CN110553587B - 一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法，包括以下步骤：(A)在扫描区域一条边线的两端分别安装两台激光遥测甲烷测试仪，两台激光遥测甲烷测试仪在扫描区域的上方处于同一水平面上；(B)当检测到泄漏点时，设定第一台激光遥测甲烷测试仪为坐标原点，根据水平角度β1、β2和距离L,通过以下方程式导出泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向和纵向坐标值；(C)根据垂直角度α1计算出作为泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪安装水平面的垂直距离值的Z值。本发明通过固定的两台或多台激光甲烷测试仪对需要监测区域进行无遗漏全景扫描，通过两束激光或多束激光可以实现对甲烷泄漏点的精确定位。

Description

一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法
技术领域
本发明涉及一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法。
背景技术
目前，我国现场使用检测甲烷气体报警仪的一般形式为催化燃烧式。仪表寿命与催化剂使用寿命有直接联系，一般仪表平均使用年限为2年左右，如使用环境恶劣，可能只有半年。催化燃烧式甲烷检测仪是近距离检测方式,要求把探头置于燃气可能泄漏的环境中,探头与甲烷气体需要直接接触,是一种消耗型传感器，寿命短，响应慢，需要频繁校准。这种化学反应式检测仪对湿度、温度、压力以及环境气体很敏感，会出现误报。同时，这种测量方式受地理条件所限，只能测量传感器当前位置的气体含量，对于高处、狭窄区域、隔着玻璃或围栏等障碍外区域无法及时准确测量。
激光遥测甲烷是无需与气体直接接触的光学探测技术。激光遥测仪具有无中毒，无老化，无交叉干扰，抗湿、抗粉尘、抗震动能力强，寿命长，响应快，误差小测量范围大，低功耗等优点。激光遥测技术可实现本质安全连续的状态监测。被欧洲标准IEC 61508认为是安全传感器的“最佳检验方法”。这些优点弥补了传统气体检测仪的缺点，激光气体检测仪器占领更广泛的行业高端市场，并在未来逐步成为市场主流。
全球天然气行业的快速发展，也进一步推动了天然气泄漏监测市场的发展。据相关数据显示，2022年全球石油和天然气泄漏检测市场规模预计将达到33.8亿美元，2016-2022年期间的复合年增长率为6.9％。
当前，我国经济正处于高速增长期，国家对安全及环保的高度重视、相关政策和法规陆续出台，极大地刺激了气体仪器仪表行业市场容量的迅速扩大。据阿里巴巴旗下商友圈不完全预测，未来几年国内每年各行业使用激光原理气体检测仪器仪表的需求量将达到170万台(套)，前景广阔、增长迅速。
激光测甲烷技术是通过分析被气体部分吸收的反射光来测量气体浓度的一种方法。它通常使用单一窄带的激光频率扫描一条独立的气体吸收线。使用TDLAS原理测量时，二极管激光器输出特定波长范围内的窄带激光。通过对激光器进行调制，波长覆盖被测气体的吸收峰。通过对比吸收峰的强度与原始光强，可以计算出气体浓度。
目前，国内激光遥测甲烷已有多家进行开发。一般通过摄像机与激光甲烷检测仪配合使用进行甲烷泄漏定位。当甲烷监测仪发现甲烷泄漏时，摄像机进行拍摄图像，将图像传到计算机上，从而，确定泄漏区域。但，不能达到泄漏点精准定位。
目前，现场应用的甲烷检测仪是一种消耗型传感器，寿命短，响应慢，需要频繁校准。这种化学反应式检测仪对湿度、温度、压力以及环境气体很敏感，会出现误报。同时，这种测量方式受地理条件所限，只能测量传感器当前位置的气体含量，对于高处、狭窄区域、隔着玻璃或围栏等障碍外区域无法及时准确测量。
激光甲烷监测仪在行业内已有开发，正处于市场化初级阶段。由于激光测甲烷浓度的原理可知，激光测甲烷浓度采用的方法为所照射的整个光线上甲烷吸收相对波长光线经过计算来确定浓度，因此，激光测甲烷的浓度单位为ppm*m。所以，激光测试甲烷泄漏点只能是某个方向上的确定。市场中一般产品采用预设定点监测方法进行甲烷监测。通过人为预测甲烷容易泄漏点，对云台进行预设，对容易泄漏的区域进行监测。当某个区域甲烷泄漏时，进行报警，并确定甲烷泄漏位置。此方法缺点是只能对预设点进行监测，不能达到整个范围无遗漏监测。也有部分产品采用摄像机与激光甲烷测试配合使用。当激光甲烷测试仪发现甲烷泄漏时，摄像机进行拍照，将甲烷泄漏区域图像上传到计算机，来确定甲烷泄漏区域。缺点是只能确定泄漏区域范围，不能达到精准定位。
市场中产品采取预设点方式进行逐点检测，通过人为预设的点来确定甲烷泄漏位置,示意图如图1。不能达到真正无遗漏的检测空间甲烷情况。部分产品采用摄像机与激光甲烷测试配合使用。当激光甲烷测试仪发现甲烷泄漏时，摄像机进行拍照，将甲烷泄漏区域图像上传到计算机，来确定甲烷泄漏区域。缺点是只能确定泄漏区域范围，不能达到精准定位。
发明内容
本发明提供了一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法。此方法通过固定的两台或多台激光甲烷测试仪对需要监测区域进行无遗漏全景扫描。通过两束激光或多束激光进行准确确定甲烷泄漏点。当一台激光甲烷测试仪发现甲烷泄漏时，通过编写程序读取测试仪旋转的水平角度值和垂直角度值，另一台测试仪进行同样的操作，同时读取另一组水平角度值和垂直角度值。根据各角度值和两台测试仪直线距离，可以准确计算出甲烷泄漏位置空间三维坐标。
本发明的使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法包括以下步骤：
(A)在扫描区域一条边线的两端分别安装两台激光遥测甲烷测试仪，两台激光遥测甲烷测试仪在扫描区域的上方处于同一水平面上；
(B)当检测到泄漏点时，设定第一台激光遥测甲烷测试仪为坐标原点，根据水平角度β1、β2和距离L,通过以下方程式导出泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向和纵向坐标值：
Figure GDA0003313274840000031
X＝L×tanβ2/(tanβ1+tanβ2) (2)
Y＝L×tanβ1tanβ2/(tanβ1+tanβ2) (3)
β1：第一台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值；
β2：第二台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值；
L:第一台和第二台激光遥测甲烷测试仪的距离值；
X:泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向坐标值；
Y：泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的纵向坐标值；
(C)根据垂直角度α1计算出作为泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪安装水平面的垂直距离值的Z值。
进一步，第一台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值β1是指第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪之间的连线的角度；
第二台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值β2是指第二台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪之间的连线的角度。
进一步地，垂直角度α1是指，第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点之间的连线的角度。
测试仪的安装高度一般为3-10，优选4-6m，进一步约5m，进一步地，在扫描区域的一条边线上安装立柱，测试仪固定在立柱顶端。一般地，两测试仪直线距离相距10-50m，优选约20-40m，进一步例如30m。
测试仪水平扫描有效范围(测试仪安装在需要监测区域的两个端点，如附图2所示。监测区域在测试仪水平转动90°角范围内，此范围为水平扫描有效范围)为90°，垂直扫描有效范围(测试仪安装在需要监测区域的两个端点，如附图2所示。监测区域在测试仪安装位置向下垂直转动90°角范围内，此范围为垂直扫描有效范围)90°。
进一步地，步骤(C)中，Z值根据垂直角度α1和L1计算：
Z＝L1×tanα1
α1:第一台激光遥测甲烷测试仪垂直转动的角度值；
Z:泄漏点相对测试仪安装水平面的垂直距离值；
L1根据X、Y的值计算：
Figure GDA0003313274840000041
通过以上计算，可以得出泄漏点空间坐标(X、Y、Z),X、Y、Z是相对第一台激光遥测甲烷测试仪为原点的坐标值，确定甲烷泄漏点空间位置。
本发明的优点
本发明通过固定的两台或多台激光甲烷测试仪对需要监测区域进行无遗漏全景扫描，通过两束激光或多束激光可以实现对甲烷泄漏点的精确定位。
附图说明
图1为现有技术通过人为预设的点来确定甲烷泄漏位置的示意图。
图2为使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步地详细描述，给出的实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。
如图1所示，使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法包括以下步骤：
(A)在扫描区域一条边线的两端分别安装两台激光遥测甲烷测试仪1、2，两台激光遥测甲烷测试仪在扫描区域的上方处于同一水平面上；
(B)当检测到泄漏点3时，设定第一台激光遥测甲烷测试仪1为坐标原点，根据水平角度β1、β2和距离L,通过以下方程式导出泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向和纵向坐标值：
Figure GDA0003313274840000051
X＝L×tanβ2/(tanβ1+tanβ2) (2)
Y＝L×tanβ1tanβ2/(tanβ1+tanβ2) (3)
β1：第一台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值；
β2：第二台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值；
L:第一台和第二台激光遥测甲烷测试仪的距离值；
X:泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向坐标值；
Y：泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的纵向坐标值；
(C)根据垂直角度α1计算出作为泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪安装水平面的垂直距离值的Z值。
进一步，第一台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值β1是指第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点3’之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪之间的连线的角度；
第二台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值β2是指第二台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点3’之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪之间的连线的角度。
进一步地，垂直角度α1是指，第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点3’之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点之间的连线的角度。
测试仪的安装高度一般为3-10m，优选4-6m，进一步约5m，进一步地，在扫描区域的一条边线上安装立柱，测试仪固定在立柱顶端。一般地，两测试仪直线距离相距10-50m，优选约20-40m，进一步例如30m。
测试仪水平扫描有效范围(测试仪安装在需要监测区域的两个端点，如附图2所示。监测区域在测试仪水平转动90°角范围内，此范围为水平扫描有效范围)为90°，垂直扫描有效范围(测试仪安装在需要监测区域的两个端点，如附图2所示。监测区域在测试仪安装位置向下垂直转动90°角范围内，此范围为垂直扫描有效范围)90°。
进一步地，步骤(C)中，Z值根据垂直角度α1和L1计算：
Z＝L1×tanα1
α1:第一台激光遥测甲烷测试仪垂直转动的角度值；
Z:泄漏点相对测试仪安装水平面的垂直距离值；
L1根据X、Y的值计算：
Figure GDA0003313274840000061
实施例
采用两台测试仪，两台测试仪分别安装在扫描区域一个边线的两端上，边线上安装立柱，立柱高5m测试仪固定在立柱顶端。两测试仪直线距离相距30m。测试仪水平扫描有效范围为45°，垂直扫描有效范围90°。程序设定测试仪只在有效范围内进行扫描。设定第一台激光遥测甲烷测试仪1为坐标原点，在区域内放置透明的甲烷采样袋模拟甲烷泄漏。两测试仪进行扫描，第一台激光遥测甲烷测试仪1扫描到甲烷气体时，停止扫描，此时角度反馈到主机；第二台激光遥测甲烷测试仪2进行同样扫描，将角度信息反馈到主机。主机通过程序进行计算，确定甲烷空间坐标。
测试角度值为：
β1：22.59°
β2：16.59°
α1：16.46°
坐标程序计算结果：
X＝L×tanβ2/(tanβ1+tanβ2)
X＝30×tan16.59°/(tan22.59°+tan16.59°)
＝30×0.2979/(0.4161+0.2979)
＝30×0.4172
＝12.52(m)
Y＝L×tanβ1tanβ2/(tanβ1+tanβ2)
Y＝30×tan22.59°/(tan22.59°+tan16.59°)
＝5.2(m)
Figure GDA0003313274840000071
Figure GDA0003313274840000072
Z＝L1×tanα1
Z＝13.56×tan16.46
＝4.01(m)
通过以上计算，可以确定泄漏点的坐标X、Y、Z：(12.52、5.2、4.01)。可以准确的确定甲烷泄漏点的空间坐标。

Claims (7)

1.一种使用激光遥测甲烷测试仪对泄漏点精准定位的方法，包括以下步骤：
(A)在扫描区域一条边线的两端分别安装两台激光遥测甲烷测试仪，两台激光遥测甲烷测试仪在扫描区域的上方处于同一水平面上；
(B)当检测到泄漏点时，设定第一台激光遥测甲烷测试仪为坐标原点，根据水平角度β1、β2和距离L,通过以下方程式导出泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向和纵向坐标值：
Figure FDA0003313274830000011
X＝L×tanβ2/(tanβ1+tanβ2) (2)
Y＝L×tanβ1tanβ2/(tanβ1+tanβ2) (3)
β1：第一台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值；
β2：第二台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值；
L:第一台和第二台激光遥测甲烷测试仪的距离值；
X:泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的横向坐标值；
Y：泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪的纵向坐标值；
(C)根据垂直角度α1计算出作为泄漏点相对第一台激光遥测甲烷测试仪安装水平面的垂直距离值的Z值，
步骤(C)中，Z值根据垂直角度α1和L1计算：
Z＝L1×tanα1
α1:第一台激光遥测甲烷测试仪垂直转动的角度值；
Z:泄漏点相对测试仪安装水平面的垂直距离值；
L1根据X、Y的值计算：
Figure FDA0003313274830000012
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值β1是指第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪之间的连线的角度；
第二台激光遥测甲烷测试仪水平方向的角度值β2是指第二台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪之间的连线的角度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，垂直角度α1是指，第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点在第一台激光遥测甲烷测试仪平面上的投射点之间的连线，相对于第一台激光遥测甲烷测试仪与泄漏点之间的连线的角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪的安装高度为3-10m；两测试仪直线距离相距10-50m。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪的安装高度为4-6m，两测试仪直线距离相距20-40m。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，第一台激光遥测甲烷测试仪与第二台激光遥测甲烷测试仪的安装高度为5m，两测试仪直线距离相距30m。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在扫描区域的一条边线上安装立柱，测试仪固定在立柱顶端。
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