1.一种甲烷气体浓度在线检测装置,包括显示模块、声光报警模块、CPU模块、采样头和电源模块,所述显示模块、声光报警模块和采样头均与CPU模块相连,电源模块为各电气元件供电;其特征在于:所述采样头包括采样气室,所述采样气室的前端设有进气口,后端设有激光器、光电探测器、温度传感器、压力传感器和信号处理器,在激光器与光电探测器之间设有中空光纤,所述中空光纤呈S形绕设在采样气室内;所述中空光纤的一端靠近激光器并与激光器的发射端正对,另一端靠近光电探测器并与光电探测器的接收端正对;所述气体通过飘逸扩散到采样气室内,然后通过渗透从中空光纤的包层到纤芯内部,并充满整个中空光纤;
所述光电探测器、温度传感器和压力传感器均与信号处理器相连,经该信号处理器后与CPU模块相连,CPU模块接收经信号处理器处理后的数据后,根据该数据进行解算,得到甲烷浓度数据,并将甲烷数据发送至显示模块进行显示;同时,当甲烷数据超过安全阈值时,控制声光报警模块进行警示;
所述CPU模块具有甲烷浓度解算模型和温度补偿模型,其中,甲烷浓度解算模型为:I(ν)=I0(ν)*exp[-S(T)*g(ν-ν0)*P*C*L];
其中:I(ν)表示频率为ν的激光光束入射光强;
I0(ν) 表示为频率为ν的激光光束穿过压强为P、浓度为C和光程为L的被测气体后的透射光强;
L表示为光经过的被测气体的长度,单位cm;
P表示为气体压强,单位:atm;
C表示为被测气体的分子浓度,单位,mol.cm-3.atm-1;
S(T)为温度T时气体吸收谱线的谱线强度,与气体温度呈函数关系;
g(ν-ν0)为描述吸收谱线形状的线形函数,与气体温度和压力有关;
ν0为吸收谱线的中心频率;
所述温度补偿模型的补偿过程如下:
1)在激光传感器的工作温度范围内均匀设置数个温度点,在检测装置的测量量程内间隔设置数个浓度特征点,对应每个温度点和浓度特征点标定出对应的吸光值;
2)通过温度传感器获取实际温度T测,然后通过解算模型得到气体初始浓度值C0;
3)判断C0,若超过设定安全阈值,则直接对外输出并报警;否则,判断C0所在的浓度特征点区间,分析C0与相邻两浓度特征点的偏离程度,选择偏离程度较小的浓度特征点为参考浓度特征点;
4)根据实际温度T测,判断T测所在的温度点区间,获取其上一个温度点T1和下一个温度点T2,确定参考浓度特征点的上一个温度点的吸光值A吸上和下一个温度点的吸光值A吸下;利用1/2插值法计算相邻两温度点的均值温度T中1对应吸光值A1:A 1= (A吸上 +A吸下)/2;然后根据吸光值A1计算出对应的浓度C1;
5)计算C1和C0的绝对值差,如果小于设定误差阈值,结束补偿,输出C1;如果大于设定误差阈值,以T1、T中1、T2为参考区间,重新确定T测所在的温度区间,再次用1/2插入法确定均值温度T中2对应吸光值A2,然后根据吸光值A2计算出对应的浓度C2;
6)计算C2和C1的绝对值差,如果小于设定误差阈值,结束补偿,输出C2;如果大于设定误差阈值,重复步骤5),继续在新的温度区间内,用1/2插入法确定均值温度T中n对应吸光值An,然后根据An计算出对应的浓度Cn;
7)计算Cn和Cn-1的绝对误差,判断该绝对误差是否小于设定误差阈值,若是,则结束补偿,输出最后一次补偿得到的浓度值为甲烷浓度值;否则,继续利用1/2插值法进行迭代,直至完成迭代时间或迭代次数后,将最后一次得到的浓度值输出为甲烷浓度值。
2.根据权利要求1所述的一种甲烷气体浓度在线检测装置,其特征在于:温度和甲烷吸收系数对应拟合方程为:K(T)=84.99148-0.15036*T,其中,T=273.15+t,t为环境温度。
3.根据权利要求2所述的一种甲烷气体浓度在线检测装置,其特征在于:吸光值与甲烷吸收系数的关系为:A=K(T)*C*L,其中,A为吸光值,K为吸收系数;C为气体浓度,摩尔分数;L为光程。
4.根据权利要求1所述的一种甲烷气体浓度在线检测装置,其特征在于:所述激光器发射的激光的波长为1653.27±1nm。
5.根据权利要求1所述的一种甲烷气体浓度在线检测装置,其特征在于:在采样气室的进气口设置有过滤网。
6.根据权利要求1所述的一种甲烷气体浓度在线检测装置,其特征在于:还包括信号输出模块和遥控接收模块。