基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備、結(jié)合多次反射開放式氣體池的車載城市天然氣管道泄漏檢測的設(shè)備。該系統(tǒng)具有測量時(shí)不受水氣等其他氣體成份干擾、測量靈敏度高（達(dá)到1-2ppm）、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。使得車載系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確的沿道路檢測出天然氣泄漏點(diǎn)及泄漏強(qiáng)度。該設(shè)備包括TDLAS的激光器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)探測、信號(hào)處理等部分，包括一開放式多次反射氣體池，一GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，車載電腦等。本發(fā)明利用了TDLAS技術(shù)、多次反射池技術(shù)及GPS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車載快速、準(zhǔn)確檢測天然氣管道泄漏檢測的功能。
【專利說明】基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天然氣泄漏檢測設(shè)備領(lǐng)域，具體是一種基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的需求也在快速增加，橫貫東西縱穿南北的輸氣干線已經(jīng)全面實(shí)施，天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中所占的比例正逐漸加大。城市天然氣系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市的“生命線”和城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，天然氣供應(yīng)管道化更是城市現(xiàn)代化的主要標(biāo)志之一。天然氣是一種無毒無色無味的氣體，其主要成分是甲烷(約95%以上)，同時(shí)含有少量的乙烷、丙烷、丁烷等烷烴。天然氣的爆炸極限為5%?15%，屬甲類化學(xué)危險(xiǎn)品，稍有泄漏，很容易與空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇到火源就可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。但是在天然氣的傳輸過程中，天然氣管道漏失現(xiàn)象嚴(yán)重，漏失的天然氣量一般要占輸氣總量的10%左右，不僅造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，而且在近幾年還引發(fā)了多次嚴(yán)重的爆炸事故，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命安全，因此必須對(duì)天然氣管道進(jìn)行及時(shí)檢測以便發(fā)現(xiàn)天然氣管道的泄漏。天然氣管線泄漏檢測是一項(xiàng)艱苦的過程，近年來因城市管道網(wǎng)絡(luò)泄漏造成的事故時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)有探測技術(shù)難以滿足日益增長的天然氣工業(yè)發(fā)展的需求，車載式天然氣管道泄漏探測技術(shù)能夠以40km/h的速度沿城市道路對(duì)天然氣管道進(jìn)行泄漏檢測，對(duì)提高管道泄漏檢測效率、減少事故發(fā)生具有重大的社會(huì)意義。
[0003]大氣中甲烷氣體的含量在1至2ppm，也就是說當(dāng)檢測到大氣中甲烷含量達(dá)到4ppm時(shí)就可能是出現(xiàn)了天然氣的泄漏，這就要求甲烷檢測設(shè)備的靈敏度達(dá)到ppm量級(jí)。目前天然氣管道泄漏的檢測方法有很多種，如火焰電離探測，超聲測試、電化學(xué)傳感器、非色散紅外吸收等方法，這些方法中只有火焰電離探測、非色散紅外吸收能用于車載天然氣探測。但是火焰電離探測需要使用氫氣作為待測氣體載氣，使用很不方便，并且氫氣也是一種易燃易爆的氣體，攜帶大量氫氣也會(huì)帶來一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)火焰電離探測的檢測速度比較滿，車載效率不高。非色散紅外吸收探測氣體濃度時(shí)，易受水氣、灰塵等現(xiàn)場條件的影響，造成誤判。
[0004]可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(tunabled1de laser absorpt1n spectroscopy,TDLAS)技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種痕量氣體檢測技術(shù)，TDLAS系統(tǒng)利用激光二極管有很高的光譜分辨率和可調(diào)諧性，可以對(duì)特定分子在特定光譜范圍內(nèi)的一條振轉(zhuǎn)線的光譜吸收進(jìn)行測量，從而能夠把待測分子與背景的干擾區(qū)分開來，完全能夠消除氣體氣體對(duì)待測氣體濃度的干擾，同時(shí)利用半導(dǎo)體激光器快速響應(yīng)的性質(zhì)，結(jié)合諧波調(diào)制技術(shù)，可使TDLAS技術(shù)能夠測量痕量氣體的濃度。因此，基于TDLAS技術(shù)的車載氣體檢測技術(shù)在天然氣管道泄漏檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為: 基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:包括有多次反射池和TDLAS系統(tǒng)，所述多次反射池和TDLAS系統(tǒng)共同制作成汽車保險(xiǎn)杠的形式并取代汽車保險(xiǎn)桿安裝在汽車前部，其中多次反射池設(shè)置在中間位置，TDLAS系統(tǒng)設(shè)置在一端，TDLAS系統(tǒng)提供激光，激光進(jìn)入多次反射池中與待測氣體作用后返回至TDLAS系統(tǒng)，由TDLAS系統(tǒng)根據(jù)返回信號(hào)處理獲得甲烷氣體濃度。
[0007]所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述多次反射池基于White cell反射池原理,或者是Herr1tt cell反射池原理,或者是Cavity ring-down cell反射池原理設(shè)計(jì)，多次反射池包括一對(duì)分別由支架支撐并對(duì)稱設(shè)置的反射鏡片，由兩反射鏡片構(gòu)成氣體開放式結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述TDLAS系統(tǒng)包括工作波長為1.653um的半導(dǎo)體DFB激光器、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、光電探測器、前置放大電路、鎖相放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路；
所述DFB激光器由激光器高精度溫控系統(tǒng)控制，通過激光器高精度溫控系統(tǒng)控制將DFB激光器發(fā)射中心波長穩(wěn)定置于1.653um處，同時(shí)由80Hz掃描信號(hào)與64KHz調(diào)制信號(hào)疊加的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)DFB激光器發(fā)射激光，DFB激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至多次反射池，激光在多次反射池中多次反射并與進(jìn)入多次反射池中的待測氣體作用后從多次反射池出射至聚焦透鏡，經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚至光電探測器，由光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)依次經(jīng)過前置放大電路放大、鎖相放大器處理后，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入車載電腦，車載電腦對(duì)送入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理獲得待測氣體濃度信息，再對(duì)待測氣體濃度信息進(jìn)行濃度反演后獲得甲烷的氣體濃度。
[0009]所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述鎖相放大器采用二倍頻信號(hào)128KHZ正弦波作為參考信號(hào)，對(duì)前置放大電路放大后的模擬電信號(hào)進(jìn)行處理。
[0010]所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述車載電腦連接有車載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明結(jié)合了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法的開放式反射池結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高精度測量。結(jié)合GPS及車載電腦，可快速的繪制出沿城市道路的天然氣管道泄漏點(diǎn)的分布地圖。
[0012]本發(fā)明利用甲烷氣體在近紅外光譜區(qū)的特征吸收，使用一臺(tái)近紅外波段DFB半導(dǎo)體激光器進(jìn)行甲烷濃度測量，同時(shí)采用了諧波調(diào)制技術(shù)和開放式的多次反射池實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高靈敏度檢測。將整套設(shè)備安裝于汽車前部保險(xiǎn)杠的位置，距離地面20-30cm處，檢測結(jié)構(gòu)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)狡噧?nèi)部的車載電腦上，并結(jié)合GPS衛(wèi)星定位功能快速的將天然氣管道泄漏點(diǎn)位置放置與城市地圖上，方便維修人員定點(diǎn)施工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明設(shè)備整體正視圖。
[0014]圖2為本發(fā)明設(shè)備整體側(cè)視圖。
[0015]圖3為本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖。
[0016]圖4為本發(fā)明運(yùn)行流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1、圖2所示，基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，包括有多次反射池1和TDLAS系統(tǒng)2，多次反射池1和TDLAS系統(tǒng)2共同制作成汽車保險(xiǎn)杠的形式并取代汽車保險(xiǎn)桿安裝在汽車3前部，其中多次反射池1設(shè)置在中間位置，TDLAS系統(tǒng)2設(shè)置在一端，TDLAS系統(tǒng)2提供激光，激光進(jìn)入多次反射池1中與待測氣體作用后返回至TDLAS系統(tǒng)2，由TDLAS系統(tǒng)2根據(jù)返回信號(hào)處理獲得甲烷氣體濃度。
[0018]如圖3所示。多次反射池基于White cell反射池原理,或者是Herr1tt cell反射池原理，或者是Cavity ring-down cell反射池原理設(shè)計(jì),多次反射池包括一對(duì)分別由支架支撐并對(duì)稱設(shè)置的反射鏡片，由兩反射鏡片構(gòu)成氣體開放式結(jié)構(gòu)。
[0019]TDLAS系統(tǒng)包括工作波長為1.653um的半導(dǎo)體DFB激光器、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、光電探測器、前置放大電路、鎖相放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路；
DFB激光器由激光器高精度溫控系統(tǒng)控制，通過激光器高精度溫控系統(tǒng)控制將DFB激光器發(fā)射中心波長穩(wěn)定置于1.653um處，同時(shí)由80Hz掃描信號(hào)與64KHz調(diào)制信號(hào)疊加的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)DFB激光器發(fā)射激光，DFB激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至多次反射池，激光在多次反射池中多次反射并與進(jìn)入多次反射池中的待測氣體作用后從多次反射池出射至聚焦透鏡，經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚至光電探測器，由光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)依次經(jīng)過前置放大電路放大、鎖相放大器處理后，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入車載電腦4，車載電腦4對(duì)送入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理獲得待測氣體濃度信息，再對(duì)待測氣體濃度信息進(jìn)行濃度反演后獲得甲烷的氣體濃度。
[0020]鎖相放大器采用二倍頻信號(hào)128KHz正弦波作為參考信號(hào)，對(duì)前置放大電路放大后的模擬電信號(hào)進(jìn)行處理。
[0021 ] 車載電腦4連接有車載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)5。
[0022]本發(fā)明利用甲烷氣體在近紅外的的特征吸收峰進(jìn)行氣體濃度檢測，甲烷氣體在近紅外有兩個(gè)吸收譜帶——1.6um和3.3um，但是考慮到3.3um波段目前沒有成熟的半導(dǎo)體光源，所以本發(fā)明選擇1.653um作為測量甲烷濃度的工作波長。但是，1.653um波長處，甲烷的吸收線強(qiáng)為1.313E-21cm-1/ (molecule.cm_2)，低于3.3um處吸收強(qiáng)度。為了達(dá)到ppm量級(jí)的甲烷濃度檢測靈敏度，本發(fā)明需要結(jié)合多次反射池，使有效測量光程大于10米。
[0023]本發(fā)明通過精確的溫度控制系統(tǒng)，使半導(dǎo)體激光器的輸出波長鎖定與甲烷吸收峰1.653um的中心位置，然后通過疊加80Hz低頻掃描信號(hào)與64KHz高頻調(diào)制信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過氣體吸收后的信號(hào)被探測電路探測并被鎖相放大器解調(diào)后，獲得氣體濃度信息。經(jīng)過濃度反演得到甲烷的氣體濃度。
[0024]多次反射池可以米用White cell 或 Herr1tt cell 或 Cavity ring-down cell。利用兩片或多片反射鏡使經(jīng)過準(zhǔn)直的激光光束在兩面反射鏡間多次反射，增長與氣體作用的光程。本發(fā)明設(shè)計(jì)的多次反射池省略掉了氣室壁的結(jié)構(gòu)，氣室開放置于空氣中，使得甲烷氣體在汽車的移動(dòng)下能自由的進(jìn)入氣室。
[0025]TDLAS系統(tǒng)與多次反射池通過機(jī)械結(jié)構(gòu)制作成轎車保險(xiǎn)杠的形狀代替保險(xiǎn)杠安裝于轎車前部位置，當(dāng)轎車前進(jìn)時(shí)如果附近存在天然氣泄漏，泄漏的氣體會(huì)流過開放的多次反射池，被檢測器探測到濃度信息。檢測結(jié)果通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到車載電腦上，結(jié)合GPS定位系統(tǒng)將泄漏點(diǎn)位置信息結(jié)合到城市地圖上，完成快速、準(zhǔn)確的天然氣泄漏檢測。
[0026]本發(fā)明是一種車載的、基于TDLAS技術(shù)的結(jié)合多次反射池的一種天然氣泄漏檢測技術(shù)。其整體結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。TDLAS系統(tǒng)與多次反射池通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為類似汽車保險(xiǎn)杠的型式，替代保險(xiǎn)杠安裝于汽車前部距離地面20 — 30cm高的位置。當(dāng)汽車沿道路前進(jìn)時(shí)，如果存在天然氣泄漏點(diǎn)，泄漏的天然氣將會(huì)進(jìn)入開放式的多次反射池，工作激光將會(huì)多次穿過被探測氣體，獲得氣體濃度。氣體濃度信息經(jīng)過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)杰囕d電腦上，車載電腦同時(shí)連接GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，當(dāng)探測天然氣濃度大于規(guī)定值時(shí)，車載電腦將自動(dòng)記錄GPS的位置坐標(biāo)，自動(dòng)繪制泄漏點(diǎn)地圖。
[0027]如圖3所示，是本發(fā)明中天然氣泄漏檢測設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)原理圖。1.653um波長的DFB激光器由激光器高精度溫控系統(tǒng)控制,將激光器發(fā)射中心波長穩(wěn)定的置于1.653um處，然后經(jīng)由80Hz掃描信號(hào)與64KHz調(diào)制信號(hào)疊加的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射激光。激光經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入多次反射池，多次反射池可以采用White cell或Herr1tt cell或Cavityring-down cell的多種結(jié)構(gòu)，多次反射池設(shè)計(jì)去除池壁結(jié)構(gòu)，成為一種開放的反射池。在多次反射池中多次反射的激光經(jīng)過透鏡聚焦后匯聚到光電探測器上，經(jīng)前置放大電路放大后進(jìn)入鎖相放大器，鎖相放大器采用二倍頻信號(hào)128KHZ正弦波為參考信號(hào)，對(duì)光電探測的信號(hào)進(jìn)行處理，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過數(shù)據(jù)線送入車載電腦數(shù)據(jù)處理后獲得待測氣體濃度信肩、Ο
[0028]如圖4所示，是整機(jī)運(yùn)行的流程圖。首先對(duì)于圖中左側(cè)的天然氣泄漏檢測設(shè)備，設(shè)備啟動(dòng)后激光器在激光器驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)下發(fā)射激光工作，激光透過待測氣體進(jìn)行氣體濃度信息的測量，測量結(jié)果經(jīng)過信號(hào)處理獲得待測氣體的濃度結(jié)果。圖中右測部分是車載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其功能為不斷的獲取轎車所在位置的絕對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)。兩者之間通過車載電腦進(jìn)行信號(hào)同步——當(dāng)車載電腦從天然氣泄漏檢測設(shè)備獲取的氣體濃度大于設(shè)定濃度時(shí)，認(rèn)定為當(dāng)前位置存在天然氣泄漏。此時(shí)，車載電腦從GPS獲取當(dāng)前位置的絕對(duì)坐標(biāo)，并將氣體濃度值安裝絕對(duì)坐標(biāo)值繪制與車載電腦內(nèi)部的城市地圖上。最后將此泄漏點(diǎn)地圖通過無線方式發(fā)送到單位，并由維護(hù)人員根據(jù)此泄漏點(diǎn)地圖進(jìn)行天然氣管道的定點(diǎn)維修。實(shí)現(xiàn)了天然氣管道泄漏的快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)檢測。
【權(quán)利要求】
1.基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:包括有多次反射池和TDLAS系統(tǒng)，所述多次反射池和TDLAS系統(tǒng)共同制作成汽車保險(xiǎn)杠的形式并取代汽車保險(xiǎn)桿安裝在汽車前部，其中多次反射池設(shè)置在中間位置，TDLAS系統(tǒng)設(shè)置在一端，TDLAS系統(tǒng)提供激光，激光進(jìn)入多次反射池中與待測氣體作用后返回至TDLAS系統(tǒng)，由TDLAS系統(tǒng)根據(jù)返回信號(hào)處理獲得甲烷氣體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述多次反射池基于White cell反射池原理,或者是Herr1tt cell反射池原理，或者是Cavity ring-down cell反射池原理設(shè)計(jì),多次反射池包括一對(duì)分別由支架支撐并對(duì)稱設(shè)置的反射鏡片，由兩反射鏡片構(gòu)成氣體開放式結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述TDLAS系統(tǒng)包括工作波長為1.653um的半導(dǎo)體DFB激光器、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、光電探測器、前置放大電路、鎖相放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路； 所述DFB激光器由激光器高精度溫控系統(tǒng)控制，通過激光器高精度溫控系統(tǒng)控制將DFB激光器發(fā)射中心波長穩(wěn)定置于1.653um處，同時(shí)由80Hz掃描信號(hào)與64KHz調(diào)制信號(hào)疊加的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)DFB激光器發(fā)射激光，DFB激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至多次反射池，激光在多次反射池中多次反射并與進(jìn)入多次反射池中的待測氣體作用后從多次反射池出射至聚焦透鏡，經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚至光電探測器，由光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)依次經(jīng)過前置放大電路放大、鎖相放大器處理后，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入車載電腦，車載電腦對(duì)送入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理獲得待測氣體濃度信息，再對(duì)待測氣體濃度信息進(jìn)行濃度反演后獲得甲烷的氣體濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述鎖相放大器采用二倍頻信號(hào)128KHZ正弦波作為參考信號(hào)，對(duì)前置放大電路放大后的模擬電信號(hào)進(jìn)行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，其特征在于:所述車載電腦連接有車載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】F17D5/02GK104315348SQ201410541852
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】閻杰, 周宇, 高美麗 申請(qǐng)人:安徽皖儀科技股份有限公司