CN110793935A - 一种激光光谱气体漏源检测定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光谱气体漏源检测定位系统及方法，包括电流信号发生器、激光驱动器、可调谐二极管激光器、气体样品池、激光接收单元、带多路电信号输出的光/电信号转换器、锁相放大器、定位控制单元、数据处理单元、调Q电光开关、报警显示单元。本发明使用电流进行波长调制技术和反演计算得到气体浓度的检测方法，并利用测量所得到的气体浓度大小确定气体方位，通过激光调Q技术发射脉冲激光飞行时间的测量确定气体泄漏距离和定位，解决现有激光气体探测器只能探测气体浓度，不能定位的问题。

Description

一种激光光谱气体漏源检测定位系统及方法

技术领域

本发明涉及到石油管道气体检测设备技术领域，特别涉及一种激光光谱 气体漏源检测定位系统及方法。

背景技术

随着安全生产越来越受到生产部门的重视。一种具有使用寿命长、标定 周期长、探测范围宽、误报率低，采用激光吸收光谱检测气体浓度的技术得 到越来越广泛的应用。

现有的基于光谱吸收技术的激光光谱气体检测仪虽然可以实现对自由空 间气体泄漏浓度的检测，但这些激光光谱气体检测仪只检测一定范围内的气 体浓度，对此范围内的具体气体泄漏源位置无法识别，需要采用专用仪器人 工检查才能发现泄漏源位置，不利于尽快发现危险，及时维修、解决安全隐 患、恢复生产。尤其人工检查时，存在一定的人身安全隐患。

石油化工油气站场(或装置)、油气长输管道站场，在生产运行过程中， 可能存在可燃气体或有毒气体泄漏的危险，一但泄漏，如不及时发现，采取 措施，极易引发火灾、爆炸、中毒等恶性事故，造成人身伤亡和重大经济损 失。

石油化工装置目前采用的激光气体探测器(检测仪)，均采用了吸收光 谱技术，有采用三角波或锯齿波的直接吸收光谱气体检测技术，或各类波长 调制吸收光谱气体检测技术等。一般由激光发射装置、已知样品气体、激光 接收装置、激光探测器、分析计算和数据处理单元等组成。

这些检测技术虽然避免了点式探测器存在的使用寿命短、灵敏度低、探 测范围窄等缺陷，但是，该检测技术只能探测某个区域内气体浓度，不能检 测气体泄漏源位置，不能尽快发现泄漏点，及时维修、解决安全隐患、恢复 生产。只是提高了测量准确度，但是不能测量收发装置到目标的距离，无法 实现定位。

发明内容

发明的目的在于提供一种激光光谱气体漏源检测定位系统及方法，本发 明使用电流进行波长调制技术和反演计算得到气体浓度的检测方法，并利用 测量所得到的气体浓度大小确定气体方位，通过激光调Q技术发射脉冲激光 飞行时间的测量确定气体泄漏距离和定位，解决现有激光气体探测器只能探 测气体浓度，不能定位的问题，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光光谱气体漏源检 测定位系统，包括电流信号发生器、激光驱动器、可调谐二极管激光器、气 体样品池、激光接收单元、带多路电信号输出的光/电信号转换器、锁相放大 器、定位控制单元、数据处理单元、调Q电光开关、报警显示单元，所述电 流信号发生器的输出端连接到激光驱动器的电流驱动模块端；所述激光驱动 器的激光驱动端面向可调谐二极管激光器的激光入射端，可调谐二极管激光 器激光信号发射端面向气体样品池激光信号输入端，当发射激光脉冲串条件 下，可调谐二极管激光器激光信号发射端面向光/电信号转换器激光信号输入 端；所述气体样品池激光信号出口面向激光接收单元的激光信号输入端，激 光接收单元的激光信号输出端面向光/电信号转换器激光信号输入端；所述光/ 电信号转换器一路电信号输出端面向锁相放大器信号输入端，另一路电信号 输出端面向定位控制单元的信号输入端；所述锁相放大器信号输出端和定位 控制单元信号输出端面向数据处理单元输入端；所述数据处理单元输出端面 向报警显示单元的信号输入端。

进一步地，所述气体样品池为密闭容器室，设置激光入射口和出射口。

进一步地，所述定位控制单元包括定位控制器、整形放大器、时点计数 器，整形放大器的信号输出端面向时点计数器的信号输入端。

进一步地，所述定位控制器的信号输出端面向电流信号发生器和调Q电 光开关的信号输入端。

进一步地，所述调Q电光开关与电流信号发生器、激光驱动器、可调谐 二极管激光器组成激光发射单元。

进一步地，所述数据处理单元可采用嵌入式逻辑控制器或其他微处理器。

进一步地，所述报警显示单元可采用盘装仪表或触摸屏、监视器。

本发明提供另一种技术方案：一种激光光谱气体漏源检测定位方法，包 括如下步骤：

步骤1：电流信号发生器向激光驱动器电流模块注入40mA到l30mA电 流，激光驱动器控制可调谐二极管激光器工作温度和注入电流从40mA到 l30mA连续变化，进行输出波长调制；

步骤2：经调制的调谐激光光波照射气体样品池的待测气体后，某些波长 被吸收后的激光信号由激光接收单元接受，光/电信号转换器将激光接收单元 采集的携带有气体信息的光信号转换为电信号并经放大后，给锁相放大器进 行频率和相位调节；

步骤3：得到符合要求的二次谐波信号输出给数据处理单元，利用线性拟 合法进行分析反演计算从而得到准确的气体浓度；

步骤4：数据处理单元将气体浓度信号输出给定位控制单元的定位控制 器，定位控制器根据检测的最大气体浓度值；

步骤5：触发激光发射单元的调Q电光开关发射脉冲激光串到气体样品 池，从中提取部分主波送到光/电信号转换器进行光电转化为电信号给整形放 大器放大处理；

步骤6：触发计时计数器开始计数，当光/电信号转换器接受到来自激光 接收单元的脉冲激光信号，并经过光电转换成电信号给定位控制单元的定位 控制器时；

步骤7：控制计时计数器停止计数、控制激光发射单元的调Q电光开关 停止发射脉冲激光、控制电流信号发生器注入电流给激光器再开始发射连续 调谐激光到气体样品池的待测气体测量气体浓度，周而复始；

步骤8：定位控制单元将接收到的激光脉冲发射到气体池发射峰值功率及 返回激光接受系统的接受峰值功率等信号传输到数据处理单元进行融合计 算，得到被测气体泄漏方位和距离值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用光谱吸收技术，不但可以检测大空间的气体浓度，同时引 入了激光调Q技术发射激光脉冲检测到气体泄漏源距离，实现气体定位。

2、本发明采用激光波长调制技术得到曲线稳定性和线型状态俱佳的二次 谐波信号作为检测信号，提高了测量精度。

3、本发明采用平均法进行抑制噪声处理，同时利用线性拟合法进行浓度 反演计算，得到准确的气体浓度梯度值。

4、本发明激光发射单元集成了激光驱动器、激光发射器和激光调Q电光 开关。具有结构紧凑、体积小，功能全特点。

5、本发明采用一个可调谐二极管激光器，即实现波长调制发射连续激光 精确测量气体浓度梯度值用于跟踪气体方位，又可发射脉冲激光测距定位。 避免了传统的激光发生器发射不同种类激光，需要采用不同激光器造成的高 成本、体积大等缺陷。

6、本发明实现了远距离、非接触式检测，安全性高；具有灵敏度高，满 足微小泄漏检测需求，降低漏检率。

附图说明

图1为本发明的激光光谱气体漏源检测定位系统的原理框图。

图中：1、电流信号发生器；2、激光驱动器；3、可调谐二极管激光器； 4、气体样品池；5、激光接收单元；6、光/电信号转换器；7、锁相放大器；8、 定位控制单元；9、数据处理单元；10、调Q电光开关；11、报警显示单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1展示了本发明的激光光谱气体漏源检测定位系统的原理框图，一种 激光光谱气体漏源检测定位系统，包括电流信号发生器1、激光驱动器2、可 调谐二极管激光器3、气体样品池4、激光接收单元5、带多路电信号输出的 光/电信号转换器6、锁相放大器7、定位控制单元8、数据处理单元9、调Q 电光开关10、报警显示单元11，电流信号发生器1的输出端连接到激光驱动 器2的电流驱动模块端；激光驱动器2的激光驱动端面向可调谐二极管激光 器3的激光入射端，可调谐二极管激光器3激光信号发射端面向气体样品池4 激光信号输入端，当发射激光脉冲串条件下，可调谐二极管激光器3激光信 号发射端面向光/电信号转换器6激光信号输入端；气体样品池4激光信号出 口面向激光接收单元5的激光信号输入端，激光接收单元5的激光信号输出 端面向光/电信号转换器6激光信号输入端；光/电信号转换器6一路电信号输 出端面向锁相放大器7信号输入端，另一路电信号输出端面向定位控制单元8 的信号输入端；锁相放大器7信号输出端和定位控制单元8信号输出端面向 数据处理单元9输入端；数据处理单元9输出端面向报警显示单元11的信号 输入端。

电流信号发生器1向激光驱动器2电流模块注入40mA到l30mA电流。

激光驱动器2带有电流驱动模块和温度控制功能，控制可调谐二极管激 光器3工作温度和注入电流从40mA到l30mA变化，进行输出波长调制。

在调Q电光开关作用下，由激光驱动器驱动该设备发射一束10^-8秒量级、 脉宽10-20ns激光脉冲串。

可调谐二极管激光器3在电流源的激励下激光驱动器驱动该设备输出一 束波长和光强随驱动电流变化的光信号，中心发射波长为1653.4nm，边模抑 制比45dB。阈值工作电流为40mA，最大工作电流130mA，工作温度范围为 -5℃～70℃。通过控制注入电流和温度进行波长调制。

样品池4为密闭容器室，设置激光入射口和出射口，里面为已知浓度的 待测气体。

激光接收单元5接受调谐激光的光波连续照射气体样品池待测气体后的 激光信号；在调Q电光开关作用下，接受脉冲激光串光波照射气体样品池待 测气体后的激光信号。

为光/电转换器6自带放大器，将采集携带有气体信息的光信号转换为电 信号并经放大后送到锁相放大器或定位控制单元进行处理。

为锁相放大器7，对上述信号进行相敏检测，实现带宽和相位调节，得到 符合要求的二次谐波信号输出给数据处理单元。

定位控制单元8包括定位控制器、整形放大器、时点计数器，整形放大 器的信号输出端面向时点计数器的信号输入端。定位控制器的信号输出端面 向电流信号发生器1和调Q电光开关10的信号输入端。

调Q电光开关10与电流信号发生器1、激光驱动器2、可调谐二极管激 光器3组成激光发射单元。

定位控制单元8包括定位控制器、整形放大器、时点计数器。根据检测 的气体最大浓度信号触发激光发射装置发射脉冲激光串，实现气体泄漏定位， 并输出信号给数据处理单元9。

定位控制器根据检测的的气体最大浓度信号触发激光发射装置发射脉冲 激光串，接受光/电转换器来自激光接收单元的脉冲激光电信号控制计时计数 器的时点判别电路产生“结束脉冲”停止计数，激光发射装置的调Q元件电 光开关停止发射脉冲激光，电流信号发生器注入电流激光器再开始发射连续 调谐激光。

整形放大器对经光/电转换器6发送的激光脉冲电信号进行放大处理，给 计时计数器的时点判别电路产生“起始脉冲”，识别并开始计时计数。

时点计数器带时点判别电路和计数电路，能判别“起始脉冲”和“结束 脉冲”，并启停计时计数功能。

数据处理单元9，可采用嵌入式逻辑控制器或其他微处理器。

将检测所得到的二次谐波信号，采用平均法进行抑制噪声处理，同时利 用线性拟合法进行浓度反演计算，得到准确的气体浓度。并将气体最大浓度 信号输出给定位控制单元8的定位控制器触发激光发射装置调Q元件发射脉 冲激光串，同时采集激光脉冲发射单元及接收单元的激光发射峰值功率、接 受峰值功率等相关信号，经过分析计算，得到如下测距方程：

其中：

Pt——激光发射单元的发射峰值功率；

Pγ——激光接收单元的接受峰值功率；

Tt——发射光学系统的透过率；

Tγ——接受光学系统的透过率；

Aγ——接受光学系统面积；

ρ——目标漫反射系数；

Ta——大气或其他介质的单程透过率；

R——目标距离。

按照该数学模型方程，即可在报警显示单元显示出被测气体泄漏位置距 激光测距装置的距离。

激光调Q电光开关10置于激光发射单元内用于触发激光发射器产生脉冲 激光。

报警显示单元11，可采用盘装仪表或触摸屏、监视器等，用于气体浓度 显示、报警及被测气体距离显示。

本实施例还提供了一种激光光谱气体漏源检测定位方法，包括如下步骤：

步骤1：电流信号发生器1向激光驱动器2电流模块注入40mA到l30mA 电流，激光驱动器2控制可调谐二极管激光器3工作温度和注入电流从40mA 到l30mA连续变化，进行输出波长调制；

步骤2：经调制的调谐激光光波照射气体样品池4的待测气体后，某些波 长被吸收后的激光信号由激光接收单元5接受，光/电信号转换器6将激光接 收单元5采集的携带有气体信息的光信号转换为电信号并经放大后，给锁相 放大器7进行频率和相位调节；

步骤3：得到符合要求的二次谐波信号输出给数据处理单元9，利用线性 拟合法进行分析反演计算从而得到准确的气体浓度；

步骤4：数据处理单元9将气体浓度信号输出给定位控制单元的定位控制 器，定位控制器根据检测的最大气体浓度值；

步骤5：触发激光发射单元的调Q电光开关10发射脉冲激光串到气体样 品池4，从中提取部分主波送到光/电信号转换器6进行光电转化为电信号给 整形放大器放大处理；

步骤6：触发计时计数器开始计数，当光/电信号转换器6接受到来自激 光接收单元的脉冲激光信号，并经过光电转换成电信号给定位控制单元8的 定位控制器时；

步骤7：控制计时计数器停止计数、控制激光发射单元的调Q电光开关 10停止发射脉冲激光、控制电流信号发生器1注入电流给激光器再开始发射 连续调谐激光到气体样品池的待测气体测量气体浓度，周而复始；

步骤8：定位控制单元将接收到的激光脉冲发射到气体池发射峰值功率及 返回激光接受系统的接受峰值功率等信号传输到数据处理单元9进行融合计 算，得到被测气体泄漏方位和距离值。

本发明基于波长调制和采用激光脉冲串飞行时间测量技术，对及时发现 易燃易爆、有毒有害气体泄漏位置，采取解决措施，提高石油化工安全生产 水平具有举足轻重的意义，本发明可以探测气体的距离为200m，测距误差 0.1m。

综上所述，本发明提出的激光光谱气体漏源检测定位系统及方法，本发 明使用电流进行波长调制技术和反演计算得到气体浓度的检测方法，并利用 测量所得到的气体浓度大小确定气体方位，通过激光调Q技术发射脉冲激光 飞行时间的测量确定气体泄漏距离和定位，解决现有激光气体探测器只能探 测气体浓度，不能定位的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根 据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光光谱气体漏源检测定位系统，包括电流信号发生器(1)、激光驱动器(2)、可调谐二极管激光器(3)、气体样品池(4)、激光接收单元(5)、带多路电信号输出的光/电信号转换器(6)、锁相放大器(7)、定位控制单元(8)、数据处理单元(9)、调Q电光开关(10)、报警显示单元(11)，其特征在于，所述电流信号发生器(1)的输出端连接到激光驱动器(2)的电流驱动模块端；所述激光驱动器(2)的激光驱动端面向可调谐二极管激光器(3)的激光入射端，可调谐二极管激光器(3)激光信号发射端面向气体样品池(4)激光信号输入端，当发射激光脉冲串条件下，可调谐二极管激光器(3)激光信号发射端面向光/电信号转换器(6)激光信号输入端；所述气体样品池(4)激光信号出口面向激光接收单元(5)的激光信号输入端，激光接收单元(5)的激光信号输出端面向光/电信号转换器(6)激光信号输入端；所述光/电信号转换器(6)一路电信号输出端面向锁相放大器(7)信号输入端，另一路电信号输出端面向定位控制单元(8)的信号输入端；所述锁相放大器(7)信号输出端和定位控制单元(8)信号输出端面向数据处理单元(9)输入端；所述数据处理单元(9)输出端面向报警显示单元(11)的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种激光光谱气体漏源检测定位系统，其特征在于，所述气体样品池(4)为密闭容器室，设置激光入射口和出射口。

3.根据权利要求1所述的一种激光光谱气体漏源检测定位系统，其特征在于，所述定位控制单元(8)包括定位控制器、整形放大器、时点计数器，整形放大器的信号输出端面向时点计数器的信号输入端。

4.根据权利要求3所述的一种激光光谱气体漏源检测定位系统，其特征在于，所述定位控制器的信号输出端面向电流信号发生器(1)和调Q电光开关(10)的信号输入端。

5.根据权利要求4所述的一种激光光谱气体漏源检测定位系统，其特征在于，所述调Q电光开关(10)与电流信号发生器(1)、激光驱动器(2)、可调谐二极管激光器(3)组成激光发射单元。

6.根据权利要求1所述的一种激光光谱气体漏源检测定位系统，其特征在于，所述数据处理单元(9)可采用嵌入式逻辑控制器或其他微处理器。

7.根据权利要求1所述的一种激光光谱气体漏源检测定位系统，其特征在于，所述报警显示单元(11)可采用盘装仪表或触摸屏、监视器。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的激光光谱气体漏源检测定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：电流信号发生器(1)向激光驱动器(2)电流模块注入40mA到l30mA电流，激光驱动器(2)控制可调谐二极管激光器(3)工作温度和注入电流从40mA到l30mA连续变化，进行输出波长调制；

步骤2：经调制的调谐激光光波照射气体样品池(4)的待测气体后，某些波长被吸收后的激光信号由激光接收单元(5)接受，光/电信号转换器(6)将激光接收单元(5)采集的携带有气体信息的光信号转换为电信号并经放大后，给锁相放大器(7)进行频率和相位调节；

步骤3：得到符合要求的二次谐波信号输出给数据处理单元(9)，利用线性拟合法进行分析反演计算从而得到准确的气体浓度；

步骤4：数据处理单元(9)将气体浓度信号输出给定位控制单元的定位控制器，定位控制器根据检测的最大气体浓度值；

步骤5：触发激光发射单元的调Q电光开关(10)发射脉冲激光串到气体样品池(4)，从中提取部分主波送到光/电信号转换器(6)进行光电转化为电信号给整形放大器放大处理；

步骤6：触发计时计数器开始计数，当光/电信号转换器(6)接受到来自激光接收单元的脉冲激光信号，并经过光电转换成电信号给定位控制单元(8)的定位控制器时；

步骤7：控制计时计数器停止计数、控制激光发射单元的调Q电光开关(10)停止发射脉冲激光、控制电流信号发生器(1)注入电流给激光器再开始发射连续调谐激光到气体样品池的待测气体测量气体浓度，周而复始；

步骤8：定位控制单元将接收到的激光脉冲发射到气体池发射峰值功率及返回激光接受系统的接受峰值功率等信号传输到数据处理单元(9)进行融合计算，得到被测气体泄漏方位和距离值。

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