一种带有分支气室的级联多点气体检测方法

1.本发明涉及长距离下多点气体检测领域，尤其涉及一种带有分支气室的级联多点气体检测方法。


背景技术：

2.多点(准分布式)或分布式气体检测在许多工业和民用领域都很重要。多点式气体检测系统的布置主要有并联和串联两种连接方式。并联方式，每个气室星型并联、排布连接至中心(光源)。该方法适从每个气室获得的信号是相互独立的，但一般适用于点数较少，且所有测量点都聚集在中心的情况。而在串联方式中(包括使用空芯光子晶体光纤作为气室的方案)，如果每个气室的传输损耗较小，理论上检测点数量就可以很大。但在实际中存在以下问题，1、当气室腔体较长或腔内气体浓度较高时，多个气室引入的总的插入损耗或吸收损耗会急剧增加；2、某些气室内引入的大量损耗可能会使得它们之后的气室腔内的信号大幅度衰减。3、将每个串联气室的信号区分是困难的，因为它们的输出最终是一起叠加在系统的总输出上；4、由于基于瑞利散射，散射信号较输出有6个数量级的衰弱，因此信噪比一般不高。所以，传统的多点式气体测量往往受限于上述问题导致测量点数和检测限都不能做高。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中多点气体检测技术中存在的测量点数因损耗问题而受限的上述问题，提供一种带有分支气室的级联多点气体检测方法。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种带有分支气室的级联多点气体检测方法，包括otdr、气体吸收室、反射镜、耦合器和延迟光纤；所述耦合器和延迟光纤均设有多个，第一个耦合器通过延迟光纤与otdr连接，且耦合器之间也通过延迟光纤连接；所述气体吸收室和反射镜设有多个，且相对应耦合器和延迟光纤的个数设置；每个气体吸收室与对应的耦合器连接，每个反射镜与相对应的气体吸收室相连；其中，使用otdr接收携带气体浓度信息的反射信号，平均时间大于至少45s后，计算反射强度的相对变化量，用以对气体浓度进行标定，之后即可根据反射强度进行气体浓度的检测。
6.所述耦合器的分光比至少为50:50。
7.所述耦合器的分光比为99:1。
8.所述气体吸收室包括第一准直器和第二准直器；其中，激光从第一准直器发出，然后进入第二准直器。
9.所述气体吸收室还包括固定管，所述第一准直器和第二准直器设于固定管的两端，所述固定管上开设有通孔。
10.所述固定管为不锈钢材质，长度为80～120mm，内径为3mm
±
0.1mm；所述通孔设有两个，两个通孔分别距离固定管的两端10～20mm，孔径1～2mm。
11.所述气体吸收室内的光路耦合损耗最大为1db。
12.所述反射镜的反射率至少为90％。
13.所述otdr激光发射脉宽最大为100ns。
14.所述延迟光纤的长度至少40m。
15.相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
16.本发明使用99:1的耦合器，即包含两个光路，该两个光路的激光占比为99％和1％，其中在耦合器1％光路中激光通过气体吸收室经过反射镜后返回到耦合器，在耦合器99％光路中激光继续后向传播。因此，只有少部分的光被带入分支路径中的气体吸收室。与基于瑞利散射信号的测量相比，实验中反射光的幅度比散射光的幅度大1～2个数量级，这将导致信噪比显著提高。而99％的光将继续后向传输，降低了总体损耗，使得检测数量可以大量提高。本发明基于带有分支气室的级联多点气体检测方法，通过使用多个99:1的耦合器、气体吸收室和反射镜即实现针对多个位置气体浓度的定量检测。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
18.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
19.参见图1，本发明基于带有分支气室的级联多点气体检测方法，实施系统包括特殊波长otdr1、第一延迟光纤2、第一耦合器3、第一气体吸收室4、第一反射镜5、第二延迟光纤6、第二耦合器7、第二气体吸收室8、第二反射镜9、第三延迟光纤10、第三耦合器11、第三气体吸收室12、第三反射镜13。
20.所述特殊波长otdr具有与气体吸收峰对应的发射波长，本实施例中的发射波长可为1653.7nm，用于测量甲烷；所述otdr激光发射脉宽最大为100ns。
21.所述第一延迟光纤2、第二延迟光纤6、第三延迟光纤10可为1km长度普通单模光纤；
22.所述第一、第二、第三耦合器3、7、11可为99:1耦合器，其中302、702、1102为光路99占比端，303、703、1103为光路1占比端。
23.所述第一、第二、第三气体吸收室4、8、12包括第一准直器401、第二准直器402、第三准直器801、第四准直器802、第五准直器1201以及第六准直器1202。所述第一准直器401与第二准直器402耦合插损，第三准直器801与第四准直器802耦合插损，第五准直器1201与第六准直器1202耦合插损，所述耦合插损均小于1db。
24.所述第一、第二、第三反射镜5、9、13可为法拉第反射镜，反射率至少为90％。
25.所述特殊波长otdr1与第一延迟光纤2相连接，第一延迟光纤2与第一耦合器3的输入端301相连接，第一耦合器3的输出端302与第二延迟光纤6相连接，第一耦合器3的输出端303与第一气体吸收室4相连接，第一气体吸收室4与第一反射镜5相连接，第二延迟光纤6与第二耦合器7输入端701相连接，第二耦合器7的输出端702与第三延迟光纤10相连接，第二耦合器7的输出端703与第二气体吸收室8相连接，第二气体吸收室8与第二反射镜9相连接，
第三延迟光纤10与第三耦合器11输入端1101相连接，第3耦合器11的输出端1103与第三气体吸收室12相连接，第三气体吸收室12与第三反射镜13相连接。
26.具体地，本实施例中，气体吸收室的两个准直器采用固定管的两端固定连接；所述固定管为不锈钢材质，长度为80～120mm，内径为3mm
±
0.1mm；固定管上开设有两个通孔，两个通孔分别距离固定管的两端10～20mm，孔径1～2mm。
27.启动特殊波长otdr1，脉冲光经过第一延迟光纤2后，经过第一耦合器3的输出端303进入第一气体吸收室4，并由第一反射镜5反射回第一耦合器3的输入端301回到otdr1，脉冲光经过第一耦合器3的输出端302进入第二延迟光纤6，经过第二耦合器7的输出端703进入第二气体吸收室8，并由第二反射镜9反射回第二耦合器7的输入端701，经过第二延迟光纤6、第一耦合器3，第一延迟光纤2返回到otdr1，脉冲光经过第二耦合器7输出端702后进入第三延迟光纤10，经过第三耦合器11输出端1103进入第三气体吸收室12，并由第三反射镜13反射回第三耦合器11的输入端1101，经过第三延迟光纤10，第二耦合器7、第二延迟光纤6、第一耦合器3和第一延迟光纤2回到otdr1。通过otdr1的数据处理可以观测到各个气体吸收室内携带气体信息的反射信号的强度。
28.以下给出本发明的检测原理：
29.本发明的原理根据比尔-朗伯定律，光与气体之间相互作用，就会产生吸收的现象，一般在未饱和的吸收条件下入射光强与透射光强有以下关系：
30.i
out(ν)
＝i
in(ν)
exp(-αvcl)
31.其中，αv为气体吸收系数，单位cm-1
，l表示气体的有效吸收光程，单位cm；c表示气体体积百分比，单位为ppm；i
in(ν)
为波长v的激光输入气体样品前的光强，i
out(ν)
为波长v的激光输入气体样品后的光强。
32.其中，使用otdr接收携带气体浓度信息的反射信号，平均时间大于至少45s后，计算反射强度的相对变化量，用以对气体浓度进行标定，之后即可根据反射强度进行气体浓度的检测。入射脉冲光经过气体吸收室后携带气体浓度信息，引起光强变化，因此针对反射点处的光强进行监测即可对气体浓度进行定量分析。
33.本发明提出一种新颖的级联连接方式，引入分支路径，可摆脱每个气体吸收室腔内产生的损耗问题，只有一小部分的光被耦合到分支路径中，因此分支路径对传输功率没有明显的影响。通过使用发射波长与气体吸收峰对应的otdr，对分支中的每个气体吸收室进行询问，由此测得多点的气体浓度。