在隧道內設置多個氣室連接成分布式監測網絡的多種氣體濃度在線監測系統。本發明採用如下技術方案:
本發明由可調諧雷射器、環形器、I X N路光開關、光纜、傳感器探頭、光電探測器、控制模塊組成；所述可調諧雷射器的輸出端接環形器的輸入端，環形器的一個輸出端接IXn路光開關的輸入端，所述I X N路光開關的每路光開關連接一芯單模光纖，N芯所述單模光纖組成光纜，所述每條一芯單模光纖分別接入傳感器探頭；所述環形器的另一輸出端接光電探測器的輸入端，所述光電探測器的輸出端接控制模塊的相應輸入端，所述控制模塊的2個輸出端分別接可調諧雷射器和IXN路光開關的相應輸入端；
所述控制模塊由存儲和處理單元、雷射器輸出譜線控制單元、信號採集單元、光開關控制單元組成；所述存儲和處理單元和光開關控制單元均為單片機，所述雷射器輸出譜線控制單元為電流源，所述信號採集單元為模數轉換器；
所述存儲和處理單元的輸出端分別接雷射器輸出譜線控制單元和光開關控制單元的輸入端，所述信號採集單元的輸出端接存儲和處理單元的輸入端，所述雷射器輸出譜線控制單元的輸出端接可調諧雷射器的輸入端，所述光開關控制單元的輸出端接I X N路光開關的輸入端，所述光電探測器的輸出端接信號採集單元的輸入端。所述傳感器探頭由一帶窗口的開放氣室、準直器、全反射鏡組成；所述帶窗口的開放氣室的一端安裝準直器，其另一端安裝全反射鏡，兩者的中心點水平高度一致，所述帶窗口的開放氣室的窗口位於側壁上，所述一芯單模光纖與準直器相連接。所述控制模塊的控制流程如下:
①載入雷射器波長控制信息表；
②按順序控制雷射器波長輸出；
③檢測光電探測器信號；
④依據Lambert-Beer定理計算待測氣體濃度；
⑤判斷是否所有波長依次輸出一遍；
⑥判斷⑤的結果為「是」，則控制光開關切換下一個通道；判斷⑤的結果為「否」，則返回到步驟②，依次向下執行，直到結果為「是」跳出進入下一步；
⑦控制光開關切換到下一個通道後，判斷是否切換完成所有通道的監測；
⑧判斷⑦的結果為「是」，則一次監測結束；判斷⑦的結果為「否」，則返回到步驟②，依次向下執行，直到結果為「是」跳出結束。本發明的積極效果如下:
I)所述傳感器探頭與測試氣體種類無關，任何氣體都可以使用該探頭，適用範圍廣；且傳感器探頭為無源探頭，不需要現場供電，減輕了作業難度，同時降低了現場供電設備帶來的安全隱患。2 )所述傳感器探頭沿電纜分布連接，組成分布式監測網絡，覆蓋範圍廣。3)傳感器探頭反饋回的光信號通過單模光纖傳遞，傳輸距離遠。4)可調諧雷射器，環形器，I X N路光開關，光電探測器，控制模塊均可放置於控制機房內。校準時只需在機房內進行，免去現場校準困擾。


圖1為本發明的結構示意 圖2為本發明中傳感器探頭的結構示意 圖3為本發明中控制模塊的原理方框 圖4為本發明中控制模塊的流程框圖。其中，I可調諧雷射器、2環形器、3 I X N路光開關、4光纜、5傳感器探頭、6光電探測器、7控制模塊、8帶窗口的開放氣室、9準直器、10全反射鏡、11存儲和處理單元、12雷射器輸出譜線控制單元、13信號採集單元、14光開關控制單元。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明:
如圖廣4所示，本發明由可調諧雷射器1、環形器2、I X N路光開關3、光纜4、傳感器探頭5、光電探測器6、控制模塊7組成；所述可調諧雷射器I的輸出端接環形器2的輸入端，環形器2的一個輸出端接I X N路光開關3的輸入端，所述I X N路光開關3的每路光開關連接一芯單模光纖，N芯所述單模光纖組成光纜4，所述每條一芯單模光纖分別接入傳感器探頭5 ;所述環形器2的另一輸出端接光電探測器6的輸入端，所述光電探測器6的輸出端接控制模塊7的相應輸入端，所述控制模塊7的2個輸出端分別接可調諧雷射器I和IXN路光開關3的相應輸入端；
所述控制模塊7由存儲和處理單元11、雷射器輸出譜線控制單元12、信號採集單元13、光開關控制單元14組成；所述存儲和處理單元11和光開關控制單元14均為單片機，所述雷射器輸出譜線控制單元12為電流源，所述信號採集單元13為模數轉換器；
所述存儲和處理單元11的輸出端分別接雷射器輸出譜線控制單元12和光開關控制單元14的輸入端，所述信號採集單元13的輸出端接存儲和處理單元11的輸入端，所述雷射器輸出譜線控制單元12的輸出端接可調諧雷射器I的輸入端，所述光開關控制單元14的輸出端接IXN路光開關3的輸入端，所述光電探測器6的輸出端接信號採集單元13的輸入端，參見圖3。所述傳感器探頭5由一帶窗口的開放氣室8、準直器9、全反射鏡10組成；所述帶窗口的開放氣室8的一端安裝準直器9，其另一端安裝全反射鏡10，兩者的中心點水平高度一致，所述帶窗口的開放氣室8的窗口位於側壁上，所述一芯單模光纖與準直器9相連接。所述全反射鏡10將入射光沿原路返回，構成封閉式光路，所述傳感器探頭5和外界環境通過窗口更新氣室內氣體。傳感器探頭5與測試氣體種類無關，任何氣體都可以使用該探頭，適用範圍廣；且傳感器探頭為無源探頭，不需要現場供電，減輕了作業難度，同時降低了現場供電設備帶來的安全隱患。 所述控制模塊7的控制流程如下:
①載入雷射器波長控制信息表；
②按順序控制雷射器波長輸出；
③檢測光電探測器信號；
④依據Lambert-Beer定理計算待測氣體濃度；
⑤判斷是否所有波長依次輸出一遍； ⑥判斷⑤的結果為「是」，則控制光開關切換下一個通道；判斷⑤的結果為「否」，則返回到步驟②，依次向下執行，直到結果為「是」跳出進入下一步；
⑦控制光開關切換到下一個通道後，判斷是否切換完成所有通道的監測；
⑧判斷⑦的結果為「是」，則一次監測結束；判斷⑦的結果為「否」，則返回到步驟②，依次向下執行，直到結果為「是」跳出結束。所述存儲和處理單元11的輸出端分別接雷射器輸出譜線控制單元12和光開關控制單元14的輸入端，所述信號採集單元13的輸出端接存儲和處理單元11的輸入端，所述雷射器輸出譜線控制單元12的輸出端接可調諧雷射器I的輸入端，所述光開關控制單元14的輸出端接I X N路光開關3的輸入端，所述光電探測器6的輸出端接信號採集單元13的輸入端；信號採集單元13將探測器的模擬信號轉換為數位訊號供存儲和處理單元11做後續處理，控制模塊7的控制程序流程框圖如圖4所示。所述可調諧雷射器I選用分布布拉格反射半導體雷射器，所述可調諧雷射器I可以通過改變反射區注入電流控制雷射器輸出波長。所述的可調諧雷射器I，環形器2，I X N路光開關3，光電探測器6，控制模塊7均可放置於控制機房內。校準時只需在機房內進行，免去現場校準困擾。I X N路光開關3通過N芯單模光纖組成的光纜4連接到電纜隧道內，每條單模光纖連接隧道內的一個傳感器探頭5。傳感器探頭5反饋回的光信號通過單模光纖傳遞，傳輸距離遠，且傳感器探頭5沿電纜隧道布設，組成監測網絡，覆蓋範圍廣。實施例1:
電纜隧道中需要監測的氣體種類包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫氣體。這些氣體對應的吸收譜線波長分別為:
一氧化碳:1567 nm 二氧化碳:1572.66 nm 甲烷:1651 nm 硫化氫:1578 nm
將上述吸收譜線信息存儲至控制模塊7的存儲和處理單元11中，存儲和處理單元11選用STM32型處理器，雷射器輸出譜線控制單元12選用AD8276模數轉換器，信號採集單元13選用AD9214電流源，光開關控制單元14選用MCS51單片機。可調諧雷射器I選用分布布拉格反射半導體雷射器，使其輸出波長涵蓋從1567nm至1651 nm之間譜線。傳感器探頭5中的全反射鏡10能對上述波長的波進行全反射，將被測信號反饋至光電探測器6。電纜隧道長5公裡，每200米布設傳感器探頭5，整個隧道共需25個傳感器探頭。選擇I X 32路光開關3和32芯單模光纖組成的光纜4，多出的7個通道可以留作備份。工作時，雷射器輸出譜線控制單元12可根據存儲和處理單元11輸出相應電流。控制模塊7根據存儲和處理單元11中的「電流一波長」信息，通過雷射器輸出譜線控制單元12控制可調雷射器I依次輸出不同氣體吸收譜線對應波長的波至傳感器探頭5 ;傳感器探頭5通過氣室上的窗口和外界環境接觸，使探頭內氣體濃度與外界相同。光信號經過一芯單模光纖和準直器9進入傳感器探頭5，受到傳感器探頭5內部氣體組分及濃度影響，光信號的功率發生變化。同時，光信號經反射鏡10沿原路反射至環形器2。環形器2將反射光送至光電探測器6，反饋回的光信號經光電探測器6感知不同譜線下光強度變化並轉化為電強度信號，然後，將電強度信號發送至模塊7中信號採集單元13，將信號由模擬量轉換為數字量送至存儲和處理單元11進行計算，求出隧道中某一傳感器探頭5所在位置的一氧化碳、二氧化碳、甲燒、硫化氫對應的氣體濃度信息分別為lppm、lppm、0.l%、lppm。然後，當完成全部波長掃描後，光開關控制單元14控制I X 32路光開關3切換下一個光通道，即監測下一個傳感器探頭5所在位置的氣體含量，進入新的波長掃描周期。依次循環完成所有光通道的監測。氣體校準時，僅需在機房內用已知氣體濃度的標準氣體源連接環形器2，就可以完成整個系統校準，而不需要對現場傳感器進行維護。本發明的工作原理:
傳感器探頭5反射回的探測信號沿原光路返回，經環形器2送至光電探測器6。依據Lambert-Beer定理，當一束光通過長度為L充滿待測氣體的氣室，光強I (r)是頻率r的函數，氣體濃度為C。則出射光強Kr)可以表示為
權利要求
1.基於光纖傳感的電纜隧道多種氣體濃度在線監測系統，其特徵在於該系統由可調諧雷射器(I)、環形器(2)、1 X N路光開關(3)、光纜(4)、傳感器探頭(5)、光電探測器(6)、控制模塊(7)組成；所述可調諧雷射器(I)的輸出端接環形器(2)的輸入端，環形器(2)的一個輸出端接IXN路光開關(3)的輸入端，所述I Xn路光開關(3)的每路光開關連接一芯單模光纖，N芯所述單模光纖組成光纜(4)，所述每條一芯單模光纖分別接入傳感器探頭(5);所述環形器(2)的另一輸出端接光電探測器(6)的輸入端，所述光電探測器(6)的輸出端接控制模塊(7)的相應輸入端，所述控制模塊(7)的2個輸出端分別接可調諧雷射器(I)和I X N路光開關(3)的相應輸入端； 所述控制模塊(7)由存儲和處理單元(11)、雷射器輸出譜線控制單元(12)、信號採集單元(13)、光開關控制單元(14)組成；所述存儲和處理單元(11)和光開關控制單元(14)均為單片機，所述雷射器輸出譜線控制單元(12)為電流源，所述信號採集單元(13)為模數轉換器； 所述存儲和處理單元(11)的輸出端分別接雷射器輸出譜線控制單元(12)和光開關控制單元(14)的輸入端，所述信號採集單元(13)的輸出端接存儲和處理單元(11)的輸入端，所述雷射器輸出譜線控制單元(12)的輸出端接可調諧雷射器(I)的輸入端，所述光開關控制單元(14)的輸出端接IXN路光開關(3)的輸入端，所述光電探測器(6)的輸出端接信號採集單元(13)的輸入端。
2.根據權利要求1所述的基於光纖傳感的電纜隧道多種氣體濃度在線監測系統，其特徵在於所述傳感器探頭(5)由一帶窗口的開放氣室(8)、準直器(9)、全反射鏡(10)組成；所述帶窗口的開放氣室(8)的一端安裝準直器(9)，其另一端安裝全反射鏡(10)，兩者的中心點水平高度一致，所述帶窗口的開放氣室(8)的窗口位於側壁上，所述一芯單模光纖與準直器(9)相連接。
全文摘要
本發明涉及一種基於光纖傳感的電纜隧道多種氣體濃度在線監測系統。本發明由可調諧雷射器、環形器、1╳N路光開關、光纜、傳感器探頭、光電探測器、控制模塊組成；所述可調諧雷射器的輸出端接環形器的輸入端，環形器的一個輸出端接1╳N路光開關的輸入端，1╳N路光開關的每路光開關經一芯單模光纖接入一個傳感器探頭；所述環形器的另一輸出端接光電探測器的輸入端，光電探測器的輸出端接控制模塊的相應輸入端，所述控制模塊的2個輸出端分別接可調諧雷射器和1╳N路光開關的相應輸入端。本發明的優點是所用無源傳感器探頭適用多種氣體，無現場供電設備帶來的安全隱患，探頭沿電纜分布，覆蓋範圍廣，校準只需在機房內，免去現場校準困擾。
文檔編號G01N21/39GK103207162SQ20131008704
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者王慧明, 趙立剛, 劉國平, 趙平, 曾軍, 吳仁虎, 邢昆, 徐亞兵, 郭濤, 武彥明 申請人:石家莊供電公司, 河北省電力公司, 國家電網公司