CN105572060A - 气体泄漏的检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体泄漏的检测装置及方法，所述检测装置包括：覆盖待检测气体的吸收谱线的测量光经过出射单元后射入待测区域内；接收单元收集测量光与待检测气体相互作用后的检测光；与待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过接收单元后成像在面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；移动单元移动面阵探测器，使不同待测面的检测光成像在所述面阵探测器上；分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与不同待测面对应的光信号，获得与待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度；根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定此刻待测区域内的待测面相对接收单元的位置，获得待检测气体团的尺寸和位置。本发明具有检测准确、功能强大等优点。

Description

气体泄漏的检测装置及方法
技术领域
本发明涉及气体检测，尤其涉及气体泄漏的检测装置及方法。
背景技术
有毒气体泄漏是非常危险的，发生泄漏时，只有找准泄漏点，才能实施有效的修复，如封堵泄漏孔洞。传统的检漏方式为：用检漏液涂敷在可疑泄漏位置通过是否有气泡来判断泄漏点。目前，基于气体红外吸收原理的气体泄漏检测仪的使用较为普遍。随着红外成像技术的发展，气体泄漏红外成像检测技术以其高效率、远距离、大范围、动态直观等显著优势，逐渐成为气体泄漏检测领域所关注的技术。气体泄漏红外成像检测技术有几种类型：
第一种，采用(主动式或被动式)宽波段光源，光源光谱覆盖被测气体的红外吸收波段，在焦面阵探测器上接收红外光束，通过对比红外辐射强度的大小，确定是否在光路上存在被测气体吸收，并通过数据处理重构出气体的泄漏图像。这种宽波段气体泄漏红外成像检测技术的干扰大，容易受其他气体红外吸收的干扰，景物热辐射的影响，造成气体泄漏检测误报警。
第二种，采用单色激光光源，激光波长位于被测气体的红外吸收峰的中心波长，光束照射到待检测的区域，光束被散射或者反射回光学收集系统，光能量被红外成像探测器接收并成像。在有被测泄漏气体出现在摄像区域，返回激光检测系统的激光强度由于经过气团的吸收而减弱，泄漏气团出现区域的视频图像产生对比变化。
第三种，气体泄漏成像检测仪器发射出两个波长的激光束，其中一束激光波长位于被测气体吸收峰的中心波长，另一束激光波长位于没有被测气体吸收的波长处。利用这两束激光束穿过泄漏区域后的光强差值来探测泄漏气体，并在红外成像探测器上成像。
第二、三种气体泄漏成像检测仪采用了单色激光光源，成像时不受干扰，但是由于探测下限浓度高，微小的泄漏或者是被测气体浓度比较低的管道泄漏很难被检测到，即使检测到泄漏图像，由于对比度很小，很难定位出泄漏点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种检测准确、多功能的气体泄漏的检测装置。
本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种气体泄漏的检测装置，所述气体泄漏的检测装置包括：
光源，所述光源发出的测量光的波长覆盖待检测气体的吸收谱线对应的波长；
出射单元，所述测量光经过所述出射单元后射入待测区域内；
接收单元，所述接收单元用于收集所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用后的检测光；
面阵探测器，与所述待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过所述接收单元后成像在所述面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；
移动单元，所述移动单元用于移动所述面阵探测器，使所述待测区域内的不同待测面上各点对应的检测光成像在所述面阵探测器上；
分析单元，所述分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与所述待测区域内的不同待测面对应的光信号，获得与所述待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度；并根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定待测区域内的待测面相对接收单元的位置，进而获得待检测气体团的尺寸、位置。
根据上述的气体泄漏的检测装置，优选地，所述光源是激光器。
根据上述的气体泄漏的检测装置，优选地，所述出射单元采用光扩束器件或光反射器件，所述接收单元采用光会聚器件。
本发明的目的还在于提供了一种准确、多功能的气体泄漏的检测方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：
气体泄漏的检测方法，所述气体泄漏的检测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光射入待测区域内，所述测量光的波长覆盖待检测气体的吸收谱线对应的波长；
(A2)所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用；
(A3)收集所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用后的检测光；
(A4)与所述待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过收集后成像在面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；
(A5)分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与所述待测区域内的待测面对应的电信号，从而获得与所述待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度；
分析单元根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定待测区域内的待测面相对接收单元的位置，进而获得待检测气体团的尺寸、位置；
(A6)移动所述面阵探测器，进入步骤(A4)。
根据上述的气体泄漏的检测方法，优选地，所述柱浓度的获得方式为：
分析单元通过锁相放大所述电信号而获得二次谐波和奇次谐波，通过计算二次谐波和奇次谐波幅值的商而获知待检测气体的柱浓度。
根据上述的气体泄漏的检测方法，优选地，在步骤(A6)中，在光轴方向上移动所述面阵探测器，使得所述面阵探测器在所述光轴上的投影在所述光轴上移动，且所述投影不为零。
根据上述的气体泄漏的检测方法，优选地，所述面阵探测器在所述接收单元的焦点的两侧往返移动。
根据上述的气体泄漏的检测方法，优选地，所述光源是激光器，调制所述激光器，使所述测量光的波长覆盖所述待检测气体的吸收谱线对应的波长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的技术具有极低的探测下限，测量灵敏度高，能够测量出微量的气体泄漏；
2.本发明的技术能够大面积的覆盖被测区域，将泄露气团按照浓度的梯度在显示屏上成立体像，便于用户在泄漏点的侦测时准确、高效；
根据光学成像原理进一步地获得了待测气体团在空间形状及空间位置；
3.本发明的技术不受背景气体的交叉干扰，测量准确性高。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1为本发明实施例的气体泄漏的检测装置的基本结构图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的气体泄漏的检测装置的结构图，如图1所示，所述检测装置包括：
光源，如半导体激光器，所述光源发出的测量光的波长覆盖待检测气体(如甲烷)的吸收谱线对应的波长；
出射单元，所述测量光经过光扩束器件或光反射器件(如凸面反射镜)出射单元后射入待测区域内；
接收单元，所述接收单元用于收集所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用后的检测光；接收单元可采用凸透镜、菲涅尔透镜或具有成像功能的透镜组等；
面阵探测器，与所述待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过所述接收单元后成像在所述面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；所述面阵探测器可采用面阵电荷耦合探测器、面阵互补金属氧化物半导体探测器、面阵热电堆探测器或面阵热电偶探测器；
移动单元，所述移动单元用于移动所述面阵探测器，使所述待测区域内的不同待测面上各点对应的检测光成像在所述面阵探测器上；
分析单元，所述分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与所述待测区域内的不同待测面对应的光信号，获得与所述待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度；并根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定待测区域内的待测面相对接收单元的位置，进而获得待检测气体团的尺寸、位置，如空间形状、空间位置以及气体团内各点的气体浓度的分布。
本发明实施例的气体泄漏的检测方法，也即上述检测装置的工作过程，所述气体泄漏的检测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光射入待测区域内，所述测量光的波长覆盖待检测气体的吸收谱线对应的波长；
(A2)所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用，如测量光被所述待检测气体选择性吸收或散射；
(A3)收集所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用后的检测光；
(A4)与所述待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过收集后成像在面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；
(A5)分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与所述待测区域内的不同待测面对应的电信号，获得与所述待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度：
若柱浓度大于零，表明待测区域具有待检测气体，已经发生泄漏；
若柱浓度等于零，表明没有发生泄漏；
分析单元利用光学成像技术处理面阵探测器相对接收单元的位置，从而确定待测区域内的待测面相对接收单元的位置，进而获得待检测气体团的尺寸、位置，也即待测气体团的空间形状、空间位置以及气体团内气体浓度的分布；
(A6)移动所述面阵探测器，进入步骤(A4)。
为了快速、准确地获得所述柱浓度，进一步地，所述柱浓度的获得方式为：
分析单元通过锁相放大所述电信号而获得偶次谐波和奇次谐波，通过计算偶次谐波和奇次谐波幅值的商而获知待检测气体的柱浓度。
为了获得待测区域内各待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度，进一步地地，在步骤(A6)中，在光轴方向上移动所述面阵探测器，使得所述面阵探测器在所述光轴上的投影在所述光轴上移动，且所述投影不为零。所述面阵探测器在所述接收单元的焦点的两侧往返移动。
实施例2：
根据本发明实施例1的气体泄漏的检测装置及方法在管道内天然气泄漏检测中的应用例。
在该应用例中，光源采用半导体激光器，发射出的测量光波长对应于甲烷的吸收谱线；凹透镜作为发射单元，为测量光扩束；凸透镜作为接收单元，使得待测区域内检测面上各点对应的检测光成像在二维面阵探测器上；面阵探测器安装在导轨上，采用步进电机去移动导轨上的面阵探测器，使得面阵探测器在所述凸透镜的焦点两侧的光轴上来回移动，从而使得待测区域内不同待测面上各点对应的探测光成像在面阵探测器上；面阵探测器输出的电信号经过锁相放大后得到二次谐波和一次谐波信号，利用二次谐波与一次谐波信号的商获得所述各点对应的甲烷的柱浓度，并根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定此刻待测区域内的待测面相对接收单元的位置，获得待检测甲烷气体团的尺寸和气体团相对检测装置的位置，也即甲烷气体团的空间形状、空间位置以及气体团内气体浓度的分布。

Claims (8)

1.一种气体泄漏的检测装置，其特征在于：所述气体泄漏的检测装置包括：
光源，所述光源发出的测量光的波长覆盖待检测气体的吸收谱线对应的波长；
出射单元，所述测量光经过所述出射单元后射入待测区域内；
接收单元，所述接收单元用于收集所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用后的检测光；
面阵探测器，与所述待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过所述接收单元后成像在所述面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；
移动单元，所述移动单元用于移动所述面阵探测器，使所述待测区域内的不同待测面上各点对应的检测光成像在所述面阵探测器上；
分析单元，所述分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与所述待测区域内的不同待测面对应的光信号，获得与所述待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度；并根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定待测区域内的待测面相对接收单元的位置，进而获得待检测气体团的尺寸、位置。
2.根据权利要求1所述的气体泄漏的检测装置，其特征在于：所述光源是激光器。
3.根据权利要求1所述的气体泄漏的检测装置，其特征在于：所述出射单元采用光扩束器件或光反射器件，所述接收单元采用光会聚器件。
4.气体泄漏的检测方法，所述气体泄漏的检测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光射入待测区域内，所述测量光的波长覆盖待检测气体的吸收谱线对应的波长；
(A2)所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用；
(A3)收集所述测量光与所述待测区域内的待检测气体相互作用后的检测光；
(A4)与所述待测区域内的待测面上各点对应的检测光经过收集后成像在面阵探测器上，输出的电信号送分析单元；
(A5)分析单元根据光谱分析技术处理接收到的与所述待测区域内的待测面对应的电信号，从而获得与所述待测面上各点对应的待检测气体的柱浓度；
分析单元根据面阵探测器相对接收单元的位置来确定待测区域内的待测面相对接收单元的位置，进而获得待检测气体团的尺寸、位置；
(A6)移动所述面阵探测器，进入步骤(A4)。
5.根据权利要求4所述的气体泄漏的检测方法，其特征在于：所述柱浓度的获得方式为：
分析单元通过锁相放大所述电信号而获得偶次谐波和奇次谐波，通过计算偶次谐波和奇次谐波幅值的商而获知待检测气体的柱浓度。
6.根据权利要求4所述的气体泄漏的检测方法，其特征在于：在步骤(A6)中，在光轴方向上移动所述面阵探测器，使得所述面阵探测器在所述光轴上的投影在所述光轴上移动，且所述投影不为零。
7.根据权利要求6所述的气体泄漏的检测方法，其特征在于：所述面阵探测器在所述接收单元的焦点的两侧往返移动。
8.根据权利要求4所述的气体泄漏的检测方法，其特征在于：所述光源是激光器，调制所述激光器，使所述测量光的波长覆盖所述待检测气体的吸收谱线对应的波长。
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