CN104819962A - 一种手持式甲烷遥测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手持式甲烷遥测仪，它包括一壳体、一控制装置、一激光器、一测量装置和一参考装置，其中，激光器采用窄线宽半导体激光器；控制装置、激光器和参考装置均固定设置在壳体内部一侧，测量装置设置在壳体内部另一侧，激光器的输入端与控制装置的输出端连接，激光器的输出端连接一光纤分束器的输入端，光纤分束器的输出端通过一测量光路光纤和一参考光路光纤分别连接测量装置和参考装置。本发明能够远距离准确确定甲烷的具体泄露地点。

Description

一种手持式甲烷遥测仪

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种手持式甲烷遥测仪。

背景技术

甲烷在自然界具有广泛的应用。甲烷作为燃料，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分，可作为用于热水器或煤气炉的热值测试标准燃料。除用于燃料外，甲烷也是一种重要的化工原材料，例如甲烷高温分解后可得炭黑，炭黑可以用于颜料、油墨、油漆及橡胶等的添加剂。甲烷还可以是制造氢、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料，也是太阳能电池、非晶硅膜气象化学沉积的碳源，以及医药化工合成的生产原料。

甲烷的应用虽然很广泛，但是甲烷是一种易燃易爆气体。在甲烷生产、加工及运输过程中，若甲烷发生泄漏，且浓度达到爆炸极限时，遇火会发生爆炸造成严重的损失，因此在甲烷生产制造及运输过程中需要对甲烷进行严密的监控。虽然现有技术中甲烷的生产及加工企业中具有甲烷泄漏检测系统，但固定配置的传感器无法给出甲烷泄露的具体地点。而且对于天然气输送管道这样长距离输送的管线巡检需要大量的人力物力。化学检测方法、电化学传感器等传统天然气检测设备需要与待测甲烷接触，分布布置的传感器也无法准确确定天然气管道泄露的具体泄露点。当发生天然气泄漏时，检测人员需要进入危险环境中检测甲烷浓度，存在一定的风险。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够远距离准确确定具体泄露点的手持式甲烷遥测仪。

为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种手持式甲烷遥测仪，它包括一壳体、一控制装置、一激光器、一测量装置和一参考装置，其中，所述激光器采用窄线宽半导体激光器；所述控制装置、激光器和参考装置均固定设置在所述壳体内部一侧，所述测量装置设置在所述壳体内部另一侧，所述激光器的输入端与所述控制装置的输出端连接，所述激光器的输出端连接一光纤分束器的输入端，所述光纤分束器的输出端通过一测量光路光纤和一参考光路光纤分别连接所述测量装置和所述参考装置；所述测量装置包括一透镜、一反射镜、一光纤准直镜、一第一近红外探测器和一指示激光器；所述透镜固定嵌设在所述壳体前端，所述壳体内纵向固定设置所述反射镜，所述反射镜与所述透镜相对设置使得经待测环境中的背景散射体散射的测量光形成折叠光路；所述透镜中部前端固定设置所述光纤准直镜，所述光纤准直镜的顶部固定设置用于确定测量点的指示激光器，所述光纤准直镜通过所述测量光路光纤接收所述激光器输出的激光；所述第一近红外探测器位于所述透镜中部后端并与所述壳体固定连接，用于接收测量光信号，并将测量光信号转化成待测信号发送到所述控制装置；所述参考装置包括一参考气室和一位于所述参考气室外部的第二近红外探测器，所述参考气室内部设置有标准浓度的甲烷；所述激光器输出的激光经所述参考光路光纤发射到所述参考气室内，并穿过所述参考气室经所述第二近红外探测器探测接收，所述第二探测器将探测接收的信号转化成参考信号发送到所述控制装置。

所述控制装置包括一控制电路板、一显示面板和一电池，所述控制电路板位于所述壳体内部，所述显示面板固定嵌设在所述壳体后端，与所述控制电路板连接，用于显示所述控制电路板的处理结果，所述电池可拆卸设置在所述控制电路板和显示面板之间，用于给所述控制电路板和显示面板供电；所述控制电路板上设置有两模数转换电路、一基于FPGA的数字锁相放大器、一处理单元、一正弦波信号发生器、一锯齿波信号发生器、一激光器温度控制电路和一激光器电流驱动电路；两所述模数转换电路的输入端分别连接所述第一近红外探测器和第二近红外探测器的输出端，两所述模数转换电路的输出端均连接所述基于FPGA的数字锁相放大器的输入端，所述基于FPGA的数字锁相放大器的输出端连接所述处理单元的信号处理输入端，所述处理单元信号处理输出端与所述显示面板的输入端连接；所述处理单元的驱动信号输出端分别连接所述正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器和激光器温度控制电路的输入端，所述正弦波信号发生器和锯齿波信号发生器输出端经过一加法器连接所述激光器电流驱动电路的输入端，所述激光器电流驱动电路和激光器温度控制电路的输出端均连接至所述激光器的输入端，所述激光器的测温电阻连接至所述处理单元的驱动信号输入端，使得构成反馈网络控制。

位于所述第一近红外探测器的探测端前端固定设置一锥状集光器。

所述参考气室是由一U槽型铝合金壳体、一入射石英窗、一出射石英窗和一褶皱状柔性薄膜构成的密封结构；所述U槽型铝合金壳体顶端固定设置所述褶皱状柔性薄膜，所述U槽型铝合金壳体两开口端分别固定设置所述入射石英窗和出射石英窗。

所述光纤分束器采用1×2光纤分束器，且两束激光中较强的一束通过所述测量光路光纤输送至所述光纤准直镜，较弱的一束通过所述参考光路光纤输送至所述参考气室。

所述壳体顶部设置一提手。

所述反射镜采用塑料压制件镀膜加工制成。

所述透镜采用菲涅尔透镜。

所述激光器采用DFB激光器。

所述第一近红外探测器和第二近红外探测器分别采用InGaAs探测器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置光纤准直镜对激光器输出的激光进行准直，同时设置透镜和反射镜对远距离的散射光进行收集，使得本发明能够远距离准确确定甲烷的具体泄露点；本发明由于设置具有标准浓度甲烷的参考气室作为测量比对参考，不但避免了复杂的计算及数据库对比，节省了存储空间，而且去除了数据库与实际环境气体组分不同对气体吸收谱线的影响，使得测量结果更加准确。2、本发明由于具体设置参考信号和待测信号均经过以基于FPGA的数字锁相放大器为主的控制电路板，进而保证了参考信号和待测信号经过完全相同的数据处理流程，避免了独立器件构成锁相放大器解调时存在的器件误差，具有配置简单、可靠性高的优点；本发明由于设置基于FPGA的数字锁相放大器对微弱信号进行提取检测，实现了低浓度高精度的甲烷检测。3、本发明由于设置在第一近红外探测器的探测端前端设置锥状集光器，使得进一步起到了聚集离轴光束的作用。4、本发明由于在参考气室上设置褶皱状柔性薄膜，使得参考气室内标准浓度甲烷的气压和外界气压相同，进而消除外界气压对甲烷吸收线性的影响。5、本发明由于设置菲涅尔透镜和塑料压制件镀膜加工制成的反射镜，既有效减小结构整体的重量，又使得结构紧凑，便于携带。本发明可以广泛应用于天然气管道巡检、天然气加工厂泄露检测、城市天然气输送管道泄露遥测等技术领域。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的参考气室结构示意图；

图4是图3的主视结构示意图；

图5是图3的俯视结构示意图；

图6是图3的右视结构示意图；

图7是本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～2所示，本发明的手持式甲烷遥测仪包括一壳体1、一控制装置2、一激光器3、一测量装置4和一参考装置5，其中，激光器3为窄线宽半导体激光器；控制装置2设置在壳体1后部，用于控制激光器3的激光输出，激光器3设置在壳体1内部，激光器3输出的激光分成两部分，一部分激光用于照射待测环境6，经待测环境6中的背景散射体7散射的测量光被设置在壳体1前部的测量装置4收集，测量装置4将收集到的测量光转换成待测信号发送到控制装置2；另一部分激光照射参考装置5，参考装置5设置在壳体1内部，用于将激光器3输出的激光转换成参考信号，并将参考信号发送至控制装置2，控制装置2将参考信号和待测信号进行处理并显示处理结果；激光器3的输入端与控制装置2的输出端连接，激光器3的输出端连接一光纤分束器8的输入端，光纤分束器8的输出光束一部分通过测量光路光纤输送至测量装置4，另外一部分通过参考光路光纤输送至参考装置5；测量装置4包括一透镜41、一反射镜42、一光纤准直镜43、一指示激光器44和一第一近红外探测器45；透镜41固定嵌设在壳体1前端，壳体1内纵向固定设置反射镜42，反射镜42与透镜41相对设置使得经待测环境6中的背景散射体7散射的测量光形成折叠光路；透镜41中部前端固定设置光纤准直镜43，光纤准直镜43的顶部固定设置用于确定测量点的指示激光器44，光纤准直镜通43通过测量光路光纤接收激光器3输出的激光；第一近红外探测器45位于透镜41中部后端并与壳体1固定连接，用于接收测量光信号，并将测量光信号转化成待测信号发送到控制装置2；参考装置5包括一参考气室51和一位于参考气室51外部的第二近红外探测器52；参考气室51内部设置有标准浓度的甲烷；激光器3输出的激光经参考光路光纤发射到参考气室51内，并穿过参考气室51经第二近红外探测器52探测接收，第二近红外探测器52将探测接收的信号转化成参考信号发送到控制装置2。

在一个优选的实施例中，控制装置2包括一控制电路板21、一显示面板22和一电池23，控制电路板21位于壳体1内部，用于控制激光器3的激光输出和处理参考信号和待测信号，显示面板22固定设置在壳体1后端，且与控制电路板21连接，用于显示控制电路板21的处理结果，电池23可拆卸设置在控制电路板21和显示面板22之间，用于给控制电路板21和显示面板22供电；控制电路板21上设置两模数转换电路211、一基于FPGA的数字锁相放大器212、一处理单元213、一正弦波信号发生器214、一锯齿波信号发生器215、一激光器温度控制电路216和一激光器电流驱动电路217；两模数转换电路211的输入端分别连接第一近红外探测器45和第二近红外探测器52的输出端，两模数转换电路211的输出端均连接基于FPGA的数字锁相放大器212的输入端，基于FPGA的数字锁相放大器212的输出端连接处理单元213信号处理输入端，处理单元213的信号处理输出端与显示面板22的输入端连接；处理单元213的驱动信号输出端分别连接正弦波信号发生器214、锯齿波信号发生器215和激光器温度控制电路216的输入端，正弦波信号发生器214和锯齿波信号发生器215输出端经过一加法器连接激光器电流驱动电路217的输入端，激光器电流驱动电路217和激光器温度控制电路216的输出端均连接至激光器3的输入端，激光器3的测温电阻连接至处理单元213的驱动信号输入端，使得构成反馈网络控制。

在一个优选的实施例中，正弦波信号发生器214的输出端还与基于FPGA的数字锁相放大器212的输入端连接，用于给基于FPGA的数字锁相放大器212输送正弦波信号。

在一个优选的实施例中，为了进一步起到聚集离轴光束的作用，第一近红外探测器45的探测端前端固定设置一锥状集光器46。

在一个优选的实施例中，如图3～6所示，为了能够使得参考气室51内标准浓度甲烷的气压和外界气压相同，参考气室51是由一U槽型铝合金壳体511、一入射石英窗512、一出射石英窗513和一褶皱状柔性薄膜514构成的密封结构；U槽型铝合金壳体511顶端固定设置褶皱状柔性薄膜514，U槽型铝合金壳体511两开口端分别固定设置入射石英窗512和出射石英窗513。

在一个优选的实施例中，光纤分束器8可以为1×2光纤分束器，分束比为1:99，其中，两束激光中较强的一束通过测量光路光纤输送至光纤准直镜43，较弱的一束通过参考光路光纤输送至参考气室51。

在一个优选的实施例中，为了能够便于手持，壳体1顶部可以设置一提手11。

在一个优选的实施例中，为了能够有效减小结构重量，便于携带，反射镜42可以采用塑料压制件镀膜加工制成，透镜41可以采用菲涅尔透镜。

在一个优选的实施例中，激光器3可以采用DFB激光器。

在一个优选的实施例中，第一近红外探测器45和第二近红外探测器52可以分别采用InGaAs探测器。

本发明使用时，如图7所示，处理单元213控制正弦波信号发生器214和锯齿波信号发生器215分别产生高频正弦波和低频锯齿波，高频正弦波和低频锯齿波经过加法器后通过调制激光器电流驱动电路217控制激光器3的驱动电流，实现对激光器3输出光频和光强的调制，同时处理单元213通过激光器温度控制电路216控制半导体制冷片来稳定激光器3的温度，激光器3内部温控电阻将激光器3温度信息反馈至处理单元213，形成激光器3的温度闭环控制；

激光器3发出的一部分激光经由光纤准直镜43准直后以平行光束的形式经过待测环境6，经由待测环境6中的背景散射体7散射的测量光经由透镜41和反射镜42后通过锥状集光器46至第一近红外探测器45转化成待测信号；激光器3发出的另一部分激光通过设置有标准浓度甲烷的参考气室51至第二近红外探测器52转化成参考信号；

待测信号和参考信号分别经过两模数转换电路211后进入基于FPGA的数字锁相放大器212，由正弦波进行解调，分别解调出一倍频信号和二倍频信号，使用一倍频信号归一化二倍频信号，得到与甲烷浓度成正比的信号，待测信号与参考信号相比较，得到相对浓度信息，经过转换，浓度信息经由显示面板22进行显示输出。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于，它包括一壳体、一控制装置、一激光器、一测量装置和一参考装置，其中，所述激光器采用窄线宽半导体激光器；所述控制装置、激光器和参考装置均固定设置在所述壳体内部一侧，所述测量装置设置在所述壳体内部另一侧，所述激光器的输入端与所述控制装置的输出端连接，所述激光器的输出端连接一光纤分束器的输入端，所述光纤分束器的输出端通过一测量光路光纤和一参考光路光纤分别连接所述测量装置和所述参考装置；

所述测量装置包括一透镜、一反射镜、一光纤准直镜、一第一近红外探测器和一指示激光器；所述透镜固定嵌设在所述壳体前端，所述壳体内纵向固定设置所述反射镜，所述反射镜与所述透镜相对设置使得经待测环境中的背景散射体散射的测量光形成折叠光路；所述透镜中部前端固定设置所述光纤准直镜，所述光纤准直镜的顶部固定设置用于确定测量点的指示激光器，所述光纤准直镜通过所述测量光路光纤接收所述激光器输出的激光；所述第一近红外探测器位于所述透镜中部后端并与所述壳体固定连接，用于接收测量光信号，并将测量光信号转化成待测信号发送到所述控制装置；

所述参考装置包括一参考气室和一位于所述参考气室外部的第二近红外探测器，所述参考气室内部设置有标准浓度的甲烷；所述激光器输出的激光经所述参考光路光纤发射到所述参考气室内，并穿过所述参考气室经所述第二近红外探测器探测接收，所述第二探测器将探测接收的信号转化成参考信号发送到所述控制装置。

2.如权利要求1所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述控制装置包括一控制电路板、一显示面板和一电池，所述控制电路板位于所述壳体内部，所述显示面板固定嵌设在所述壳体后端，与所述控制电路板连接，用于显示所述控制电路板的处理结果，所述电池可拆卸设置在所述控制电路板和显示面板之间，用于给所述控制电路板和显示面板供电；

所述控制电路板上设置有两模数转换电路、一基于FPGA的数字锁相放大器、一处理单元、一正弦波信号发生器、一锯齿波信号发生器、一激光器温度控制电路和一激光器电流驱动电路；两所述模数转换电路的输入端分别连接所述第一近红外探测器和第二近红外探测器的输出端，两所述模数转换电路的输出端均连接所述基于FPGA的数字锁相放大器的输入端，所述基于FPGA的数字锁相放大器的输出端连接所述处理单元的信号处理输入端，所述处理单元信号处理输出端与所述显示面板的输入端连接；所述处理单元的驱动信号输出端分别连接所述正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器和激光器温度控制电路的输入端，所述正弦波信号发生器和锯齿波信号发生器输出端经过一加法器连接所述激光器电流驱动电路的输入端，所述激光器电流驱动电路和激光器温度控制电路的输出端均连接至所述激光器的输入端，所述激光器的测温电阻连接至所述处理单元的驱动信号输入端，使得构成反馈网络控制。

3.如权利要求1所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：位于所述第一近红外探测器的探测端前端固定设置一锥状集光器。

4.如权利要求2所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述参考气室是由一U槽型铝合金壳体、一入射石英窗、一出射石英窗和一褶皱状柔性薄膜构成的密封结构；所述U槽型铝合金壳体顶端固定设置所述褶皱状柔性薄膜，所述U槽型铝合金壳体两开口端分别固定设置所述入射石英窗和出射石英窗。

5.如权利要求1或2或3或4所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述光纤分束器采用1×2光纤分束器，且两束激光中较强的一束通过所述测量光路光纤输送至所述光纤准直镜，较弱的一束通过所述参考光路光纤输送至所述参考气室。

6.如权利要求1或2或3或4所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述壳体顶部设置一提手。

7.如权利要求1或2或3或4所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述反射镜采用塑料压制件镀膜加工制成。

8.如权利要求1或2或3或4所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述透镜采用菲涅尔透镜。

9.如权利要求1或2或3或4所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述激光器采用DFB激光器。

10.如权利要求1或2或3或4所述一种手持式甲烷遥测仪，其特征在于：所述第一近红外探测器和第二近红外探测器分别采用InGaAs探测器。