(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210577596.6 (22)申请日 2022.05.25 (71)申请人 中国船舶重 工集团公司第七0三研 究所 地址 150078 黑龙江省哈尔滨市道里区洪 湖路35号 (72)发明人 王博强　齐跃　张义勇　李成　 姜健　 (51)Int.Cl. G01N 21/3504(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传 感器 (57)摘要 本发明提供一种多通道冗余型高精度可燃 气体浓度传感器， 针对可燃气体浓度传感器光路 腔体发明了一种螺旋型光路结构增加光路长度， 有效提高传感器的信噪比、 对可燃气体浓度的检 测极限及检测精度； 针对传感器所用的红外热释 电元件发明的元件内部复杂的光学反射结构， 可 有限避免因传感器光路腔体内反射元件附着杂 质而引起的检测失灵、 误报警等情况的发生， 以 提高传感器的可靠性及抗误报警能力； 发明的多 通道冗余型可燃气体浓度检测方式， 有效提高了 可燃气体检测结果的精度及可靠性。 本发明有效 提高了可燃气体浓度传感器对可燃气体浓度的 检测极限及 精度、 传感器的可靠性及抗误报警能 力。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115015150 A 2022.09.06 CN 115015150 A 1.一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器， 其特征在于： 传感器光路腔体为螺 旋形光路结构， 在光路结构的入口处是可燃气体流的进气口， 在光路结构的中心末端是可 燃气体浓度检测腔， 可燃气体浓度检测腔 内设置多通道红外热释电元件， 在光路结构 内壁 上靠近进气口位置上设置有红外光源， 在光路结构内壁上还规律设置有内凹型弧面反光镜 和一球面聚光反射镜， 红外光源发出 的红外光信号， 经过多个内凹型弧面反光镜的反射形 成被反射的红外光线， 反射过程中被反射的红外光线被可燃气 体充分吸收对应特征波长的 红外信号； 其余在可燃气体特征吸收波长外的红外信号经球面聚光反射镜的反射， 射向可 燃气体浓度检测腔， 并由多通道红外热释电元件检测可燃气体的浓度。 2.根据权利要求1所述的一种 多通道冗余型高精度 可燃气体浓度传感器， 其特征在于： 多通道红外热释电元件包括元件窗口、 元件引脚、 金字塔分光镜矩阵、 四个红外光学滤光片 及红外热释电敏感元件、 内部红外反射镜， 内部红外反射镜位于元件窗口内侧， 对由元件入 口射向多通道红外热释电元件内部的红外光信号具有高通过性， 对由金字塔分光镜矩阵及 四个红外光学滤光片反射的信号具有全光谱高反射性； 红外光信号是 由红外光源受PWM控 制信号控制产生的周期性脉冲红外光信号； 由四路红外热释电敏感元件接收到的红外信号 强度数据来计算可燃气体的浓度。 3.根据权利要求2所述的一种 多通道冗余型高精度 可燃气体浓度传感器， 其特征在于： 由红外光源射出 的红外光线A、 B通过元件窗口射入传感器内部； 当光射到金字塔分光镜时 发生反射并射向红外光学滤光片， 被反射的光中只有 带通波长范围内的光被允许通过 红外 光学滤光片， 射向其后面的红外热释电敏感元件； 其余不在带通波长范围内的光将被全部 反射到内部红外反射镜上， 并在其上发生二次反射； 内部红外反射镜具有全光谱高反射性， 所有光线将全部发生二次反射； 二次反射的光将被反射到对向的红外光学滤光片， 并重复 上述光路反射过程。 4.根据权利要求3所述的一种 多通道冗余型高精度 可燃气体浓度传感器， 其特征在于： 金字塔反光镜组成的金字塔分光镜阵列位于传感器内部的正中心， 每个红外光学滤光片后 安装一个红外热释电敏感元件， 且分别布置在平行于金字塔分光镜阵列四条边的位置上； 红外光学滤光片A1、 A2只通过中心波长为待检测可燃气体红外吸收特征波长且半波宽度为 0.1um的红外信号； 红外光学滤光片B1、 B2只通过中心波长为与可燃气体红外吸收特征波长 不重合的一个波长且半波宽度为0.1um的红外信号； 红外光学滤波片A1、 A2、 B1、 B2对其允许 通过的特 征波长外的红外光信号具有全光谱高反射 性。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115015150 A 2一种多通道冗余型高精度可燃 气体浓度传感器 技术领域 [0001]本发明是一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器， 对甲烷等碳氢类可燃气 体化合物的浓度进 行高精度、 高可靠性的检测。 用于石油化工厂等防爆区域、 天然气气田勘 探等场所的可燃气体浓度检测。 背景技术 [0002]现今， 可燃气体浓度传感器多采用非色散红外传感器(ND IR)方式对可燃气体浓度 进行检测。 非色散红外传感器(NDI R)是一种利用不同类型气体对红外光信号光谱进 行选择 性吸收的特点， 利用朗伯 ‑比尔定律(即， 气体浓度与对红外信号吸收情况的关系)原理检测 特定气体浓度的一类气体浓度传感器。 [0003]根据朗伯 ‑比尔定律： [0004]IOUT( λ )＝I0exp(‑α( λ )CL) [0005]式中： I0为红外光源发出的源红外信号强度； IOUT为红外气体浓度传感器检测到的 红外信号强度； α( λ )为波长为λ 的气体对红外信号的吸收系数； C为待检测气体的浓度； L为 红外信号与待检测气体的吸 收长度(即： 光路长度)。 [0006]由此可以看出， 如果想提高传感器对可燃气体浓度的探测 极限及精度， 需要提高 光路长度L、 或提高红外光源的发光功率以提高I0。 然而一方面， 提高红外光源的发光功率 不光会提高传感器的功 耗， 甚至会减少探测器的使用寿命； 另一方面， 受传感器体积的 限制 想提高光路长度L， 不能简单的增 加光路的直线长度， 需要专门对光路进行 结构设计。 [0007]可燃气体浓度传感器随着使用时间的增加， 会在 光路的反光镜上不均匀的附着灰 尘、 水蒸气、 冷凝水等污染物。 将对接收端的红外敏感元件接收到的红外信号的分布产生影 响， 甚至会引起探测失灵、 误报警等情况。 因此需要为接收端的红外敏感元件设计一种红外 光接收结构， 使接 收端的红外敏感元件不受反光镜不均匀附着物的影响。 从而提高传感器 的可靠性及抗 误报警能力。 [0008]甲烷等碳氢类气体是一类具有易燃易爆特点的可燃性气体。 因此在石油化工厂、 天然气气田及天然气管路传输等场所为防止发生燃烧、 爆炸等危险情况， 需要对该类气体 的浓度进行检测。 [0009]可燃气体浓度传感器常采用非色散红外传感器(NDIR)方式进行可燃气体浓度的 检测。 该类型传感器是一种利用不同类型气体对红外光信号光谱进行选择性吸收的特点， 利用朗伯 ‑ 比尔定律(即， 气体浓度与对红外信号吸收情况的关系)来检测可燃气 体的浓度 的传感器。 发明内容 [0010]本发明的目的是为了提供一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器， 传感器 在光路结构上采用一种螺旋结构， 能有效增加 光路长度提高信噪比， 进而提高可燃气体浓 度的检测极限及精度。 在敏感元件设计上采用多通道冗余型可燃气体检测方式， 可有效提说　明　书 1/5 页 3 CN 115015150 A 3