CN103616408B - 一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括测温装置、气体燃烧装置和隔爆装置；所述测温装置包括光纤Bragg光栅、圆柱形导热壁、光纤引出线，其中光纤Bragg光栅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已固定半径处开好的内孔中；所述气体燃烧装置包括催化剂层、加热电阻镀膜层、加热源引线、电极，其中催化剂层敷在加热电阻镀膜层的外表面，加热电阻镀膜层位于导热壁外表面；所述隔爆装置包括隔爆罩、底座，其中隔爆罩将嵌入在底座上的测温装置与气体燃烧装置罩起来。本发明实现了对可燃气体环境中特定气体的浓度检测，同时抗干扰能力强。

Description

一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计及其使用方法，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

本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计及其使用方法，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。

本发明的技术方案是：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。

一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计的使用方法，所述方法的具体步骤如下：

A、将催化燃烧式气体浓度计置于带有可燃气体的环境中且将加热电阻镀膜层通入一定的电流使加热电阻镀膜层达到气体的引燃温度，气体通过隔爆罩遇到加热电阻镀膜层上的催化剂层时进行无焰燃烧；

B、通过光纤Bragg光栅解调仪分析得到测温光纤Bragg光栅的中心波长的偏移量                                               ；

C、根据光纤Bragg光栅的波长偏移量与气体环境中待测可燃气体百分含量C的关系式计算待测可燃气体百分含量；式中：为光纤Bragg光栅的中心波长，S _T 为测温装置的温度敏感系数，r为光纤Bragg光栅与圆柱形导热壁圆心之间的距离，r ₁为空心圆柱形导热壁的内半径，r ₂为空心圆柱形导热壁的外半径，为催化性能常数，ΔH为可燃气体燃烧热，C _p 为加热电阻热容。

本发明的工作原理是：

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。

本发明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r ₁和r ₂，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）

式中，为导热系数，A为半径r处的环形导热面积。

可得出一维稳态圆柱壁的热传导速率在径向上是一个常数。

入边界条件：r= r ₁处，t =t _w1；r= r ₂处，t =t _w2；得出圆柱壁导热的温度分布如下：

                                           （4）

式中，r为光纤Bragg光栅与圆柱形导热壁圆心之间的距离；r ₁为空心圆柱形导热壁的内半径；r ₂为空心圆柱形导热壁的外半径；t _w1为圆柱壁内径处的温度，是一个固定值；t _w2为圆柱壁外表面的温度，t (r)为半径为r处的温度。

则根据传导模型计算得光纤Bragg光栅处温度的改变为：

                              （5）

光纤Bragg光栅温度改变，由于光纤的热膨胀效应和光纤热光效应，引起反射峰值波长的变化。

反射回来的峰值波长满足：

                                                       （6）

式中：是光栅周期；是有效折射率。

对（6）式进行温度T求导可得：

                                           （7）

式中：是光纤本身在应力作用下的弹性形变；是光纤的弹光效应。

（7）式两边除以（6）式，可以得到：

                                         （8）

在（8）式中，为波长的变化；是光纤光栅的热光系数，它的表达式为；是光纤光栅的热膨胀系数，它的表达式为；S _T 为测温装置的温度敏感系数，所以催化燃烧式气体浓度计的光纤Bragg光栅的波长偏移量与温度的变化成线性关系。一般情况下对熔石英光纤来说，，。

将式（1）、（5）代入（8）式得：

                                     （9）

式（9）表明了待测气体百分含量C与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出气体环境中待测气体的百分含量。

本发明的有益效果是：

1、实现了对可燃气体浓度的在线监测：本发明直接将封装后的光纤Bragg光栅粘贴圆柱导热壁上，通过把可燃气体的浓度变化转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位的测量来对可燃气体的浓度进行实时在线监测。

2、抗干扰能力强：采用电绝缘材料光纤Bragg光栅，传输信号为光信号，可以抗电磁干扰，同时，还有减少电火花引燃待测可燃气体气体的作用，减少了安全隐患。光纤Bragg光栅传感器适用于存在电磁干扰情况下的特殊工况下实时测量。

3、结构简单，使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中圆柱形导热壁的导热分布图；

图中各标号：1为光纤Bragg光栅、2为隔爆罩、3为催化剂层、4为加热电阻镀膜层、5为加热源引线、6为底座、7为圆柱形导热壁、8为电极、9为光纤引出线。

具体实施方式

实施例1：如图1-2所示，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。

一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计的使用方法，所述方法的具体步骤如下：

A、将催化燃烧式气体浓度计置于带有可燃气体的环境中且将加热电阻镀膜层通入一定的电流使加热电阻镀膜层达到气体的引燃温度，气体通过隔爆罩遇到加热电阻镀膜层上的催化剂层时进行无焰燃烧；

B、通过光纤Bragg光栅解调仪分析得到测温光纤Bragg光栅的中心波长的偏移量；

C、根据光纤Bragg光栅的波长偏移量与气体环境中待测可燃气体百分含量C的关系式计算待测可燃气体百分含量；式中：为光纤Bragg光栅的中心波长，S _T 为测温装置的温度敏感系数，r为光纤Bragg光栅与圆柱形导热壁圆心之间的距离，r ₁为空心圆柱形导热壁的内半径，r ₂为空心圆柱形导热壁的外半径，为催化性能常数，ΔH为可燃气体燃烧热，C _p 为加热电阻热容。

实施例2：如图1-2所示，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。

一种基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计的使用方法，所述方法的具体实施步骤为：

1、将光纤Bragg光栅经套管封装后放入圆柱导热壁已经开好的孔内，要保证光纤Bragg光栅位于催化剂所对应的固定位置。圆柱壁内空心部分与外界环境相连通，保证内空心部分的温度是固定的。

2、按附图1、图2制作本装置，在实际制作中的具体参数为：

圆柱壁选择多孔氧化铝陶瓷，平均导热系数：0.85W/(m·K)；选取尺寸为：圆柱壁外半径80 mm，内半径10 mm ，光纤Bragg光栅与圆柱形导热壁圆心之间的距离为15mm，开孔半径为1mm。

3、加热电阻镀膜层选择Pt电阻，其厚度为1mm，其C _p 加热电阻热容为135 J/(kg·K)；催化剂催化性能常数为1；隔爆罩的半径为100mm。

4、可燃气体选择，甲烷，其参数如下：

燃烧热：890.31KJ/mol；引燃温度：538 (℃)。

5、选择待测气体温度，即圆柱壁内径处的温度为20℃。

6、将催化燃烧式气体浓度计放置于含有甲烷的待测气体环境中，接上稳压电源，用光纤Bragg光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。

7、当光纤Bragg光栅的初始波长为1550 nm，S _T =6.0×10^-6 ℃^-1。将已知量代入（9）式：

理论计算表明，催化燃烧式气体浓度计的灵敏度为72.18 pm/%。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1 pm时，该基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计的分辨率为1.43%。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于光纤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，所述测温装置包括光纤Bragg光栅（1）、光纤引出线（9），所述气体燃烧装置包括催化剂层（3）；其特征在于：所述气体浓度计还包括隔爆装置；所述测温装置还包括圆柱形导热壁（7），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）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；所述气体燃烧装置还包括加热电阻镀膜层（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。

2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计，其特征在于：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。

3.一种根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的催化燃烧式气体浓度计的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

A、将催化燃烧式气体浓度计置于带有可燃气体的环境中且将加热电阻镀膜层通入一定的电流使加热电阻镀膜层达到气体的引燃温度，气体通过隔爆罩遇到加热电阻镀膜层上的催化剂层时进行无焰燃烧；

B、通过光纤Bragg光栅解调仪分析得到测温光纤Bragg光栅的中心波长的偏移量；

C、根据光纤Bragg光栅的波长偏移量与气体环境中待测可燃气体百分含量C的关系式                                                计算待测可燃气体百分含量；式中：为光纤Bragg光栅的中心波长，S _T 为测温装置的温度敏感系数，r为光纤Bragg光栅与圆柱形导热壁圆心之间的距离，r ₁为空心圆柱形导热壁的内半径，r ₂为空心圆柱形导热壁的外半径，为催化性能常数，ΔH为可燃气体燃烧热，C _p 为加热电阻热容。