CN103512988A - 便携式天然气、沼气光学检测装置及其鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式天然气、沼气光学检测装置，属于气体检测领域，该装置包括一个净化器，所述净化器通过色谱柱并经过脉冲泵与气室相连，所述气室两侧分别设有红外光源和探测器，所述探测器通过数据线并经过放大器与单片机输入端相连，所述单片机与脉冲泵相连，在所述单片机通过电源线并经过调制电器与红外光源相连，所述单片机还连接有LCD显示器和声光报警器；本发明还公开了一种天然气、沼气的鉴别方法，该方法采用色谱分离结合可燃气体光学检测法测量甲烷、乙烷来区分沼气和天然气，用脉冲红外光源发出红外线通过气室，照射在热电堆红外气体探测器上，并将光信号转换为相应的电信号。本发明采用了气相色谱分离结合气体红外吸收检测技术相结合，无需携带气体，使得仪器测量携带方便、准确、响应速度快、成本低。

Description

便携式天然气、沼气光学检测装置及其鉴别方法

技术领域

本发明涉及一种天然气管道泄漏探测装置及其探测方法，具体涉及便携式天然气、沼气光学检测装置及其鉴别方法。 

背景技术

天然气作为清洁、方便的环保能源已经普遍的进入我们的日常生活，近年来虽然城市燃气管网不断发展、完善，但是全国每年因燃气泄漏而发生爆炸的事故频频发生，给国家和人民造成重大损失，因此燃气泄漏越来越受到广泛的关注。 

城市燃气管道有很大部分安装在下水道、自来水井、电力暗沟、电信管道井等，这些暗沟、窨井常常因杂物长时间沉淀发酵而聚集有不同浓度的沼气，给检测带来很大的干扰，因此在燃气抢险维护工作中，困扰维护抢修人员的主要问题就是如何快速准确地区分沼气与天然气。天然气和沼气的区别在于天然气中有乙烷，而沼气中不存在乙烷。当测出燃气样品中含有乙烷成分时，可以确定是输气管线泄漏逸出的气体。如果没有检测出乙烷成分的存在，可以确定是地下沼气。目前用于鉴别天然气和沼气的仪器主要是可燃气体色谱分离法：在进行测试时，将混有待测气体的空气吸入通过一个分离柱，由于混合气体的成分不同，在色谱分离柱中停留时间长短不一样，比重小的优先于比重大的气体先分离出色谱柱。火焰电离传感器置于测量室。从测试开始，到混合气体的不同组分，先后离开测量室，就可以知道混合气体里各种组分的名称。这项技术的缺陷是需要配备氢气，仪器的体积和方便性都受到限制。为了解决这方面的不足，本发明采用色谱分离结合气体红外光学检测技术测量甲烷、乙烷来区分沼气和天然气，这样可以避免使用氢气等消耗性器材，使得仪器携带更加方便、维护成本低。 

发明内容

为解决上述背景技术问题，本发明提供一种携带方便、准确、响应速度快、维护成本低的便携式天然气、沼气光学检测装置及其鉴别方法。 

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现， 

一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：该装置包括一个净化器，所述净化器通过色谱柱并经过脉冲泵与气室相连，所述气室两侧分别设有红外光源和探测器，所述探测器通过数据线并经过放大器与单片机输入端相连，所述单片机与脉冲泵相连，并给脉冲泵一个周期的方波信号来控制脉冲泵间歇的工作，在所述单片机通过电源线并经过调制电器与红外光源相连，所述单片机还连接有LCD显示器和声光报警器。 

所述色谱柱为内直径3mm，长度为1m，容量为0.007065L的不锈钢气固色谱填充柱。 

所述探测器为热电堆红外气体探测器或热释电红外气体探测器其中任意一种。 

优选所述的探测器为热电堆红外气体探测器。 

所述热电堆红外气体探测器有两个探测通道，一路用于探测CH烃类的气体，另一路用于参考信号，所述两路探测通道上分别设有滤光片。 

上述部件除色谱柱和净化器外，其它所有部件都集成在一个壳体内。 

一种天然气、沼气的鉴别方法，其特征在于：所述的鉴别方法采用色谱分离结合可燃气体检测法测量甲烷、乙烷来区分沼气和天然气，用脉冲红外光源发出红外线通过气室，CH烃类气体将吸收3.4μm特定波长的红外光，热电堆红外气体探测器将光信号转换为相应的电信号，其它的红外吸收气体的干扰被最小化，气体分子扩散进入气室，所述红外光源发出的红外光直接穿过气室和气体，照在热电堆红外气体探测器上； 

所述热电堆红外气体探测器有两个探测通道，所述两个探测通道上分别装有滤光片； 

一路用于探测CH类气体吸收，一路用于参考信号，只有CH烃类气体分子能够吸收3.4μm波长的光，光强衰减幅度与CH气体浓度相关，高浓度的CH烃类气体分子比低浓度的要吸收更多的红外光，使得到达热电堆红外气体探测器通道的光衰减更多，另外一路主要用于监测光强起伏； 

所述气室的CH烃类气体浓度为零时，热电堆红外气体探测器探测到的光是强度的光；当CH烃类气体浓度增加时，到达热电堆红外气体探测器的光强显著的降低，红外光强和CH烃类气体浓度之间的关系是确定的，它可以用纯氮气以及不同浓度的甲烷和乙烷气体来对仪器进行定标，获得气体浓度与甲烷、乙烷浓度的关系曲线； 

所述探测器的光强用Beer-Lambert定律来描述：I＝I₀e^kC

I表示照射到热电堆红外气体探测器的光强度的测量信号，I₀表示0ppmCH类气体浓度时的测量信号，K表示一个系统常数，C表示CH类气体的浓度； 

在方波信号的一个周期内，待测气体分离的各组分全部通过气室后，单片机采集整个周期内的热电堆红外气体探测器的信号后得到气体色谱分离图即称测量结果，它由基线和一些峰值组成，不同位置的峰值代表了不同的气体组分，峰值的高度与相应气体的浓度成比例；在一个色谱图中有两个峰时，说明该气体中同时含有甲烷和乙烷成分，就可判断测量的气体是天然气，而不是沼气。如果色谱图中只有一个峰存在，峰处于甲烷的特征位置，说明该测量的气体不是天然气管道泄漏，而是沼气。 

本发明的有益效果是：采用了气相色谱分离结合气体红外吸收检测技术相结合，无需携带气体，使得仪器测量携带方便、准确、响应速度快、成本低。 

附图说明

图1是本发明结构示意图； 

图2是本发明两路探测通道示意图； 

图3是本发明两路探测通道的光谱图； 

图4是本发明操作流程示意图。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

如图1所示，一种便携式天然气、沼气光学检测装置，该装置包括一个净化器1，净化器1通过色谱柱2并经过脉冲泵3与气室4相连，气室4两侧分别设有红外光源5和探测器6，探测器6通过数据线并经过放大器7与单片机8输入端相连，单片机8与脉冲泵3相连，并给脉冲泵3一个周期的方波信号来控制脉冲泵3间歇的工作，单片机8通过电源线并经过调制电器9与红外光源5相连，单片机8还连接有LCD显示器10和声光报警器11。 

色谱柱2为内直径3mm，长度为1m，容量为0.007065L的不锈钢气固色谱填充柱。 

探测器6为热电堆红外气体探测器或热释电红外气体探测器其中任意一种。 

优选为热电堆红外气体探测器。 

如图2所示，热电堆红外气体探测器有两个探测通道，一路用于探测CH烃类的气体，另一路用于参考信号，所述两路探测通道上分别设有滤光片。 

上述部件除色谱柱2和净化器1外，其它所有部件都集成在一个壳体13内。 

如图3所示，一种天然气、沼气的鉴别方法，采用色谱分离结合可燃气体检测法测量甲烷、乙烷来区分沼气和天然气；用脉冲红外光源发出红外线通过气室，CH烃类气体将吸收3.4μm特定波长的红外光，热电堆红外气体探测器将光信号转换为相应的电信号，其它的红外吸收气体的干扰被最小化，气体分子扩散进入气室，所述红外光源发出的红外光直接穿过气室和气体，照在热电堆红外气体探测器上； 

热电堆红外气体探测器有两个探测通道，所述两个探测通道上分别装有滤光片； 

一路用于探测CH类气体吸收，一路用于参考信号，只有CH烃类气体分子能够吸收3.4μm波长的光，光强衰减幅度与CH气体浓度相关，高浓度的CH烃类气体分子比低浓度的要吸收更多的红外光，使得到达热电堆红外气体探测器通道的光衰减更多，另外一路主要用于监测光强起伏； 

气室内的CH烃类气体浓度为零时，热电堆红外气体探测器探测到的光是强度的光；当CH烃类气体浓度增加时，到达热电堆红外气体探测器的光强显 著的降低，红外光强和CH烃类气体浓度之间的关系是确定的，它可以用纯氮气以及不同浓度的甲烷和乙烷气体来对仪器进行定标，获得气体浓度与甲烷、乙烷浓度的关系曲线； 

热电堆红外气体探测器的光强用Beer-Lambert定律来描述：I＝I₀e^kC

I表示照射到热电堆红外气体探测器的光强度的测量信号，I₀表示0ppmCH类气体浓度时的测量信号，K表示一个系统常数，C表示CH类气体的浓度； 

在方波信号的一个周期内，待测气体分离的各组分全部通过气室后，单片机采集整个周期内的热电堆红外气体探测器的信号后得到气体色谱分离图即，它由基线和一些峰值组成，不同位置的峰值代表了不同的气体组分，峰值的高度与相应气体的浓度成比例；在一个色谱图中有两个峰时，说明该气体中同时含有甲烷和乙烷成分，就可判断测量的气体是天然气，而不是沼气。如果色谱图中只有一个峰存在，峰处于甲烷的特征位置，说明该测量的气体不是天然气管道泄漏，而是沼气。 

如图4所示，本发明的操作步骤： 

①、将本发明的装置通电后，单片机8进入初始化； 

②、启动脉冲泵3、定时器和红外光源5，将净化器1对准要检测窨井盖12位置，通过脉冲泵3将窨井盖12外部的泄漏气体经过净化器将气体中的灰尘和固体颗粒物除去，再到达色谱柱2内，最后进入气室4； 

③、定时器判断是否采样结束，若没结束，继续上述②工作，结束，则单片机8会给脉冲3泵一个停止信号使脉冲泵3停止工作，此时采集的气体正好全部通过色谱柱2进入气室4内； 

④、红外光源5发出的光直接穿过气室4以及气室4内的气体并照射在探测器6上，探测器6将红外光源5的光信号转换成电信号传输给放大器7，再经过放大器7将探测器6的电信号转换成模拟信号传输给单片机8，通过单片机8自身的A/D转换器将放大器7的模拟信号转换成数字信号进行存储； 

⑤、在单片机8得到的信号中，如果只有一个吸收峰则判断为沼气，若有两个或者更多的吸收部分则判断为天然气，根据吸收峰的强度计算出甲烷和乙烷的浓度值，计算结果由LCD显示器10显示； 

⑥、当⑤中的甲烷的浓度值没有超过报警阈时，则声光报警器11不报警，同时返回步骤2的操作，若超出报警值，则声光报警器11报警，同时也会返回②的操作。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明还要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (7)

1.一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：该装置包括一个净化器，所述净化器通过色谱柱并经过脉冲泵与气室相连，所述气室两侧分别设有红外光源和探测器，所述探测器通过数据线并经过放大器与单片机输入端相连，所述单片机与脉冲泵相连，并给脉冲泵一个周期的方波信号来控制脉冲泵间歇的工作，在所述单片机通过电源线并经过调制电器与红外光源相连，所述单片机还连接有LCD显示器和声光报警器。

2.根据权利要求1所述一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：所述色谱柱为内直径3mm，长度为1m，容量为0.007065L的不锈钢气固色谱填充柱。

3.根据权利要求1所述一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：所述探测器为热电堆红外气体探测器或热释电红外气体探测器其中任意一种。

4.根据权利要求1或3所述一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：优选所述的探测器为热电堆红外气体探测器。

5.根据权利要求3或4所述一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：所述热电堆红外气体探测器有两个探测通道，一路用于探测CH烃类的气体，另一路用于参考信号，所述两路探测通道上分别设有滤光片。

6.根据权利要求1所述一种便携式天然气、沼气光学检测装置，其特征在于：上述部件除色谱柱和净化器外，其它所有部件都集成在一个壳体内。

7.一种天然气、沼气的鉴别方法，其特征在于：所述的鉴别方法采用色谱分离结合可燃气体检测法测量甲烷、乙烷来区分沼气和天然气，用脉冲红外光源发出红外线通过气室，CH烃类气体将吸收3.4μm特定波长的红外光，热电堆红外气体探测器将光信号转换为相应的电信号，其它的红外吸收气体的干扰被最小化，气体分子扩散进入气室，所述红外光源发出的红外光直接穿过气室和气体，照在热电堆红外气体探测器上；

所述热电堆红外气体探测器有两个探测通道，所述两个探测通道上分别装有滤光片；

一路用于探测CH类气体吸收，一路用于参考信号，只有CH烃类气体分子能够吸收3.4μm波长的光，光强衰减幅度与CH气体浓度相关，气体浓度越高，吸收的红外光越多，到达热电堆红外气体探测器通道的光衰减越低，另外一路由于不位于气体吸收位置，主要用于监测红外光源的光强起伏；

所述气室的CH烃类气体浓度为零时，热电堆红外气体探测器探测到的光是强度的光；CH烃类气体浓度的增加，到达热电堆红外气体探测器的光强显著的降低，红外光强和CH烃类气体浓度之间的关系是确定的，它可以用纯氮气以及不同浓度的甲烷和乙烷气体来对仪器进行定标，获得气体浓度与甲烷、乙烷浓度的关系曲线；

所述探测器的光强用Beer-Lambert定律来描述：I＝I₀e^kC

I表示照射到热电堆红外气体探测器的光强度的测量信号，I₀表示0ppmCH类气体浓度时的测量信号，K表示一个系统常数，C表示CH类气体的浓度；

在方波信号的一个周期内，待测气体分离的各组分全部通过气室后，单片机采集整个周期内的热电堆红外气体探测器的信号后得到气体色谱分离图即称测量结果，它由基线和一些峰值组成，不同位置的峰值代表了不同的气体组分，峰值的高度与相应气体的浓度成比例；

在一个色谱图中有两个峰时，说明该气体中同时含有甲烷和乙烷成分，就可判断测量的气体是天然气，如果色谱图中只有一个峰存在，峰处于甲烷的特征位置，则该测量的气体是沼气。

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