CN100510673C - 天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法。装置包括连接光纤(9)的激光器(1)和探测器(6)与控制处理器(10)电连接，特别是激光器(1)输出光谱为红外，光纤(9)另一端与置于散射光收集透镜(4)中心处的光纤折射率透镜(3)连接，探测器(6)位于透镜(4)焦点处；控制处理器(10)为嵌入式模块(8)与控制信号接口(2)、采集信号变换接口(7)和数据传输接口(5)电连接；方法为设定中断服务程序的时间片，以产生控制用正弦波、锯齿波，来获得数据采集的同步信号，采集一次、二次谐波信号，对转换成数字量数据进行处理和将其送数据传输接口及接受上位机指令。它能便捷地对天然气泄漏高效的实时监测。

Description

天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法

技术领域  本发明涉及一种管道泄漏探测装置及测法，尤其是天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法。

背景技术  目前，随着我国西部天然气向东输送工程的实施，在横贯东西纵穿南北的数万公里长的输气干线上，由天然气输气管网和其零部件法兰、阀门、泵及其密封圈上的小孔引起的泄漏是不可避免的，这种泄漏源有着成千上万，泄漏的气体不仅直接造成了经济损失，而且也是易燃易爆和污染之源。为此，人们作了一些尝试和努力，试图能及时地发现泄漏点，如在2004年9月1日公告的中国发明专利说明书CN 1164886C中披露的一种“基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法”。它意欲提供一种利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测的方法；实现方法的设备的构成为在油气管线附近与油气管线并行铺设一条或几条光缆，在光纤的两端分别设置有与计算机电连接的散射光检测模块和光脉冲发生器以及光功率检测模块，其中，散射光检测模块与光脉冲发生器置于光纤的输入端，光功率检测模块置于光纤的输出端。探测时，光纤上各点因瑞利散射或菲涅尔反射而产生背向散射光沿光纤返回到输入端，由散射光检测模块完成光纤上各点的静态和动态损耗的测量和定位，传播到光纤另一端的光由光功率检测模块检测，实现对整个光纤的损耗动态变化的测量和故障类型的判定；当管线发生泄漏或光纤附近有机械施工和人为破坏时，其产生的应力和冲击波会造成光纤的特性和损耗发生变化，光纤的瑞利散射和菲涅尔反射就会出现背向散射光和能量损耗的波动，这些信息将分别由散射光检测模块和光功率检测模块监测到并送往计算机，由其经分析和处理后作出判断及定位出泄漏点。但是，这种设备和其监测方法均存在着不足之处，首先，监测的灵敏度低，光纤一经埋设，即成固定式结构，仅当管道泄漏量足以引起光纤发生形变时才能使其产生传感器的效能，而对于小孔或微孔的泄漏，则根本不能监测到；其次，监测的准确性差，光纤不能区分是管道泄漏还是周围环境变化引起的光纤损耗的改变，如当外界车辆的震动或小的地震干扰或其它的振动都有可能使其产生误判；再次，该监测技术采用的是光脉冲，为了保证测试的连续性，每次只能允许光纤中有一个光脉冲传播，对该脉冲在沿途各点的连续散射和反射信号进行测试，为了保证每个测试点的准确性，还要对每个测试点进行多次测试并进行平均，因此该技术只能监测静态损耗和变化缓慢的扰动，不能实现管道泄漏的实时监测；最后，作为传感器的光纤的设置就是一个耗资巨大的工程，不仅所需光纤的量大、价高，且铺设困难，连日常的维护也难以进行。

发明内容  本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种体积小、实用、响应速度快、使用方便和维护成本低的天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法。

天然气管道泄漏激光遥感探测装置包括激光器的输出端与光纤相接，激光器的输入端和探测器的输出端与控制处理器电连接，特别是1)、所说激光器输出的光谱为红外；2)、所说光纤的另一端与置于散射光收集透镜中心处的光纤折射率透镜相连接，所说探测器位于散射光收集透镜的焦点处；3)、所说控制处理器为嵌入式模块分别与控制信号接口、采集信号变换接口和数据传输接口电连接，其中，所说嵌入式模块由微处理器和与其电连接的随机存储器、地址译码器组成，用于经控制信号接口控制激光器的触发时刻，对经采集信号变换接口送来的数字量进行运算和处理，及经数据传输接口输出探测的结果，所说控制信号接口由依次电连接的数模转换器、电流控制器和温度控制器组成，用于将来自嵌入式模块的数字量控制信号变换成控制激光器发光的模拟量信号，所说采集信号变换接口由依次电连接的模数转换器、两路锁相放大器、滤波器和前置放大器组成，用于将探测器输出的模拟量信号转换成数字量后送往嵌入式模块，所说数据传输接口由与嵌入式模块电连接的显示接口、报警端口和串行接口组成，用于将嵌入式模块处理后的数字量信号送往显示器、报警端口和上位计算机，并接受上位机的指令。

作为天然气管道泄漏激光遥感探测装置的进一步改进，所述的激光器为二极管激光器或量子级联激光器或钛宝石激光器；所述的嵌入式模块的微处理器为TI公司TMS320系列的DSP芯片，随机存储器为扩展的64k字节的存储器，用于暂存测量数据；所述的微处理器分别经其数据线、地址线和控制线与随机存储器、地址译码器电连接，随机存储器的输入端还与地址译码器的输出端电连接，用于实现嵌入式模块的功能；所述的控制信号接口的数模转换器为两只外接的十位D/A转换器，分别用于产生正弦波、锯齿波信号；所述的数模转换器中的两只D/A转换器的输出端经加法器后与电流控制器的输入端电连接，其中一只D/A转换器的输出端分接两路锁相放大器中的每路，数模转换器的输入端与微处理器的数据线和控制线以及地址译码器的输出端电连接，微处理器的两只I/O端口分别与电流控制器和温度控制器的输入端电连接，电流控制器和温度控制器的输出端与激光器的输入端电连接，用于实现微处理器对激光器的扫描控制；所述的采集信号变换接口的模数转换器为外接的16位多通道A/D转换器，用于提高数据处理的精度；所述的模数转换器的输入端依次经两路锁相放大器、滤波器和前置放大器与探测器的输出端以及地址译码器的输出端电连接，模数转换器的输出端与微处理器的数据线、控制线电连接，以将探测器输出的模拟量转换成一次、二次谐波信号，再转换成相应的数字信号后送往嵌入式模块进行运算和处理；所述的数据传输接口的显示接口的输入端与微处理器的数据线以及地址译码器的输出端电连接，用于实时显示微处理器的运算和处理结果，由蜂鸣器和放大电路组成的报警端口与微处理器的I/O端口电连接，用于对探测到的天然气进行实时声响报警，串行接口与微处理器的RX、TX端口电连接，以将微处理器的运算和处理结果送往上位计算机及接受上位机的指令。

天然气管道泄漏激光遥感探测装置的探测方法包括对激光器的发光控制、接收传感器的模拟量信号和输出数字量信号，特别是它是按以下步骤完成的：设定中断服务程序的时间片，并由中断服务程序产生控制用的正弦波、锯齿波，并获得相应的数据采集的同步信号，以由此控制激光器发光；根据数据采集的同步信号，确定采集的时刻，并由此分别采集一次、二次谐波信号；对转换成数字量的数据进行处理，即对数据进行数值滤波、找二次谐波信号的吸收峰值及所对应位置处的一次谐波数值，并计算二次与一次谐波信号的比值，然后将该比值换算成所对应的积分浓度；将处理后的数据送数据传输接口，即将其送显示器显示，同时将其与设定的报警阈值进行比较，若超过阈值便进行声响报警，如未超过阈值，则继续探测并随时接受上位计算机的指令。

相对于现有技术的有益效果是，其一，选用激光器输出的光谱为红外，且将与其相接的光纤的另一端与置于散射光收集透镜中心处的光纤折射率透镜相连接，并将探测器位于该散射光收集透镜的焦点处，使工作在与天然气分子红外吸收谱线特征相同光谱区段的激光器输出的激光，经由光纤和光纤折射率透镜准直后射向待测区域，由待测区域后面的地形物体将其散射，散射光由散射光收集透镜会聚在探测器上，当待测区域有泄漏气团时，装置就能检测出天然气泄漏信息，从而实现了对天然气管道泄漏的遥感探测。无论是天然气管道发生大的泄漏，还是管道上小孔或微孔的微量泄漏，均能立即判断出管道存在泄漏及泄漏点的位置，并能大大降低非天然气泄漏的各种误报的发生；其二，控制处理器采用嵌入式模块分别与控制信号接口、采集信号变换接口和数据传输接口电连接的构成形式，充分地利用数字处理技术，实现了信号快速分析和处理，既使装置独具智能性，能独立地完成对天然气泄漏的探测，又使其便于与上位计算机连接，实现数据和资源的共享，还有着体积小、重量轻、不需维护的优点；其三，使用方便，不仅便于随身携带进行探测，还可以机动车为平台，大大地提高探测的效率；其四，探测方法科学可行、效率高，探测的结果远好于现有技术。

附图说明  下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明的一种基本结构示意图；

图2是图1中控制处理器的一种电路原理图；

图3是实现本发明方法的主程序框图；

图4是图3中程序调用的中断服务子程序框图。

具体实施方式  参见图1、图2，工作在红外波段的二极管激光器1的输出端与光纤9相接，光纤9的另一端与光纤折射率透镜3相连接，光纤折射率透镜3位于散射光收集透镜4中心处的孔洞中，散射光收集透镜4的焦点处设置有探测器6。控制处理器10由嵌入式模块8分别与控制信号接口2、采集信号变换接口7和数据传输接口5电连接构成，其中：

嵌入式模块8由微处理器81和与其电连接的随机存储器82、地址译码器83组成。基于性价比的考虑，微处理器81选用TI公司TMS320系列的DSP芯片。为满足暂存测量数据的需求，随机存储器82为扩展的64k字节的存储器。微处理器81分别经其数据线、地址线和控制线与随机存储器82、地址译码器83电连接，随机存储器82的输入端还与地址译码器83的输出端电连接，用于实现嵌入式模块8的功能：完成经控制信号接口2控制激光器1的触发时刻、对经采集信号变换接口7送来的数字量进行运算和处理、及经数据传输接口5输出探测的结果。

控制信号接口2由依次电连接的数模转换器21、电流控制器22和温度控制器23组成。选用两只外接的十位D/A转换器作为数模转换器21，分别用于产生正弦波、锯齿波信号；两路D/A转换器的输出端经加法器后与电流控制器22的输入端电连接、其中一只D/A转换器的输出端分接两路锁相放大器72中的每路，数模转换器21的输入端与微处理器81的数据线和控制线以及地址译码器83的输出端电连接。微处理器81的两只I/0端口分别与电流控制器22和温度控制器23的输入端电连接，电流控制器22和温度控制器23的输出端与激光器1电连接，用于将来自嵌入式模块8的数字量控制信号变换成控制激光器1发光的模拟量信号，以实现微处理器81对激光器1的扫描控制。

采集信号变换接口7由依次电连接的模数转换器71、两路锁相放大器72、滤波器73和前置放大器74组成。为了提高数据处理的精度，模数转换器71选用外接的16位多通道A/D转换器。模数转换器71的输入端依次经两路锁相放大器72、滤波器73和前置放大器74与探测器6的输出端、以及地址译码器83的输出端电连接，模数转换器71的输出端与微处理器81的数据线、控制线电连接，以将探测器6输出的模拟量转换成一次、二次谐波信号，再转换成相应的数字信号后送往嵌入式模块8进行运算和处理。

数据传输接口5由与嵌入式模块8电连接的显示接口51、报警端口52和串行接口53组成，其中，显示接口51的输入端与微处理器81的数据线以及地址译码器83的输出端电连接、输出端与LCD显示器电连接，用于实时显示微处理器81的运算和处理结果；由蜂鸣器和放大电路组成的报警端口52与微处理器81的I/O端口电连接，用于对探测到的天然气进行实时声响报警；串行接口53与微处理器81的RX、TX端口电连接，以将微处理器81的运算和处理结果送往上位计算机及接受上位机的指令。

参见图1、图2、图3和图4，天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法的工作如下，其中，探测装置的工作过程为：二极管激光器1在控制处理器10的嵌入式模块8和控制信号接口2的调控下，即TMS320 DSP芯片通过定时中断产生正弦波、锯齿波数据信号后，经两只外接的十位D/A转换器转换成正弦波、锯齿波信号输出；其中，正弦波信号分别送往采集信号变换接口7中的两路锁相放大器72，以作为解调参考频率，同时正弦波与锯齿波信号经加法器叠加后送至电流控制器22进行激光频率扫描，以使二极管激光器1输出的光束频谱位于天然气甲烷分子的吸收峰位置。该激光束经光纤9、光纤折射率透镜3后准直发射向待测区域。当此光束穿过管道11泄漏的气团12，并由其后面的地形物体13散射，散射光就会由散射光收集透镜4收集会聚于InGaAs探测器6上。探测器6输出的信号经前置放大器74放大和滤波器73滤波后送到两路锁相放大器72进行一次和二次谐波信号检测，两路锁相放大器72解调后的信号送往16位多通道A/D转换器进行模数转换成数字信号，再交由嵌入式模块8进行分析和处理，从而立即就可得到探测点处的天然气泄漏情况，其结果通过LCD显示器显示或声响报警或送往上位计算机。

探测方法的工作流程为：对天然气管道泄漏激光遥感探测装置通电后，控制处理器10中的嵌入式模块8给其自有的功能部件和内存中驻有的各个子程序，以及控制信号接口2、采集信号变换接口7和数据传输接口5等预置初始值，即设定其初始工作状态和设定定时中断服务子程序的时间片(步骤100)。之后，嵌入式模块8通过控制信号接口2初始化激光器1的工作参数(步骤200)，即经工作电流控制器22、温度控制器23设置二极管激光器1的中心工作电流和工作温度。接着，在步骤300中，嵌入式模块8等待由上位计算机送来的用户命令，若用户选择修改参数，则在步骤400中进行参数的设定。若用户不选择修改参数，则跳转至步骤500。在步骤500，嵌入式模块8判断一帧数据是否采集完？若未完，则再取转回步骤300；中断服务子程序的运行是由嵌入式模块8中自有的功能部件定时器来定时激活的，其运行过程为：首先保护中断现场(步骤2100)；接着，启动A/D转换器采集一次、二次谐波信号(步骤2200)；之后，在步骤2300和2400中，分别更新正弦波扫描数据送D/A转换器和更新锯齿波扫描数据送D/A转换器；然后，将该次采集的A/D转换值存入存储器(步骤2500)；最后，分别于步骤2600和2700中，先恢复中断现场，再返回主程序。在主程序中判断若已采集完，则在步骤600计算吸收峰的位置，即找二次谐波信号的吸收峰值及所对应位置处的一次谐波数值。接着，在步骤700中，计算二次与一次谐波信号的比值。然后，将该比值换算成所对应的积分浓度(步骤800)。之后，在步骤900，将处理的结果送LCD显示器显示。最后，在步骤1000，对结果是否超过报警阈值进行判断？如超过，则于步骤1100，进行声响报警；如未超过，则转回步骤300，继续进行不间断的探测。在此期间，嵌入式模块8可随时接受上位计算机的指令。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1、一种天然气管道泄漏激光遥感探测装置，包括激光器(1)的输出端与光纤(9)相接，激光器(1)的输入端和探测器(6)的输出端与控制处理器(10)电连接，其特征在于：

1.1、所说激光器(1)输出的光谱为红外；

1.2、所说光纤(9)的另一端与置于散射光收集透镜(4)中心处的光纤折射率透镜(3)相连接，所说探测器(6)位于散射光收集透镜(4)的焦点处；

1.3、所说控制处理器(10)为嵌入式模块(8)分别与控制信号接口(2)、采集信号变换接口(7)和数据传输接口(5)电连接，其中，

1.3.1、所说嵌入式模块(8)由微处理器(81)和与其电连接的随机存储器(82)、地址译码器(83)组成，用于经控制信号接口(2)控制激光器(1)的触发时刻，对经采集信号变换接口(7)送来的数字量进行运算和处理，及经数据传输接口(5)输出探测的结果，

1.3.2、所说控制信号接口(2)由依次电连接的数模转换器(21)、电流控制器(22)和温度控制器(23)组成，用于将来自嵌入式模块(8)的数字量控制信号变换成控制激光器(1)发光的模拟量信号，

1.3.3、所说采集信号变换接口(7)由依次电连接的模数转换器(71)、两路锁相放大器(72)、滤波器(73)和前置放大器(74)组成，用于将探测器(6)输出的模拟量信号转换成数字量后送往嵌入式模块(8)，

1.3.4、所说数据传输接口(5)由与嵌入式模块(8)电连接的显示接口(51)、报警端口(52)和串行接口(53)组成，用于将嵌入式模块(8)处理后的数字量信号送往显示器、报警端口(52)和上位计算机，并接受上位机的指令。

2、根据权利要求1所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是激光器(1)为二极管激光器或量子级联激光器或钛宝石激光器。

3、根据权利要求1所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是嵌入式模块(8)的微处理器(81)为TI公司TMS320系列的DSP芯片，随机存储器(82)为扩展的64k字节的存储器，用于暂存测量数据。

4、根据权利要求3所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是微处理器(81)分别经其数据线、地址线和控制线与随机存储器(82)、地址译码器(83)电连接，随机存储器(82)的输入端还与地址译码器(83)的输出端电连接，用于实现嵌入式模块(8)的功能。

5、根据权利要求4所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是控制信号接口(2)的数模转换器(21)为两只外接的十位D/A转换器，分别用于产生正弦波、锯齿波信号。

6、根据权利要求5所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是数模转换器(21)中的两只D/A转换器的输出端经加法器后与电流控制器(22)的输入端电连接，其中一只D/A转换器的输出端分接两路锁相放大器(72)中的每路，数模转换器(21)的输入端与微处理器(81)的数据线和控制线以及地址译码器(83)的输出端电连接，微处理器(81)的两只I/O端口分别与电流控制器(22)和温度控制器(23)的输入端电连接，电流控制器(22)和温度控制器(23)的输出端与激光器(1)的输入端电连接，用于实现微处理器(81)对激光器(1)的扫描控制。

7、根据权利要求6所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是采集信号变换接口(7)的模数转换器(71)为外接的16位多通道A/D转换器，用于提高数据处理的精度。

8、根据权利要求7所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是模数转换器(71)的输入端依次经两路锁相放大器(72)、滤波器(73)和前置放大器(74)与探测器(6)的输出端以及地址译码器(83)的输出端电连接，模数转换器(71)的输出端与微处理器(81)的数据线、控制线电连接，以将探测器(6)输出的模拟量转换成一次、二次谐波信号，再转换成相应的数字信号后送往嵌入式模块(8)进行运算和处理。

9、根据权利要求8所述的天然气管道泄漏激光遥感探测装置，其特征是数据传输接口(5)的显示接口(51)的输入端与微处理器(81)的数据线以及地址译码器(83)的输出端电连接，用于实时显示微处理器(81)的运算和处理结果，由蜂鸣器和放大电路组成的报警端口(52)与微处理器(81)的I/O端口电连接，用于对探测到的天然气进行实时声响报警，串行接口(53)

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