CN101595375A - 泄漏检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种泄漏检测器(1)，所述泄漏检测器(1)适合于通过检测第二物质的物理/化学性质变化来检测第一物质的泄漏(40)。所述泄漏检测器包括量子级联激光器(5)和检测器(35)。

Description

泄漏检测系统和方法
本发明涉及用于泄漏检测的系统和方法。具体地，本发明涉及非特定对于泄漏气体的气体泄漏检测。
发明背景
在许多处理气体物质的工业中，诸如效率改善以及健康和安全要求的考虑导致日益增加的对气体泄漏检测技术的需要。检测泄漏是关键的应用的实例包括位于气溶胶工厂的丁烷装料管线以及天然气管道，其中泄漏的安全含义是不言自明的。
在现有技术泄漏检测器中，通过各种技术之一如光致电离、火焰电离、光声效应或红外(IR)吸收直接检测或测量正在泄漏的气体的存在或浓度。这些技术具有若干缺点，包括需要为每种使用的气体制造和购买专用的检测器。此外，某些气体固有地不适于使用某些检测技术，因为它们不会强烈吸收红外辐射或它们在被其它具有更强烈吸收特征的材料所掩蔽的区域内吸收。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种泄漏检测器，所述泄漏检测器适于通过检测第二物质的物理和/或化学性质的变化来检测第一物质的泄漏。
所述物理性质可以是浓度和/或压力和/或依赖于浓度或压力的性质，比如IR吸收或IR吸收谱线形状中的变化。
泄漏检测器可以被布置用于通过检测由归因于第一物质泄漏的置换所导致的第二物质浓度的降低来检测第一物质的泄漏。
通过监测例如含有流体或另一种气体的管道周围的气体的浓度，可以通过识别周围气体的置换来检测来自管道的泄漏。这为检测泄漏提供一种非直接但是高度有效的技术。
通过检测置换来非直接地识别泄漏而不是直接检测正在泄漏的物质提供若干优点，这些优点包括允许检测器监测任何正在泄漏的物质，而与所涉及的物质无关，因而非特定用于某些检测物质。这具有成本优势，因为其允许传感器制造商制造或供应更少的传感器类型，并且其允许使用者用单个的通用泄漏检测器代替各自特定于某些物质的多个泄漏检测器。
第二物质的检测可以包括测量其浓度或监测依赖于其浓度的性质。第二物质可以位于容器例如管道外部。第一物质可以位于容器例如管道内部。
检测器可以被布置成在泄漏的情况下检测第二物质被第一物质的至少部分置换。
第一物质可以是流体，例如气体或蒸气或液体。第一物质可以包括氧和/或氮和/或氦和/或天然气和/或丁烷。第二物质可以是气体例如二氧化碳，或蒸气例如水蒸汽。
使用体现本发明的检测器允许采用不适于检测正在泄漏的物质的技术来检测那些正在泄漏的物质。例如，氧、氮和氦在IR波长内不吸收，因而不适于通过基于常规IR吸收的泄漏传感器进行检测。然而，通过检测在IR波长处会强烈吸收的大气成分如二氧化碳或水的浓度变化，这类检测器可以用于测量表现出差的IR吸收或没有IR吸收的物质的泄漏。
即使在将检测器用于检测在IR波长处吸收的泄漏物质的情况下，第二物质的适当选择也允许检测IR吸收比由正在泄漏的物质所表现出的更强的物质，这可以被用于增加检测器的灵敏度。此外，可以选择在所使用的低成本检测器组件能够实现的波长处吸收的物质。
泄漏检测器可以用于在两个以上的位置感测泄漏。至少一个感测位置可以与至少一个另外的感测位置距泄漏或潜在泄漏的部位的距离不同。泄漏检测器可以适合于通过比较依赖于第二物质在第一位置处的浓度的一个信号与至少一个对应的信号来检测泄漏，所述的至少一个对应的信号依赖于第二物质在一个或多个其它位置处的浓度。
泄漏检测器可以包括一个或多个用于检测第二物质浓度变化的传感器。传感器可以包括IR光源和用于测量IR吸收的装置。泄漏检测器可以适应于通过检测第二物质的IR吸收的变化来检测第一物质的泄漏。光源可以是激光器，优选量子级联(QC)激光器并且最优选脉冲QC激光器。
备选地或任选地，泄漏检测器可以包括用于测定与第二物质相关的IR吸收谱线形状的装置。可以设置另外的装置用于分析吸收谱线形状中的变化从而检测泄漏。
脉冲QC激光器的使用允许进行超快的测量。选择置换物质而且所述置换物质并不是限于要被检测的物质的选择权允许选择在有便宜或方便地可用的激光的波长处具有吸收特征的测量物质。
根据本发明的第二方面，提供一种检测泄漏的方法，所述方法包括通过检测第二物质的物理性质变化来识别第一物质的泄漏。
检测的物理性质可以是浓度和/或压力和/或依赖于浓度或压力的性质，比如IR吸收或IR吸收谱线形状的变化。
所述方法可以是用于检测气体泄漏的方法，其中第一和第二物质是气体。第一物质可以位于容器如管道、箱或罐的内部。第二物质可以位于容器外部。泄漏的识别可以涉及检测由第二物质被第一物质的至少部分置换。
所述方法可以包括在两个以上的位置测量第二物质的浓度。泄漏的检测可以通过比较第二物质在第一位置处的浓度与第二物质在一个或多个第二位置处的浓度而进行。至少一个感测位置与至少一个另外的感测位置距泄漏或潜在泄漏的部位的距离可以不同。
第一物质的泄漏的检测可以通过测量第二物质在一个或多个IR波长处辐射的吸收。测量可以通过测量激光器的输出的吸收，所述激光器优选量子级联(QC)激光器并且最优选脉冲、线性调频QC激光器。
每个施加的脉冲都可以具有大于150ns、特别地大于200ns的持续时间。每个施加的脉冲都具有在150至300ns、优选200至300ns的范围内的持续时间。这可以提供约60GHz的调谐范围。
每个检测的脉冲都可以具有大于150ns、特别地大于200ns的持续时间。每个检测的脉冲都具有在150至300ns、优选200至300ns的范围内的持续时间。
备选地或任选地，泄漏检测可以通过监测与第二物质相关的IR吸收谱线形状的变化进行。
附图简述
本发明将仅参照显示泄漏检测系统的图1，通过实施例的方式描述。
附图详述
图1显示包括激光器5的气体泄漏检测系统1。通过射束分离器20将激光器5的输出分成两个光束10、15。激光器5是脉冲量子级联(QC)激光器。两个光束均在经过测试区域25和30分别到达检测器35的开放路径结构中透射光。泄漏部位和各个测量区域之间的距离必须不同。检测器可以是任何合适的本领域中已知的检测器，比如CCD、MCT或CMOS检测器。
可以使用任何合适的激光器5。然而，在优选实施方案中，激光器是如在WO03/087787中所描述的线性调频QC激光器，该专利的内容通过引用结合在此。脉冲QC激光器表现出的波长增频线性调频(wavelengthup-chirp)可以被用于提供波长扫描。波长增频线性调频是由在施加的电流/电压驱动脉动的整个持续时间内出现的热效应所引起的。
对于QC激光器，已知波长增频线性调频是连续的。可以使波长增频线性调频变成相对于时间几乎为线性，这允许在每个独立或单个的脉冲内记录整个光谱区域。这涉及沿其整个长度对检测的脉冲取样，以从单个的脉冲得到一系列光谱元素(spectral elements)。这允许更快的测量，因为对于独立的脉冲可以测量光谱的整个部分或主要部分。可以进行重复的测量，以提供相对于采用其中每次脉冲仅可以测量一个光谱元素的激光器的情况下所采取的测量的给定测量时间而言增加的信噪比。使用QC激光器可实现的超快测量允许对每个测量区域25、30进行近乎同时的测量。这样将使由测量大气的整个体积出现的均匀性变化所引起的误差最小化。
选择激光器5以输出易于被存在于测量区域25、30的大气组分如水或二氧化碳吸收的波长。两个光束15、20以及由此各自的测量区域25、30相对彼此置换，从而它们各自取样相对于任何潜在的泄漏部位40不同的区域。测量区域25和30相对于潜在的泄漏部位不对称地安置，使得一个或多个潜在的泄漏部位与各个测量区域之间的距离不同。在检测器35处测量从各个测量区域25、30收集的透射光谱，然后将一个光谱从另一个中减去，或将一个光谱除以另一个。
当没有泄漏时，带有正常大气混合的测量区域25、30的合适布置以及使用脉冲量子级联激光器的可能的超快测量导致对于各个测量区域25、30基本上相同或类似的透射光谱。这导致两个光谱之间零或接近零的差异。当形成泄漏时，溢出的气体将使大气组分至少部分置换。这扰乱正常混合的平衡，并且位于距泄漏部位较近的测量区域30处的大气组分在位于距泄漏部位较远的测量区域25处的大气组分之前置换。因此，在两个光谱的差异响应的存在起到泄漏存在的肯定表示的作用。
本发明的检测器不仅识别泄漏，还可以提供泄漏率的测量。这可以使用差异的大小进行。实际上，泄漏率可以通过将差异的大小参比预存的校准数据而确定。由于系统对除正在泄漏的物质之外的物质的检测起作用，所以可以使用涉及被检测的大气组分的单组校准数据，而非必须对各个泄漏物质进行重新校准。
以上描述仅通过实施例进行，并且在不偏离本发明的范围的情况下，一些变化对本领域技术人员是明显的。例如，尽管将测量系统描述为具有两个光束10、15和两个测量区域25、30，但是可以使用三个以上的光束和测量区域。此外，尽管将系统描述为具有一个激光器5和一个检测器35，但是可以使用多个激光器和/或检测器。在备选实施例中，并非检测或监测第二物质的浓度变化，而可以检测或监测第二物质的其它性质如压力。压力的增加引起IR吸收谱线形状的变化，然后这可以被监测以检测与泄漏相关的压力增加。备选地，可以监测或检测化学变化。因此，具体实施方案的以上描述只是作为实例而不是出于限制目的进行的。对本领域技术人员变得清楚的是，在不显著改变所述操作的情况下，可以进行小的修改。

Claims (25)

1.一种泄漏检测器，所述泄漏检测器适合于通过检测第二物质的物理/化学性质变化来检测第一物质的泄漏。
2.根据权利要求1所述的泄漏检测器，其中所述被检测的物理性质是浓度和/或压力，和/或依赖于浓度和/或压力的性质。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的泄漏检测器，其中将所述泄漏检测器布置为通过检测所述第二物质的浓度降低来检测所述第一物质的泄漏，所述第二物质的浓度降低是由所述第一物质泄漏所致的置换而引起的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述第二物质位于容器外部，并且将所述检测器布置为检测所述第一物质从所述容器内部的泄漏。
5.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述第一物质和/或所述第二物质是气体或蒸气。
6.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述第二物质是水或二氧化碳。
7.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述第一物质是氧和/或氮和/或氦和/或天然气和/或丁烷。
8.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述泄漏检测器可操作用于在两个以上的位置感测泄漏。
9.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述泄漏检测器适合于通过将依赖于所述第二物质在第一位置处的所述物理性质的信号与至少一个对应的信号进行比较来检测泄漏，所述的至少一个对应的信号依赖于所述第二物质在一个或多个其它位置处的所述物理性质。
10.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏检测器，其中所述泄漏检测器包括一个或多个用于检测所述第二物质的所述物理性质变化的传感器。
11.根据权利要求10所述的泄漏检测器，其中所述传感器包括辐射源和用于测量所述辐射的吸收的装置，所述辐射源优选IR源。
12.根据权利要求11所述的泄漏检测器，其中所述光源是量子级联(QC)激光器。
13.根据权利要求12所述的泄漏检测器，其中所述激光器是脉冲啁啾QC激光器。
14.一种用于检测第一物质的泄漏的方法，所述方法通过检测第二物质的物理性质变化进行检测。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述被检测的物理性质是浓度和/或压力，和/或依赖于浓度或压力的性质。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述第二物质是气体和/或蒸气。
17.根据权利要求14至6中任一项所述的方法，其中所述第一物质位于容器内部。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二物质位于所述容器外部。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，所述方法包括检测所述第二物质被所述第一物质的至少部分置换。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，所述方法包括在两个以上的位置测量所述第二物质的所述物理性质。
21.根据权利要求20所述的方法，其中泄漏的检测是通过比较所述第二物质在第一位置处的物理性质与所述第二物质在一个以上的第二位置处的物理性质而进行的。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其中所述第一物质的检测涉及测量或监测所述第二物质的吸收特征或吸收谱线形状的变化。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述吸收特征或吸收谱线形状是在一个或多个IR波长处测量的。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，所述方法涉及测量量子级联(QC)激光器的输出的吸收。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述激光器是脉冲量子级联激光器。
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