怎樣定義一款優(yōu)秀的窨井用甲烷傳感器？

評價一款傳感器是否優(yōu)秀，不應(yīng)簡單羅列技術(shù)參數(shù)。沒有最好，只有最適合。應(yīng)該綜合考量測量范圍、準確度、響應(yīng)時間、功耗和環(huán)境適應(yīng)性等參數(shù)，找到最關(guān)鍵的指標。

那么，安裝在窨井里的甲烷傳感器需要什么樣的特質(zhì)呢？與安裝在地上環(huán)境的甲烷報警器有什么區(qū)別？

窨井遍布城市的各個角落，從地理位置上講極其復(fù)雜多樣，無供電條件，安裝維護工作困難。而且它是一個地下封閉環(huán)境，濕度常年接近飽和，且早晚溫差較大，容易產(chǎn)生冷凝結(jié)露現(xiàn)象；尤其是在雨季，還時常發(fā)生水澇。所以，安裝在窨井里的甲烷傳感器最重要的特質(zhì)是要能夠適應(yīng)這種復(fù)雜惡劣環(huán)境。

窨井這樣的復(fù)雜環(huán)境對甲烷傳感器會產(chǎn)生哪些影響？本文將向您詳細介紹。

一、激光甲烷結(jié)構(gòu)

按照功能劃分，激光甲烷傳感器一般分為三部分，一是光源即激光器，二是光學(xué)探測氣室，三是控制電路模塊。控制電路模塊控制激光器按照特定方式進行波長掃描輸出，激光器光束輸入到光學(xué)探測氣室上，與待測氣氛接觸。若待測氣氛含有甲烷氣體，該氣體吸收對應(yīng)波長的光束能量，光束輸出至控制電路模塊。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、信號采集后在嵌入式系統(tǒng)中進行反演計算，得到甲烷氣體濃度。

光學(xué)探測氣室主要的目的是將激光器輸出的光束照射到待測氣氛，經(jīng)氣體吸收后，出射至光電探測器上。

二、光路結(jié)構(gòu)影響分析

對于光路結(jié)構(gòu)，在實際探測中會受到傳輸光束過程中的散射影響，光學(xué)反射面上的冷凝液滴影響。具體為

散射影響

散射是指光子與空氣中的分子或是懸浮粒子彈性碰撞之后，改變行進方向。生活中常見的散射可概分為兩種：瑞利散射（Rayleigh scattering）和米氏散射（Mie scattering），示意圖如圖。

瑞利散射是指當光照到直徑比光波長小很多的粒子，光會向四面八方散射，而且光的波長越短，散射強度越大；米氏散射是指光照到直徑跟光波長相當，或是比光波長還要大的粒子（煙霧，液滴，塵埃）時，光主要會沿著原本行進的方向散射。但與瑞利散射不同，米氏散射的散射強度和波長并沒有固定關(guān)系。空氣中的微粒會造成米氏散射，而且當微粒大小與波長相近時，會有散射現(xiàn)象。例如水滴組成云與可見光的波長大小相當，因此發(fā)生米氏散射，形成白色的云彩。

圖1 散射示意圖

在氣室待測氣氛的光路上若存在微液滴，根據(jù)甲烷對應(yīng)的吸收波長1.6um，會發(fā)生米氏散射。造成光束傳輸方向改變，部分光束不能到達光電探測器，造成探測光束功率下降，下降的幅度隨水滴數(shù)量、直徑大小相關(guān)。

透射面、反射面冷凝液滴

在光路氣室中，為了實現(xiàn)在有限體積內(nèi)提高光程，提高測量下限，一般會設(shè)計單次、多次反射，在反射面處出現(xiàn)冷凝液滴。這些冷凝液滴將形成小的光學(xué)透鏡，改變光束反射角度，導(dǎo)致設(shè)計入射到光電探測器的光束偏移到別處。光電探測器的面積有限，一般為0.5平方毫米、1平方毫米，大的也不過2~10平方毫米。當透射面、反射面出現(xiàn)冷凝液滴時，冷凝液滴起到透鏡的作用，將光線折射到其他角度，一旦偏離接收面，則探測器無法接收到光束能量無法測量，下降的幅度隨水滴數(shù)量、直徑大小和鏡面分布有關(guān)。

本文模擬了一種激光光源光束照射到反射面上，然后反射進入光電探測器上，同時對比了反射面結(jié)露時，其他條件不變，仿真進入光電探測器上的光束功率。從仿真結(jié)果看，當液滴出現(xiàn)在反射面中心時，接收到的光功率不足入射值的0.1%，這樣給探測帶來了很大難度。

圖2 反射光路示意圖

圖3 鏡面中心無水滴，其他地方有水滴示意圖

圖4 鏡面中心有水滴時示意圖

現(xiàn)實環(huán)境

剛才提到了兩種影響光路的因素，一是液滴、灰塵散射、二是冷凝液滴。現(xiàn)實中出現(xiàn)極端天氣時，我們會發(fā)現(xiàn)下大雨、沙塵暴時出現(xiàn)影響我們?nèi)搜塾^察的情況，特別是沙塵暴，經(jīng)常導(dǎo)致幾米外看不到任何東西，只有漫漫黃沙。但是甲烷傳感器應(yīng)用時，因為光路一般只有10cm或者更短，這么短的距離下沙塵暴的影響沒有想象的大。特別是傳感器外面一般配有防塵罩，導(dǎo)致灰塵進入光路的數(shù)量更低，因此液滴、灰塵散射的影響不大。

冷凝液滴呢，戴眼鏡的朋友都有這種體會，當我們進入浴室時，眼鏡上出現(xiàn)一層“霧氣”，這層霧氣就是冷凝液滴。

什么時候出現(xiàn)這種情況？根據(jù)濕度定義，當眼鏡鏡片的露點溫度低于環(huán)境露點溫度時，鏡片上會出現(xiàn)氣態(tài)水氣飽和變?yōu)橐簯B(tài)液滴的情況。這種情況一般為氣態(tài)水分子數(shù)量一定、不同介質(zhì)上存在溫度差，導(dǎo)致在低溫介質(zhì)上出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。換句話說，對于封閉系統(tǒng)，氣態(tài)水氣分子數(shù)相對固定，但是外界溫度變化時，易出現(xiàn)冷凝。這種場景在生活中較多見，比如甲烷測量時在窨井下，當外界溫度驟變時，窨井內(nèi)傳感器各部件因為材質(zhì)不同，比熱容不一致，造成溫差，導(dǎo)致在鏡面處出現(xiàn)冷凝。因為冷凝分布及小液滴形成大液滴具有一定的隨機性，若出現(xiàn)在光束中心位置，則導(dǎo)致光功率大幅度衰減無法測量。

圖5 冷凝液滴示意圖

四、綜述

甲烷傳感器的各項性能指標都非常重要，比如測量下限、測量誤差等。但是針對窨井環(huán)境，作為一款報警器，在實際應(yīng)用中，能在水淹、冷凝液滴和其他環(huán)境干擾下長時間進行泄漏報警監(jiān)測，不漏報不誤報才是用戶更關(guān)心的。

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審核編輯 黃昊宇