CN106645295A - 气体泄漏探测装置及气体泄漏位置的探测方法 - Google Patents

气体泄漏探测装置及气体泄漏位置的探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体泄漏探测装置，用于探测待测区域内的气体泄漏位置。所述气体泄漏探测装置包括：多个检测单元，用于探测泄漏气体的气体浓度；定位单元，用于在待测区域中定义多个坐标点；计算单元，当至少三个检测单元检测出泄漏气体的气体浓度时，根据各所述检测单元至各所述坐标点的距离计算该泄漏气体从每一所述检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，并将每一所述坐标点处、由不同检测单元检测的气体浓度所计算出的气体浓度推算值叠加；确定单元，根据各坐标点处气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。本发明还公开了一种相应的气体泄漏位置探测方法，能够准确快速查找出气体泄漏源。

Description

气体泄漏探测装置及气体泄漏位置的探测方法
技术领域
本发明涉及一种气体泄露探测装置，尤其涉及一种含有多路传感器探头的能够快速远程探测气体泄漏的装置，以及确定气体具体泄漏位置的探测方法。
背景技术
在石油、化工和半导体制造等多项工业领域中各种气体被广泛使用，从安全等各个角度来看，气体泄漏的探测有广泛的需求和应用，尤其是针对易燃、易爆或有毒气体，即使是微小的泄漏也需要能够被快速准确地探测到。目前现有的气体泄漏探测装置普遍存在探测精度不高、探测速度较慢和报警信号单一等问题，尤其缺乏能够快速确定气体具体泄漏位置的系统探测方法。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够精确探测到气体泄漏源的探测装置及探测方法。
为达成上述目的，本发明提供一种气体泄漏探测装置，用于探测待测区域内的气体泄漏位置。所述气体泄漏探测装置包括：N个检测单元，用于探测泄漏气体的气体浓度，N为大于等于3的正整数；定位单元，用于在所述待测区域中定义多个坐标点；计算单元，当至少三个检测单元检测出泄漏气体的气体浓度时，根据各所述检测单元至各所述坐标点的距离计算该泄漏气体从每一所述检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，并将每一所述坐标点处、由不同检测单元检测的气体浓度所计算出的气体浓度推算值叠加；确定单元，根据各所述坐标点处气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。
优选地，每一所述检测单元包括传感器探头和传感器探头检测电路，其中所述传感器探头用于探测气体浓度并成比例转换为电流信号，所述传感器探头检测电路用于将该电流信号放大转换为电压信号。
优选地，所述气体泄漏探测装置还包括控制单元，以及通讯驱动电路、报警信号电路、和继电器开关信号电路中的至少一个；当所述检测单元探测到泄漏气体的气体浓度时，所述控制单元通过所述通讯驱动电路发送信号至上位机和/或通过报警信号电路发出报警信号进行报警和/或通过继电器开关信号电路发出继电器开关信号以关闭气源的阀门。
优选地，所述气体泄漏探测装置还包括控制单元和通讯驱动电路，当至少三个所述检测单元探测到泄漏气体的气体浓度时，所述控制单元通过所述通讯驱动电路将所述气体泄漏源的位置及该位置处的气体浓度推算值输出至上位机。
优选地，所述多个坐标点呈矩阵规则分布于所述待测区域中。
优选地，所述计算单元根据气体浓度函数计算出所述泄漏气体从检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，所述气体浓度函数仅以到达检测出气体浓度的检测单元的距离为变量。
根据本发明的另一方面，提供了一种气体泄漏位置探测方法，包括以下步骤：
S1：在待测区域中设置N个检测单元，用于探测泄漏气体的气体浓度，N为大于等于3的正整数；
S2：在所述待测区域中定义多个坐标点；
S3：当至少三个所述检测单元检测出泄漏气体的气体浓度时，根据各所述检测单元至各所述坐标点的距离计算该泄漏气体从每一所述检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值；
S4：将每一所述坐标点处、由不同检测单元检测的气体浓度所计算出的气体浓度推算值叠加；以及
S5：根据各所述坐标点处气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。
优选地，每一所述检测单元包括传感器探头和传感器探头检测电路，其中所述传感器探头用于探测气体浓度并成比例转换为电流信号，所述传感器探头检测电路用于将该电流信号放大转换为电压信号。
优选地，当所述检测单元探测到泄漏气体的气体浓度时发出信号至上位机和/或发出报警信号和/或发出继电器开关信号以关闭气源的阀门。
优选地，所述气体泄漏位置探测方法还包括步骤还包括步骤：
S6：将计算得到的气体泄漏源的位置及该位置处的气体浓度推算值输出至上位机。
优选地，所述多个坐标点呈矩阵规则分布于所述待测区域中。
优选地，步骤S3中根据气体浓度函数计算出泄漏气体从检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，所述气体浓度函数仅以到达检测出气体浓度的检测单元的距离为变量。
相较于现有技术，本发明通过在待测区域设置多个检测单元并定义多个坐标点、将每个检测单元检测到的气体泄漏浓度推算到每个坐标点，以及将每个坐标点推算出的气体泄漏浓度值叠加，能够获得每个坐标点处的气体泄漏浓度总量，从而精确判断出气体泄漏源的位置。
附图说明
图1所示为本发明一实施例的气体泄漏探测装置的方块图；
图2所示为本发明一实施例的电流/电压放大器的电路图；
图3所示为本发明另一实施例的电流/电压放大器的电路图；
图4所示为本发明一实施例中待测区域内传感器探头和坐标点的位置示意图；
图5所示为气体泄漏的扩散示意图；
图6所示为在不同位置处泄漏气体的浓度与时间的关系图；
图7所示为本发明一实施例的气体泄漏位置探测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
图1所示为本发明一实施例的一种气体泄漏探测装置的方块图，如图1所示，本实施例中，气体泄漏探测装置包括至少三个检测单元1，定位单元2，计算单元3，确定单元4，并且可选地还包括控制单元5，通讯驱动电路6，报警信号电路7和继电器开关信号电路8。
其中，检测单元1分布于待测区域中，用于探测待测区域内泄漏气体的气体浓度。本实施例中，每个检测单元包括传感器探头和传感器探头检测电路。其中，传感器探头的接口优选为是标准通用的接口，从而可以配置不同气体的传感器探头来检测不同的气体浓度。传感器探头可感知所处环境中的气体浓度并成比例转换输出为电流信号，该电流信号在较远的距离上也不会存在信号衰减问题，由此传感器探头可以布置在相对较远的不同位置上。传感器驱动电路将传感器探头输出电流信号放大转换为电压信号。
本实施例中，传感器探头选择反应时间较快的电解型气体传感器。电解型气体传感器工作时，被测气体在传感器内部发生氧化还原反应，并释放电荷形成电流，电流的大小与被测气体的浓度成正比，从而通过检测此电流信号即可探测出气体的浓度。
探头检测电路为高精度电流/电压放大器，其典型的电路图如图2所示，图中电容C6为滤波电容，可滤除输入信号中的高频噪声，如果不考虑C6，则电路的传递函数为即为输入电流到输出电压的放大倍数。当合理设置电阻R3、R4和R5时，即可得到所需的放大倍数。当要求放大倍数较大时，例如电流到电压的放大倍数达到106，此时电阻(R3+R4//R5)也必须达到兆欧级，而兆欧级电阻温度系数与精度等参数很难达到较好的指标。这种情况可以将图2电路改进为如图3所示的电流/电压放大电路，当不考虑滤波电容C6时，则电路的传递函数为此时使用千欧级的电阻就可以达到106放大倍数，千欧级的电阻容易做到较好的温度系数和精度，从而可以提高产品总体的精度和温度性能。
定位单元2用于在待测区域中定义多个坐标点。如图4所示，本实施例中传感器探头的数量为8个，坐标点为16个，呈4×4矩阵规则分布在待测区域中。图中符号“×”定义为探测区域内的坐标点，按图中顺序用矩阵中的各元素表示各坐标点的名称，符号“○”为8个传感器探头，其中编号为1～4的传感器探头放置在探测区域的四角，其余5～8号传感器探头呈三角形排列放置在探测区域的中部。坐标点和传感器探头在探测区域内的位置坐标都是确定的。
计算单元3用于计算每个坐标点处的气体浓度推算值。具体地，当检测单元1检测出泄漏气体的气体浓度时，计算单元先根据各传感器探头至各坐标点的距离以及气体浓度函数来计算该泄漏气体从检测单元1扩散至各坐标点处的气体浓度推算值。
如图5所示，当在探测区域中的某一点O发生气体泄漏，距离O点由近到远的三点S1、S2、S3放置了三个传感器探头，如果没有其他外力影响，根据气体的扩散原理，气体将从浓度高的点扩散到浓度低的点，在扩散过程中，O点处气体浓度最高，并成圆环状逐渐降低，按时间先后距离气体泄漏点O距离最近的S1。传感器探头S1最先在t1时刻检测到泄漏气体的存在，之后传感器探头S2和S3也先后在t2时刻和t3时刻检测到泄漏气体。气体扩散过程中，各点浓度不相等，形成浓度梯度，如果探测区域空间足够大，气体浓度不会饱和，S1、S2、S3三点浓度将始终存在差值。因为查找气体泄漏源位置可以采用气体浓度的相对值而不需要采用绝对值，所以可以采用泄漏速度q为定值的某种确定气体为气体泄漏源，然后通过试验的方法测得气体的浓度函数f(l,t)，其中l为传感器探头到气体泄漏点的直线距离，t为时间，可得到图6所示的不同位置处的浓度-时间曲线，通过测得的浓度-时间曲线可知，当t足够大时，S1、S2、S3三点的浓度只和各自离泄漏源的距离l有关，即可以通过测试近似得到仅以距离气体泄漏源距离l为变量的泄漏气体浓度函数f(l)。
如前所述，坐标点和传感器探头的布设位置都是确定的，因此任一传感器探头和任一坐标点的距离也是确定的。例如图4中a11处发生气体泄漏时，距a11处最近的传感器探头1先检测到泄漏气体的存在，因为探头1和各坐标点的距离已知，所以可以通过气体浓度函数f(l)将传感器探头1处测得的气体浓度推算到从a11到a44的16个坐标点上。之后根据距离的远近，传感器探头6、5、7、4、2、8、3也将相继探测到泄漏气体的存在，在此过程中，只要某个传感器探头探测到泄漏气体，就实时地将该传感器探头测得的浓度通过函数f(l)推算到16个坐标点上。之后，计算单元3再将每个坐标点上的气体浓度通过叠加原理，将由所有检测到泄漏气体的传感器探头检测的气体浓度所计算出的浓度推算值叠加。确定单元4根据各个坐标点的气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。优选地，计算单元还可以将各个组成矩形的相邻4个坐标点的气体浓度叠加值再加和，确定单元将加和最大的4个坐标点组成的矩形区域确定为气体泄漏源的位置。
需要注意的是，当仅有1个或2个传感器探头检测到气体浓度时可能无法确定气体泄露源的具体泄漏位置，例如当气体泄漏源处于两个传感器探头连线的垂直平分线上时，与连线中点呈对称关系的两个点的气体浓度推算值相等。因此，本发明中必须当有3个检测单元获取气体浓度时才可通过上述叠加原理获得气体泄露源的位置。检测到浓度的检测单元的数量越多，确定的气体泄漏源位置也越精确。当坐标点设置比较密集时，也可以使用多台气体泄漏探测装置(提供更多的传感器探头)进行测量，可更加精确地探测到气体的泄漏位置。
请继续参考图1，本实施例中气体泄漏探测装置还包括控制单元5、通讯驱动电路6、报警信号电路7和继电器开关信号电路8。
其中，控制单元5例如为微处理器，微处理器可选择内部集成多路AD和DA的ADuC7026，例如集成16个ADC通道和4路DAC输出。控制单元5与检测单元1和确定单元4相连，可以采用全差分模式来实时采集多个传感器探头的输入信号，当传感器探头检测到气体泄漏时，控制单元5可通过通讯驱动电路6将数字信号发送给上位机提示上位机已经出现气体泄漏；也可以通过报警信号电路7发出报警信号至报警单元(例如是蜂鸣器或指示灯)进行声光报警；还可以通过继电器开关信号电路8使继电器关闭气源的阀门。当确定单元确定气体泄漏源的位置时，控制单元还可通过通讯驱动电路6提供气体泄漏源的具体浓度推算值和位置等信息给上位机。
请参见图7，本发明还提供了一种气体泄漏位置探测方法，包括以下步骤：
S1：在待测区域中设置多个检测单元，用于探测泄漏气体的气体浓度。其中检测单元的数量至少为3个。每一检测单元包括传感器探头和传感器探头检测电路，其中传感器探头用于探测气体浓度并成比例转换为电流信号，传感器探头检测电路用于将该电流信号放大转换为电压信号。
S2：在待测区域中定义多个坐标点。
本步骤中，较佳地，坐标点是呈矩阵规则分布在待测区域中。坐标点和检测单元在待测区域中的位置坐标都是确定的。
当要开始检测之前，将检测单元的各数据初始化，导入任一传感器与任一坐标点之间的距离。
S3：当至少三个所述检测单元检测出泄漏气体的气体浓度时，根据各检测单元和各坐标点的坐标计算该泄漏气体从每一所述检测出气体浓度的检测单元扩散至各坐标点处的气体浓度推算值。
如图所示，本步骤中，先获取当前时间点各个检测单元采样的数据，判断是否有至少3个检测单元检测到气体浓度，若没有则继续获取检测单元的采样数据；如果有的话则进行气体浓度推算值的计算。具体地，根据气体浓度函数计算出泄漏气体从检测出气体浓度的检测单元扩散至各坐标点处的气体浓度推算值，其中气体浓度函数仅以到达检测出气体浓度的检测单元的距离为变量。
S4：将每一坐标点处、由不同检测单元检测的气体浓度所计算出的气体浓度推算值叠加。
S5：根据各坐标点处气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。
本步骤中，可直接将气体浓度推算值的叠加值最大的坐标点作为气体泄漏源位置，还可以将各个组成矩形的相邻4个坐标点的气体浓度叠加值再加和，将加和最大的4个坐标点组成的矩形区域确定为气体泄漏源的位置。如图所示，判断每4个坐标点的加和值是否存在最大值，如果不存在，则重新进行检测单元数据采样的步骤，如果存在，那么确定加和最大的矩形区域为气体泄漏区域。
此外，优选地，在检测到气体泄漏的同时，可发出通讯信号至上位机提示出现气体泄漏，或报警信号进行报警，或发出继电器开关信号以关闭气源的阀门，还可将计算得到的气体泄漏源的位置及该位置处的气体浓度推算值也输出至上位机。
综上所述，本发明通过在待测区域设置多个检测单元并定义更多的坐标点、将每个检测单元检测到的气体泄漏浓度推算到每个坐标点，以及将每个坐标点推算出的气体泄漏浓度值叠加，能够获得每个坐标点处的气体泄漏浓度总量，从而精确判断出气体泄漏源的位置。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (12)

1.气体泄漏探测装置，用于探测待测区域内的气体泄漏位置，其特征在于，所述气体泄漏探测装置包括：
N个检测单元，分布于所述待测区域中，用于探测泄漏气体的气体浓度，N为大于等于3的正整数；
定位单元，用于在所述待测区域中定义多个坐标点；
计算单元，当至少三个检测单元检测出泄漏气体的气体浓度时，根据各所述检测单元至各所述坐标点的距离计算该泄漏气体从每一所述检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，并将每一所述坐标点处、由不同检测单元检测的气体浓度所计算出的气体浓度推算值叠加；
确定单元，根据各所述坐标点处气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。
2.根据权利要求1所述的气体泄漏探测装置，其特征在于，每一所述检测单元包括传感器探头和传感器探头检测电路，其中所述传感器探头用于探测气体浓度并成比例转换为电流信号，所述传感器探头检测电路用于将该电流信号放大转换为电压信号。
3.根据权利要求1所述的气体泄漏探测装置，其特征在于，所述气体泄漏探测装置还包括控制单元，以及通讯驱动电路、报警信号电路、和继电器开关信号电路中的至少一个；当所述检测单元探测到泄漏气体的气体浓度时，所述控制单元通过所述通讯驱动电路发送信号至上位机和/或通过报警信号电路发出报警信号进行报警和/或通过继电器开关信号电路发出继电器开关信号以关闭气源的阀门。
4.根据权利要求1所述的气体泄漏探测装置，其特征在于，所述气体泄漏探测装置还包括控制单元和通讯驱动电路，当至少三个所述检测单元探测到泄漏气体的气体浓度时，所述控制单元通过所述通讯驱动电路将所述气体泄漏源的位置及该位置处的气体浓度推算值输出至上位机。
5.根据权利要求1所述的气体泄漏探测装置，其特征在于，所述多个坐标点呈矩阵规则分布于所述待测区域中。
6.根据权利要求1所述的气体泄漏探测装置，其特征在于，所述计算单元根据气体浓度函数计算出所述泄漏气体从检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，所述气体浓度函数仅以到达检测出气体浓度的检测单元的距离为变量。
7.一种气体泄漏位置探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在待测区域中设置N个检测单元，用于探测泄漏气体的气体浓度，N为大于等于3的正整数；
S2：在所述待测区域中定义多个坐标点；
S3：当至少三个所述检测单元检测出泄漏气体的气体浓度时，根据各所述检测单元至各所述坐标点的距离计算该泄漏气体从每一所述检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值；
S4：将每一所述坐标点处、由不同检测单元检测的气体浓度所计算出的气体浓度推算值叠加；
S5：根据各所述坐标点处气体浓度推算值的叠加值确定气体泄漏源的位置。
8.根据权利要求7所述的气体泄漏位置探测方法，其特征在于，每一所述检测单元包括传感器探头和传感器探头检测电路，其中所述传感器探头用于探测气体浓度并成比例转换为电流信号，所述传感器探头检测电路用于将该电流信号放大转换为电压信号。
9.根据权利要求7所述的气体泄漏位置探测方法，其特征在于，当所述检测单元探测到泄漏气体的气体浓度时发出信号至上位机和/或发出报警信号和/或发出继电器开关信号以关闭气源的阀门。
10.根据权利要求7所述的气体泄漏位置探测方法，其特征在于，还包括步骤：
S6：将计算得到的气体泄漏源的位置及该位置处的气体浓度推算值输出至上位机。
11.根据权利要求7所述的气体泄漏位置探测方法，其特征在于，所述多个坐标点呈矩阵规则分布于所述待测区域中。
12.根据权利要求7所述的气体泄漏位置探测方法，其特征在于，步骤S3中根据气体浓度函数计算出泄漏气体从检测出气体浓度的检测单元扩散至各所述坐标点处的气体浓度推算值，所述气体浓度函数仅以到达检测出气体浓度的检测单元的距离为变量。
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