技术领域
[0001] 本
发明涉及甲烷气体光学检测装置领域,具体是一种可实现甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置。
背景技术
[0002] 当今世界面临的
能源结构与环境保护方面的压
力,而
天然气因其环保、节约、 具有更高的安全性能使得天然气在全世界范围内迅速发展,天然气的用气量正在 快速的增长。
[0003] 因埋地和裸露在外的天然气传输管道以及管道上
阀门、仪表锈蚀老化,人为因素,地质灾害 (
地震、山体滑坡、洪
水)都会导致天然气的
泄漏,造成巨大的经济损失,引起重大安全事故,影响人们日常生活。伴随着政府、企业及社会对
燃气管道安全及环保的日益重视,燃气管道的安全巡检,尤其是泄漏检测越来越显得重要。如果能够及时有效的检测出泄漏点就可以避免重特大事故发生,为天然气传输管道长期安全运行提供保障。但传统手段,如气路检测法、路面巡查法、钻孔检测法、排气检测法、防腐层
缺陷检测法都不能有效地、准确地检测到泄漏点,而且误差大。而随着激光
光谱吸收技术广泛应用,使得天然气泄漏能够快速、准确、有效的检测出来。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种可实现甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置,针对现有的激光检测技术只能检测甲烷气团的积分浓度、定性不定量的检测弊端,实现对甲烷气体定性定量检测。
[0005] 为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置,其特征在于:包括光路测量部分、气路测量部分、控制及
信号处理部分。其中:
光路测量部分包括
激光器、光纤光学连接器、
准直光纤头、聚焦透镜、光电探测器。所述激光器的出光端通过光纤光学连接器的进光端,准直光纤头通过光纤光学连接器的出光端。所述聚焦透镜设于光反射回路。所述光电探测器设于聚焦透镜的聚焦焦点;
气路测量部分包括测距激光器、测距
准直透镜、测距聚焦透镜、测距探测器。所述测距激光器出射光接入测距准直透镜。所述测距探测器设于测距聚焦透镜的聚焦焦点;
控制及
信号处理部分包括信号发生器、脉冲信号发生器、
锁相
放大器、
差分放大器、前置放大器、激光
波长锁定模
块、中心控制和计算单元、
电流控制器、
温度控制器。所述信号发生器输出分别与电流控制器的输入、
锁相放大器的输入、中心控制和计算单元输出电连接。
所述脉冲信号发生器输出与测距激光器输入电连接,所述脉冲信号发生器输入与中心控制和计算单元输出电连接,所述电流控制器、
温度控制器的输出分别与所述激光器电连接。所述光电探测器与前置放大器的输入电连接。所述前置放大器的输出与差分放大器的输入电连接。所述差分放大器的输出与锁相放大器的输入电连接。所述锁相放大器的输出与中心控制和计算单元的输入电连接。所述中心控制和计算单元的输出与激光波长锁定模块的输入电连接。所述激光波长锁定模块的输出与电流控制器的输入电连接;
光路测量部分中,激光器的出射光经光纤光学连接器与准直光纤头输入部分耦合,经准直光纤头准直后入射至可能发生甲烷气体泄漏的气路空间,经反射背景反射后入射至聚焦透镜,聚焦透镜聚焦反射光后送入光电探测器,光电探测器将接收的
光信号转换为
电信号后送入前置放大器,经前置放大器放大后送入差分放大器,经差分放大器消除由于激光器抖动产生的噪声后送入锁相放大器,锁相放大器根据测量光对应的电信号,解调出包含待测气体吸收信息的谐波信号,谐波信号由锁相放大器送入中心控制和计算单元;
中心控制和计算单元将谐波信号转换为数据后进行数据分析,以计算出待测气体信息数据和反馈误差信息数据;同时中心控制和计算单元将反馈误差信息数据转换为反馈误差信号后送入激光波长锁定模块,激光波长锁定模块将反馈误差信号转换后
电压后加载至电流控制器,电流控制器将电压转换为电流后
叠加至电流控制器输出至激光器的驱动电流,实现对激光器输出光波长的反馈控制。
[0006] 气路测量部分中,中心控制和计算单元控制脉冲信号发生器产生脉冲信号,脉冲信号发生器将脉冲电信号驱动测距激光器输出脉冲光信号,测距准直透镜将脉冲光信号准直后发出,准直光被反射体返回,测距聚焦透镜将反射光聚焦到测距探测器,测距探测器将接收到的光信号转换为电信号后送入前置放大器,经前置放大器放大后送入中心控制和计算单元。
[0007] 所述的甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置,其特征在于:光路测量部分中,激光器自带电控温度调节装置,电流控制器的输出与激光器的电流输入端连接,温度控制器的输出与激光器自带的电控温度调节装置连接,电流控制器将调制电流信号驱动激光器发出调制光信号,调制光信号被准直光纤头准直后入射至可能发生甲烷气体泄漏的气路空间,光电探测器将被反射背景反射回的调制光转换为电信号送入前置放大器。
[0008] 所述的甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置,其特征在于:气路测距部分中,脉冲信号发生器受中心控制和计算单元控制输出脉冲信号,测距探测器将反射背景反射回的脉冲光信号转换为电信号送入中心控制和计算单元,中心控制和计算单元计算发射信号和接受信号之间的时间差计算气路的长度。
[0009] 所述的甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置,其特征在于:控制及信号处理部分中,前置放大器放大光电探测器的输出电信号后送入差分放大器,差分放大器将信号送入锁相放大器,锁相放大器中的调制电信号由
正弦波进行解调,分别解调出一次谐波信号和二次谐波信号,使用一次谐波信号归一化二次谐波信号,得到与甲烷浓度成正比的吸收信号,吸收信号与参考信号对比,得到光路测量部分中的甲烷气体浓度值,此浓度值为可能发生甲烷气体泄漏的气路空间中的甲烷的积分浓度值,积分浓度只能定性为甲烷有泄漏,但不能确定甲烷的泄漏量,在中心控制和计算单元中,将得到的甲烷积分浓度值除以气路测距中得到的气路的往返长度(气路长度x 2)得到气路空间中的甲烷的体积浓度值,此值能定量甲烷泄漏浓度。
[0010] 本发明用于检测泄漏甲烷浓度,可同时以PPM、VOL、LEL三种浓度方式检测及显示甲烷浓度。
[0011] 本发明的优点为:本发明可随时进行三种浓度切换检测,解决传统激光甲烷检测仪只能测甲烷PPM(积分浓度)的弊端,定性定量检测甲烷泄漏。本发明基于激光吸收光谱技术,实现对甲烷气体实时检测,并且利用激光波长的调制和锁定技术,能够实现激光器稳定输出,并减少外部环境对激光器的干扰。
附图说明
[0012] 图1是本发明整体结构原理图。
[0014] 图3是本发明光路结构示意图。
具体实施方式
[0015] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0016] 如图1所示,甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置:包括光路测量部分、气路测量部分、控制及信号处理部分,其中:光路测量部分包括激光器1、光纤光学连接器3、准直光纤头5、聚焦透镜4、光电探测器
2。激光器1的出光端通过光纤光学连接器3光学连接准直光纤头5的进光端,聚焦透镜4设于准直光纤头5出光反射回路,光电探测器2设于聚焦透镜4聚焦焦点。
[0017] 气路测量部分包括测距激光器8、测距准直透镜9、测距聚焦透镜7、测距探测器6。测距激光器8设于测距准直透镜9准直焦点,测距探测器6设于测距聚焦透镜7聚焦焦点。
[0018] 控制及信号处理部分包括信号发生器16、脉冲信号发生器11、锁相放大器15、差分放大器12、前置放大器10、激光波长锁定模块17、中心控制和计算单元18、电流控制器13、温度控制器14。信号发生器16输出分别与电流控制器13、锁相放大器15的输入电连接,电流控制器13、温度控制器14的输出分别与激光器1电连接;光电探测器2、测距探测器6分别与前置放大器10的输入电连接,前置放大器10的输出与差分放大器12的输入电连接,差分放大器12的输出与锁相放大器15的输入电连接,锁相放大器15的输出与中心控制和计算单元18的输入电连接,中心控制和计算单元18的输出与激光波长锁定模块17的输入电连接,激光波长锁定模块17的输出与电流控制器13的输入电连接。
[0019] 光路测量部分中,激光器1的出射光经光纤光学连接器3与准直光纤头5输入部分耦合,经准直光纤头5准直后入射至可能发生甲烷气体泄漏的气路空间,经反射背景20反射后入射至聚焦透镜4,聚焦透镜4聚焦反射光后送入光电探测器2,光电探测器2将接收的光信号转换为电信号后送入前置放大器10,经前置放大器10放大后送入差分放大器12,经差分放大器12消除由于激光器抖动产生的噪声后送入锁相放大器15,锁相放大器15根据测量光对应的电信号,解调出包含待测气体吸收信息的谐波信号,谐波信号由锁相放大器15送入中心控制和计算单元18;中心控制和计算单元18将谐波信号转换为数据后进行数据分析,以计算出待测气体信息数据和反馈误差信息数据;同时中心控制和计算单元18将反馈误差信息数据转换为反馈误差信号后送入激光波长锁定模块17,激光波长锁定模块17将反馈误差信号转换后电压后加载至电流控制器13,电流控制器13将电压转换为电流后叠加至电流控制器13输出至激光器1的驱动电流,实现对激光器1输出光波长的反馈控制。
[0020] 气路测量部分中,中心控制和计算单元18控制脉冲信号发生器11产生脉冲信号,脉冲信号发生器11将脉冲电信号驱动测距激光器8输出脉冲光信号,测距准直透镜9将脉冲光信号准直后发出,准直光被反射体20返回,测距聚焦透镜7将反射光聚焦到测距探测器6,测距探测器6将接收到的光信号转换为电信号后送入前置放大器10,经前置放大器10放大后送入中心控制和计算单元18。
[0021] 光路测量部分中,激光器1自带电控温度调节装置,电流控制器13的输出与激光器1的电流输入端连接,温度控制器14的输出与激光器1自带的电控温度调节装置连接,电流控制器13将调制电流信号驱动激光器1发出调制光信号,调制光信号被准直光纤头5准直后入射至可能发生甲烷气体泄漏的气路空间,光电探测器2将被反射背景20反射回的调制光转换为电信号送入前置放大器10。
[0022] 气路测距部分中,脉冲信号发生器11受中心控制和计算单元18控制输出脉冲信号,测距探测器6将反射背景20反射回的脉冲光信号转换为电信号送入前置放大器10,前置放大器10将脉冲电信号放大后送入中心控制和计算单元18,中心控制和计算单元18计算发射信号和接受信号之间的时间差计算气路的长度。
[0023] 控制及信号处理部分中,前置放大器10放大光电探测器2的输出电信号后送入差分放大器12,差分放大器12将信号送入锁相放大器15,锁相放大器15中的调制电信号由正弦波进行解调,分别解调出一次谐波信号和二次谐波信号,使用一次谐波信号归一化二次谐波信号,得到与甲烷浓度成正比的吸收信号,吸收信号与参考信号对比,得到光路测量部分中的甲烷气体浓度值,此浓度值为可能发生甲烷气体泄漏的气路空间中的甲烷的积分浓度值,积分浓度只能定性为甲烷有泄漏,但不能确定甲烷的泄漏量,在中心控制和计算单元18中,将得到的甲烷积分浓度值除以气路测距中得到的气路的往返长度(气路长度×2)得到气路空间中的甲烷的体积浓度值,此值能定量甲烷泄漏浓度。
[0024] 本发明中激光器1采用NEL的中心波长为1653.7nm的分布式反馈(DFB)激光器,光电探测器2采用的是InGaAs光电探测器(800-1700nm),中心控制和计算单元采用的是意法
半导体的STM32H7X系列
单片机。
[0025] 本发明的控制及信号处理部分中,电流控制器13可实现0-2000ma的电流输出、电流的控制
精度±1μA。温度控制器4可实现激光在0-60℃工作环境下稳定输出,控制精度可达10mK。
[0026] 信号发生器16模块可实现0.1Hz-40MHz
波形调制(含三
角波和正弦波),依据
采样频率和积分时间可确定最终实际探测的调制频率及
载波频率。
[0027] 前置放大器10用来实现光电信号的转换,将光电探测器2、测距探测器6转换的电压信号放大(电流信号则经过电流转电压模块后放大)。
[0028] 差分放大器12用来消除激光器1的自身功率抖动产生的噪声,从而进一步提高光电信号的
信噪比。
[0029] 锁相放大器15能够在极强噪声环境中提取信号幅值和
相位信息。锁相放大器15采用零差检测方法和低通滤波技术,测量相对于周期性参考信号的信号幅值和相位。锁相测量方法可提取以参考频率为中心的
指定频带内的信号,有效滤除所有其他频率分量。相敏
检波器的输出通过低通
滤波器压缩带宽,大量的宽带噪声被滤除,使锁相放大器15具有很强的抑制噪声能力。锁相放大器15的
通带宽度取决于
低通滤波器的时间常数,时间常数越长,带宽越窄,对信噪比的改善也就越高。信噪比的改善与时间常数(积分时间)的平方根成正比。
[0030] 激光波长锁定模块17将中心控制和计算单元18计算得出的反馈误差信号转化为电压信号叠加至激光器电流控制器13(电流控制器13内集成加法器及电压转电流模块,叠加电流后实现对输出波长的控制),从而实现对激光器1波长输出的反馈控制,使激光器1波长输出稳定。
[0031] 中心控制和计算单元18用于实现数据的信号采集、数据分析、反馈值信号输出、数据显示及传输等功能。
[0032] 本发明甲烷气体三种浓度检测及显示的检测装置中心控制和计算单元程序流程如下:如图2,对检测装置通电后,程序开始01,中心控制和计算单元18给其自有的功能部件和内存中的各个子程序,以及信号发生器16、脉冲信号发生器11和激光波长锁定模块17等预置初始值,即初始化系统和信号发生器等02。之后,中心控制和计算单元18通过控制脉冲信号发生器11发出脉冲信号03,中心控制和计算单元18内部计时器开始计时,接着,在步骤采集脉冲信号和谐波信号04中,中心控制和计算单元18采集前置放大器10送入的脉冲信号,同时读取内部
定时器的时间t,此时间值用于后面程序计算气路长度,中心控制和计算单元18同时采集锁相放大器送入的谐波信号,分析谐波信号,计算反馈误差信号是否有误差05,如果有误差,控制激光波长锁定模块06修订误差后计算待测气体信息、气路长度07,如果没有误差直接计算待测气体信息、气路长度07,此步骤计算出气路空间中的甲烷积分浓度值以及气路的长度,完成甲烷积分浓度值和气路长度测量以后,根据积分浓度和体积浓度的关系式计算甲烷PPM、VOL、LEL浓度08,三种类型浓度值分别计算后需要显示甲烷浓度值,显示浓度值前中心控制和计算单元18需查询显示方式标志位,确定三种浓度显示中的显示类型并且判断甲烷浓度显示方式是否
修改010,如果需要修改显示方式,则中心控制和计算单元18修改显示方式标志位修改显示方式09,然后显示011甲烷浓度值,如果不需要修改显示方式,则直接显示011甲烷浓度值,最后,在步骤012中,对甲烷浓度值是否超过报警
阈值进行判断,如超过,则于步骤013,进行声响报警;如未超过,则转回步骤03,继续进行不间断的探测。
[0033] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在
现有技术的
基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由
权利要求书所确定的保护范围内。