CN111208082A - 基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，气体检测系统包括两个光源：用于检测区域中气体吸收的中红外激光器，以及用于检测中红外激光器的光程长度的近红外激光器。根据TDLAS技术，基于发射和反射的中红外光束的相对强度差确定吸收强度。中红外激光器使用波长调制技术来提高吸收测定的信噪比。通过分析另外一束近红外光束的飞行时间来确定路径长度。气体检测系统使用确定的吸收和路径长度计算区域中的气体浓度，从而推断是否存在气体泄漏以及泄漏的严重程度。
Description
技术领域
本发明创造属于光学检测技术领域，尤其是涉及一种基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统。
背景技术
中国的天然气消费量将迅速增加。但是，与此同时，天然气输送基础设施正在老化。因此，可靠和及时的天然气泄漏检测对于确保天然气输送基础设施的可靠性至关重要。
检测天然气泄漏的常规非光学方法基于各种机制，例如人工检查、声学监测、气体采样、化学传感器、流量监控等，但是，这些检测方法通常不可靠，效率低下且昂贵。
现有的气体光学检测技术中，采用单激光检测，检测精度低，且不能获得绝对浓度；多激光检测也只是将多个单激光检测简单的拼凑在一起，体积大，成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，检测精度高。
本方案的核心思想：包括两个光源：用于检测区域中气体吸收的中红外激光器，以及用于检测中红外激光器的光程长度的近红外激光器。根据TDLAS技术，基于发射和反射的中红外光束的相对强度差确定吸收强度。中红外激光器使用波长调制技术来提高吸收测定的信噪比。通过分析另外一束近红外光束的飞行时间来确定路径长度。气体检测系统使用确定的吸收和路径长度计算区域中的气体浓度，从而推断是否存在气体泄漏以及泄漏的严重程度。同时系统还可以在初步检测到疑似泄漏区后缩小中红外激光的光束大小(变焦设计)，以便更精确测量疑似泄漏区的气体浓度。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，包括：泄漏检测模块，包括第一光源、第一光检测器以及耦合至光源和光检测器的第一控制器，所述第一光源包括一个或多个激光源，所述激光源产生具有中IR范围内的波长的一个或多个光束，第一控制器确定并调整由光源发射的中红外光束的光束参数特征；所述第一光检测器包括一光电探测器，所述第一控制器调节光检测器以捕获由第一光源发射并由被检查的区域反射的光；路径长度确定模块，包括第二光源，第二光检测器和耦合到第二光源的第二控制器；第二控制器调节第二光源以发射近红外光束；所述第二光检测器包括一光电探测器，所述第二控制器调节第二光检测器以捕获由第二光源发射并由被检查的区域反射的光，并得到光程信号；浓度检测模块，包括CPU和数据采集系统，数据采集系统收集泄漏检测模块的发射光束参数和反射光束参数，还有路径长度确定模块的光程信息；CPU根据发射光束参数和反射光束参数计算吸收率，再结合光程计算浓度；同时CPU控制连接第一控制器和第二控制器。
进一步的，第一光源包括聚焦光学器件，聚焦光学器件包括一个或多个光学元件，聚焦光学器件可以直接或通过光纤耦合到激光源。
进一步的，第一光检测器还包括收集光学器件、滤光器和放大器，收集光学器件将收集的光聚焦到光电探测器上，光学滤波器耦合到收集光学器件和光电探测器之间，用于去除由收集光学器件收集的其他波长超出中红外范围的光；放大器耦合到光电检测器，并放大光电检测器的输出。
进一步的，泄漏检测模块参考第一控制器的调制信号来分析反射的中红外光束以确定该区域中气体的吸收率。
进一步的，路径长度确定模块分析所收集的近红外光束的飞行时间TOF，从而确定光束所经过的距离。
进一步的，所述第一光源包括多个激光源，第一控制器以不同的频率调制激光源分别发射不同的光束，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠；第一光检测器收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；第一控制器再将不同的调制频率作为参考频率用锁相方法获得在该调制频率下获得的电信号。
进一步的，所述第一光源包括多个激光源，第一光检测器收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；所述第一控制器控制多个激光源以不同的光束宽度和延迟进行发射，第一光检测器收集反射光束并转化为电信号，第一控制器对电信号进行解复用，每个解复用的电信号通过控制器的触发同步可以与单个光束相关联得到该光束对应的吸收率。
进一步的，所述第一控制器将得到的吸收率与阈值进行比较以确定被检查区域是否泄漏；或者，基于波长调制光谱的原理来检测该区域中物质的泄漏。
进一步的，还包括一个辅助支持模块，辅助支持模块包括与CPU信号连接的用户界面，数据端口和内部存储。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
(1)本发明创造通过一个中红外激光器的基于发射和反射的中红外光束的相对强度差确定吸收强度，通过另外一束近红外光束的飞行时间来确定路径长度，在结合气体检测系统得到的吸收率和路径长度计算区域中的气体浓度，从而推断是否存在气体泄漏以及根据浓度判断泄漏的严重程度。
(2)本发明的泄漏检测模块包括多个激光源时，不需要为每一种气体配备一套检测装置和光路，只需在信号提取上采用时分复用或者调制锁相的技术就能实现检测装置和光路的共享。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明气体检测系统的操作示例环境示意图；
图2为本发明一个实施例的气体检测系统的示意图；
图3为本发明创造实施例所述气体检测系统的检测气体泄漏的示例过程的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
本方案主要是提供一种用于远程检测从区域中的目标泄漏的气体检测系统，使用中红外(mid-IR)激光检测气体泄漏。气体检测系统还通过确定泄漏气体对中红外激光的吸收以及近红外激光的光程来计算该区域中泄漏气体的浓度。
为了确定该区域中气体的吸收率，气体检测系统会发射一个处于中红外波长范围(2-10微米)的光束，并观察反射光束。在一些实施例中，中红外光束连续扫过一定范围的波长。当中红外光束扫过波长范围时，可以对其进行调制。气体检测系统通过发射近红外波长范围内的另一光束并观察反射光束来确定光程。
主要包括：
第一光源，其发射具有在中红外范围内的第一波长的第一出射光束，该第一出射光束横穿系统与管道之间的区域。朝向管道区域；
泄漏检测模块，用于通过以下方式确定该区域是否泄漏：检测具有第一波长的第一入射光束，该第一入射光束是从该区域的外表面反射的第一出射光束，计算吸收率。通过将第一入射光束的强度与第一反射光束的强度进行比较，并响应于确定吸收率高于阈值，来确定该区域具有泄漏。该方法称为“可调谐二极管激光吸收光谱法”(TDLAS)，它不是在宽范围内测量整个吸收光谱，而是直接测量光谱峰值处的吸收强度，排除附近的所有其他干扰。此外，激光波长的调制和扫描以及对基波响应的二次谐波响应的归一化显著提高了信噪比，并消除了测量中涉及的任何强度漂移。所采用的光源是一个非常窄带的二极管激光器，其波长精确地集中在目标气体的吸收峰上，并且可以在正负几纳米的范围内调节。且无需使用带通滤光片选择波长，因此几乎所有的发射能量都被充分吸收。该方法的上述两个优点是气体选择性和准确性更高以及自校准功能的原因。
第二光源，其发射具有在近红外光范围内的第二波长的第二出射光束，该第二出射光束穿过该区域朝向该区域；路径长度确定模块确定穿过该区域的第一出射光束的路径长度，其中，路径长度确定模块确定具有第二波长的第二入射光束与第二出射光之间的飞行时间差光束，第二入射光束是从该区域的外表面反射回来的第二出射光束。
其中所述第一光源包括聚焦光学器件，所述聚焦光学器件以所述区域上的特定发散角准直所述第一光束；还包括对第一波长范围透明的收集光学器件，以收集第一入射光，所述收集光学器件还收集具有与第一波长不同的波长的其他入射光。该采集光学器件可以采用聚合物菲涅耳透镜来显着降低系统重量；向所述区域发射具有在所述近红外光范围内的第二波长的第二出射光束；检测具有第二波长的第二入射光束，该第二入射光束是从该区域的外表面反射回来的第二出射光束；通过确定第二入射光束与第二出射光束之间的飞行时间差，确定第一出射光束穿过该区域的光程。具体的，
图1示出了示例气体检测系统100在其中操作的示例环境。气体检测系统100可以远程检测气体管道110是否有任何气体泄漏。
在一示例中，气体检测系统可以远程检测高达150米范围内的气体泄漏。气体检测系统100通过检测在检测系统100与气管110之间的区域120中是否存在泄漏的气体来检测气体泄漏。
如以下进一步描述的，气体检测系统100在沿着气管110行进的同时向气管110投射一个或多个光束130。光束130具有在中红外(IR)范围内的波长(即2-10um(微米))。通过收集和分析由气管110反射的光束，气体检测系统100检测区域120中的泄漏气体，从而检测气体泄漏。示例检测系统100包括可以照射到气管110的安装在云台上的固定式设备。检测气体系统也可以是由人携带或连接到其他类型的仪器(例如手持式支架，气球，机器人，自动驾驶汽车等)的独立设备上。
图2所示为一个具体的气体检测系统实施例，图3所示为检测气体泄漏的示例过程的流程图。
从元器件层面来看：
首先，控制器1控制MIR激光器2的温度并调制驱动电流以周期性地扫描波长。从MIR激光器2发出的波长扫描激光束穿过光纤3，并由准直器(4)准直到一定的发散角，然后传播通过目标气体，被后面的任何表面漫反射。由菲涅耳透镜(5)收集并由MIR滤光片(6)过滤的弱反射光由MIR光电二极管MIR PD(7)检测，由MIR光电二极管MIR PD(7)生成的电信号代表被目标气体吸收后的MIR激光强度。然后，由放大器(8)将其放大并由数据采集系统(9)记录。CPU(10)控制用于MIR激光调制的控制器(1)。
同时，CPU(10)还控制近红外NIR激光器(11)发射与MIR激光器在同一表面上发射的脉冲NIR激光束，NIR激光从表面产生的漫反射被透镜(12)收集并由NIR光电二极管NIRPD(13)进行检测，然后TOF电路(14)分析飞行时间(TOF)信号，并将其转换为测量系统到表面的距离(目标气体厚度)并发送到数据采集系统(9)。最后，CPU(10)集成来自MIR激光器的目标气体吸收量和来自数据采集系统(9)的目标气体厚度的信息，根据内置算法计算目标气体浓度。用户界面(15)由控制面板和显示器组成，用于仪器与用户之间的通信，数据端口(16)用于调试和校准以及参数/数据导入/导出，内部存储器(17)保存数据。
从模块层面来看：
所示的气体检测系统100通过检测气体检测系统与用于输送天然气的管道或其他导管之间的区域中一种或多种物质的存在来检测气体泄漏。
气体检测系统100可以另外确定该区域中的一种或多种物质的浓度。
示例性气体检测系统100包括泄漏检测模块210，路径长度确定模块220和浓度确定模块230，所有这些将在下面进一步描述。
如本文所述，模块是指用于向气体检测系统提供功能的硬件组件，软件组件和/或计算逻辑。即，模块可以以硬件，机械元件，固件和/或软件(例如，包括计算逻辑的硬件服务器)来实现，其他实施例可以包括附加模块，可以在模块之间分配功能，可以将功能归因于更多或较少的模块，可以实现为独立程序或程序网络的一部分，并且可以加载到处理器可执行的内存中。
泄漏检测模块210用于检测区域是否包括泄漏的气体。泄漏检测模块210通过确定该区域中的一种或多种物质对光束的吸收来进行检测。泄漏检测模块210在朝向要检查的输气管的区域的方向上发光。所发射的光穿过一个区域朝着燃气管道的区域。气管的区域的外表面反射由泄漏检测模块210发射的光。反射可以是漫反射或镜面反射。反射光穿过该区域朝向气体检测系统100。如果检查区域有泄漏，则气体会泄漏到发射光和反射光穿过的区域中。泄漏的气体包括吸收所发射的光和所反射的光的物质。通过检测物质对反射光的吸收，泄漏检测模块210可以确定该区域是否具有泄漏。物质可以是甲烷，氨气，硫化氢或任何其他有害气体等。
泄漏检测模块210包括光源212、光检测器214以及耦合至光源212和光检测器214的控制器216。光源212发射具有一组光束特性的光束。控制器216可以预先确定或可配置一个或多个光束特性，
如下文进一步描述。在各种实施例中，光源212包括一个或多个激光源，该激光源产生具有中IR范围内的波长的一个或多个光束。波长在中红外范围内的光束在下文中被称为“中红外光束”。
光源212可以进一步包括聚焦光学器件和/或光纤。
由光源212发出的光的波长根据感兴趣的物质来选择，因为特定物质以不同的比例吸收不同波长的光。在一实施例中，选择中红外光束的波长以检测一种物质。例如，选择波长以仅检测甲烷。在另一个实施例中，选择中红外光束的波长以检测多种物质。例如，选择波长以检测甲烷和一氧化碳。
在一些实施例中，气体检测系统100是基于可调二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的原理。气体检测系统100调谐发射光的波长。波长可以通过调节光源212的温度和/或注入电流密度来调节。
气体检测系统100还可以基于波长调制光谱的原理来检测该区域中物质的泄漏。波长以较高频率的调制信号(例如，10kHz的正弦调制信号)进行调制。气体检测系统100检测反射信号的谐波(例如，第一谐波，第二谐波)，并分析检测到的谐波以确定吸收率。即，可以根据检测到的谐波确定波长的强度，从而确定如本文所述的吸收率。当使用调制信号调制波长时，可以同时在波长范围内连续扫描光源212的波长。例如，当使用10k Hz的正弦调制信号调制波长时，从3245nm到3255nm的波长连续扫描波长。泄漏检测模块210检测在20kHz调制频率的二次谐波处的吸收信号。分析检测到的信号以确定不同波长的光的吸收率。
聚焦光学器件聚焦由光源212产生的中红外光束。例如，聚焦光学器件将中红外光束聚焦在该区域的一点上。中红外光束在该点之后发散并穿过气体。在另一个实施例中，当从聚焦光学器件发射时，中红外光束发散。中红外光束的发散与所发射的中红外光束的光斑大小有关。聚焦光学器件还可以在光束离开气体检测系统100之前修改中红外光束的特性。聚焦光学器件可以包括一个或多个光学元件，例如一系列透镜，准直仪，波片，针孔，滤光片或任何其他光学元件。聚焦光学器件可以直接或通过光纤耦合到激光源。光纤将激光源发出的中红外光束传输到聚焦光学器件。光纤可以是光缆，单模光纤，多模光纤或任何其他类型的光导纤维。
光检测器214捕获入射光并输出代表捕获的光的强度的信号。控制器216调节光检测器214以捕获由光源212发射并由被检查的气管区域反射的光。光检测器214包括一个或多个检测光子并响应于检测到的光子而产生电信号的光电检测器。光电检测器可以是任何类型的光电检测器，例如，光电探测器是HgCdTe探测器或PdSe探测器。
光检测器214可以另外包括收集光学器件，滤光器和/或放大器。收集光学器件收集来自被检查的燃气管道区域的入射光。收集光学器件可以使得收集的光聚焦到光电探测器上。在一些实施例中，收集光学器件包括菲涅耳透镜。
光学滤波器允许基于光源212发出的光的反射光通过并去除由收集光学器件收集的其他波长超出中红外范围的光。广义而言，滤光器去除环境光(即对于物质不希望检测的光)。滤波后的光被导向光电探测器。在一个实施例中，光学滤波器包括带通滤波器，该带通滤波器允许波长在3200-3300nm范围内的光通过。在其他示例中，带通滤波器可以包括要通过的2-10微米(即中红外范围)之间的任何波长范围。在一些实施例中，可以配置和调整由滤光器去除的光的波长范围。光学滤镜耦合到收集光学器件和一个或多个光电探测器。放大器耦合到一个或多个光电检测器，并放大光电检测器的输出。
泄漏检测模块210计算吸收率，该吸收率指示当发射的光穿过该区域时该物质对发射的光的衰减量。通过将由光源212发射的特定波长的出射中红外光束的强度与由光检测器214收集的特定波长的出射中红外光束的强度进行比较来确定吸收率。沿着光源发出的出射光的光路，该出射光被物质衰减，被气管的外表面反射，并且进一步被物质衰减，然后被光检测器214收集。因此，计算出的吸收率考虑了沿光路的两次吸收。
在发射信号被调制的一些实施例中，泄漏检测模块214参考调制信号来分析反射的中红外光束以确定该区域中气体的吸收率。
泄漏检测模块214可以包括锁相电路以促进分析。
泄漏检测模块210将确定的吸收率与阈值进行比较，以确定被检查区域是否泄漏。
当所述光源212包括多个激光源，控制器216以不同的频率调制多个激光源分别发射不同的光束，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠；光检测器214收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；控制器216再将不同的调制频率作为参考频率用锁相方法获得在该调制频率下获得的电信号。
当所述光源212包括多个激光源，光检测器214收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；控制器216控制多个激光源以不同的光束宽度和延迟进行发射，光检测器214收集反射光束并转化为电信号，控制器216对电信号进行解复用，每个解复用的电信号通过控制器的触发同步可以与单个光束相关联得到该光束对应的吸收率。
对于正在检查的区域，泄漏检测模块210可以通过沿着朝向该区域的不同方向发射光束来计算多个吸收率。当确定的吸收率高于阈值时，泄漏检测模块210确定该区域具有泄漏。泄漏检测模块210相应地警告用户。例如，如果吸收率大于百万分之100·1米(ppm·m)，则泄漏检测模块会警告用户甲烷的存在。泄漏检测模块210可能会记录被检查区域的位置。在进一步的实施例中，检测模块210记录在具有泄漏的被检查区域内的泄漏位置。泄漏位置是该区域中对应于确定的最高吸收率的位置。
控制器216确定并调整由光源212发射的中红外光束的光束特性。例如，可以基于气体检测系统100距被检查区域的距离，所收集的光的信噪比，环境温度以及所检测到的一个或多个光束特性。在一些实施例中，控制器216调整所发射的中红外光束的光束大小。控制器216调节光源212以使用具有第一光束尺寸的中红外光束扫描正在检查的区域。如果泄漏检测模块210确定该区域有泄漏。控制器216调节光源212以发出具有小于第一光束尺寸的第二光束尺寸的光，以确认检测到泄漏。这样，减少了漏气检测的误报率。控制器216可以进一步调节光源212以发射中红外光束，该中红外光束聚焦在确定为具有泄漏的特定区域内的泄漏位置上。在各种实施例中，第一光束尺寸在直径20-500mm的范围内，并且第二光束尺寸在直径6-20mm的范围内。
在一个实施例中，控制器216确定用于检测特定物质的中红外光束的波长。控制器216选择波长，以使得所发射的中红外光束在一定波长范围内被物质吸收的程度最高，并且所发射的中红外光束不会被该区域中的其他物质吸收。
在一实施例中，控制器216确定中红外光束的波长。在这些情况下，中红外光束的波长取决于驱动电流和激光源的温度。例如，当驱动电流为20mA且激光源的温度为19℃时，中红外光束的发射波数为3058cm-1。在另一个示例中，中红外光束的发射波长为当驱动电流为32mA且激光源的温度为11℃时中红外光束的波数为3059cm-1。
另外，在一个实施例中，控制器216可以确定中红外光束的发射光功率。在这些情况下，中红外光束的发射光功率取决于激光源(例如，分布式反馈带间级联激光器)的输入功率(例如，电压和驱动电流)。例如，当驱动电流为50mA且施加的电压为6.5V时，中红外光束的发射光功率为6mW。在另一示例中，中红外光束的发射光功率为驱动电流为30mA且施加的电压为2.0V时为2mW。
路径长度确定模块220确定由光源212发射的光束的路径长度。路径长度确定模块220向被检查的区域发射另一光束，并确定其路径长度。因为由路径长度确定模块220发出的该光束和由光源212发出的光束基本上穿过相同的路径，所以它们的路径长度基本上相等。路径长度确定模块220包括光源222，光检测器224和耦合到光源的控制器226。
光源222和光检测器224分别具有与光源212和光检测器214相似的功能和组件。控制器226还可以包括如上所述的波长调制技术。因此，在此省略与光源212和光检测器214相似的光源222和光检测器224的描述。在各种实施例中，光源222发出近红外光(即波长在700-1000nm范围内的光)此光束在下文中称为“近红外光束”。该波段的近红外光不太可能被泄漏的气体吸收，因此通过使用近红外光可以更准确地确定光程。控制器226调节光源222以发射具有一组光束特性的近红外光束。控制器调节光检测器224以检测入射光束，该入射光束是由管道外壁反射的由光源222发射的近红外光束。
路径长度确定模块220分析收集的反射的近红外光束的光束特性以确定路径长度。路径长度确定模块220分析所收集的近红外光束的飞行时间(TOF)，从而确定光束所经过的距离。
对于正在检查的区域，路径长度确定模块220可以通过沿不同方向朝向该区域发射光束来计算多个路径长度。这些计算出的路径长度对应于由泄漏检测模块210计算出的多个吸收率。
在一些实施例中，对于正被检查的特定区域，如果泄漏检测模块210确定该区域具有泄漏，则路径长度确定模块220确定路径长度。在一些实施例中，对于被检查的特定区域，路径长度确定模块220与泄漏检测模块210同时确定路径长度来确定该区域是否具有泄漏。在一些实施例中，控制器216和控制器226由相同的控制器实现。
浓度检测模块230计算该区域中物质的浓度。浓度检测模块230接收的吸收率来确定由所述泄漏检测模块210和光程通过的路径长度确定模块确定220，并且根据等式(1)计算物质的浓度：
A＝ε·L·C (1)，
其中A是光束对特定物质的吸收率，ε是物质的摩尔吸收率，L是光束穿过该区域时的光程，而C是浓度的物质。
目标气体的厚度无法直接测量，只能用光束路径长度代替，也即相当于不管多厚的气体都看成是光束路径长度这么厚的等效气团，根据朗伯比尔定律计算得到的是平均浓度，当气体扩散达到平衡时，其等于实际浓度，其他情况下低于实际浓度，因此，我们不仅提供浓度还同时提供浓度厚度乘积(即公式中C*L，来自于A/ε，无需测距)，后者避免了任何平均效果，且比只有浓度信息多提供了气体扩散程度(气团厚度)的信息(即浓度厚度乘积共同反映了泄漏的严重程度，本方案同时提供此乘积和浓度本身，以最大限度的警示危险状况)。
对于要检查的区域，浓度确定模块230可以计算与该区域内的不同位置相对应的多个浓度值。每个位置对应于由泄漏检测模块210发射的光的方向。气体检测系统100将所确定的浓度值输出给用户。如果泄漏检测模块210检测到存在气体泄漏，则浓度确定模块230可以计算浓度。浓度确定模块230与泄漏检测模块210检测是否存在气体泄漏同时计算浓度。
在一个实施例中，浓度确定模块230使用回归分析来计算物质的浓度。在发射的中红外光束的调制频率的二次谐波下测量入射的中红外光束的吸收信号，浓度与其成正比。
在一些实施例中，如果泄漏检测模块210确定存在泄漏，则路径长度确定模块220确定路径长度。在一些实施例中，路径长度确定模块220与泄漏检测模块210确定是否存在泄漏同时确定路径长度。
气体检测系统100可以进一步包括一个辅助支持模块240，例如用户界面，数据端口和内部存储。用户界面负责与操作者之间的人机交互，数据端口提供I/O功能，包括USB接口，网络接口或可用于与气体检测系统100交互并控制气体检测系统100的任何其他输入或输出设备，以及基于各种通信协议(例如长期演进(LTE)，3G，4G和/或5G移动通信标准)的无线通信系统，内部存储负责将有效数据存储于设备内部的永久性存储器中以便事后读取。
与使用近红外光来检测气体泄漏相比，因为针对的是分子吸收的本征指纹区，吸收强度普遍比近红外区高数个数量级，所以本文所述的中红外光使用起来更准确，更可靠，更快速并且具有更高的灵敏度来检测气体泄漏。本文描述的各种实例可以以比传统系统低得多的浓度检测泄漏的气体。例如，一个实际可以检测到泄漏的甲烷量为百万分之5·1米(ppm·m)。
图3是根据一个实施例的检测气体泄漏的示例过程的流程图。气体检测系统识别310气体管道的要检查的区域。气体检测系统在特定时间点检查气体管道沿气体管道横穿的区域。在某个时间点检查的区域的尺寸可以由用户预先确定，或者由气体检测系统根据周围环境确定。在一些实施例中，选择区域使得在任何两个连续区域之间没有间隙，使得气体检测系统可以完全或基本上完全检查气体管道。
气体检测系统向该区域发射320中红外光束。中红外光束的波长在中红外范围内。波长可以基于感兴趣的物质预先确定或确定。如上所述，第一光束的其他光束特性也可以由气体检测系统预先确定。在一些实施例中，气体检测系统同时或顺序地沿着不同方向朝着该区域发射多个光束。这些光束入射在区域内的不同位置上。这样，气体检测系统可以检查区域内的不同位置。
气体检测系统收集330第一反射光束，该第一反射光束是由气体检测系统发射出的从被检查区域的外表面反射回来的第一光束。气体检测系统计算340使用第一发射光束和第一反射光束，气体检测系统与被检查区域之间的区域中的物质对第一光束的吸收率。例如，气体检测系统将第一发射光束的强度与第一反射光束的强度进行比较以计算吸收率。在一些实施例中，对于该区域，气体检测系统计算对应于该区域的不同位置的多个吸收率。气体检测系统比较350计算出的吸收率与阈值吸收率。如果计算出的吸收率小于阈值，则气体检测系统选择下一个要检查的区域。如果计算出的吸收率高于阈值，则气体检测系统确定正在检查的区域存在泄漏。在一些实施例中，气体检测系统减小第一光束的束斑尺寸并重新计算吸收率以确认被检查的区域具有泄漏。
随后，气体检测系统向被检查的区域发射360第二光束。第二光束具有在近红外光范围内的第二波长。气体检测系统收集370第二反射光束，该第二反射光束是由气体检测系统发射出的第二光束，该第二光束从被检查区域的外表面反射回来。气体检测系统使用第二发射光束和第二反射光束来计算380第一光束的路径长度。例如，气体检测系统确定第二发射光束和第二反射光束之间的飞行时间以计算路径长度。气体检测系统计算390使用所确定的吸收率和路径长度，在气体检测系统和气体管道之间的区域中物质的浓度。气体检测系统过渡到检查下一个区域。在一些实施例中，气体检测系统可以沿着朝向该区域的不同方向发射多个第二光束，并且沿着这些不同方向依次或同时地计算多个光程和/或浓度。
在所示示例中，气体检测系统发射第二光束，从而在检测到气体泄漏时计算路径长度和浓度。在其他实施例中，气体检测系统同时发射第一光束和第二光束，同时计算吸收率和光程。在其他实施例中，气体检测系统同时计算吸收率，路径长度和浓度。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于，包括：
泄漏检测模块，包括第一光源、第一光检测器以及耦合至光源和光检测器的第一控制器，所述第一光源包括一个或多个激光源，所述激光源产生具有中IR范围内的波长的一个或多个光束，第一控制器确定并调整由光源发射的中红外光束的光束参数特征；所述第一光检测器包括一光电探测器，所述第一控制器调节光检测器以捕获由第一光源发射并由被检查的区域反射的光；
路径长度确定模块，包括第二光源，第二光检测器和耦合到第二光源的第二控制器；第二控制器调节第二光源以发射近红外光束；所述第二光检测器包括一光电探测器，所述第二控制器调节第二光检测器以捕获由第二光源发射并由被检查的区域反射的光，并得到光程信号；
浓度检测模块，包括CPU和数据采集系统，数据采集系统收集泄漏检测模块的发射光束参数和反射光束参数，还有路径长度确定模块的光程信息；CPU根据发射光束参数和反射光束参数计算吸收率，再结合光程计算浓度；同时CPU控制连接第一控制器和第二控制器。
2.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：第一光源包括聚焦光学器件，聚焦光学器件包括一个或多个光学元件，聚焦光学器件可以直接或通过光纤耦合到激光源。
3.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：第一光检测器还包括收集光学器件、滤光器和放大器，收集光学器件将收集的光聚焦到光电探测器上，光学滤波器耦合到收集光学器件和光电探测器之间，用于去除由收集光学器件收集的其他波长超出中红外范围的光；放大器耦合到光电检测器，并放大光电检测器的输出。
4.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：泄漏检测模块参考第一控制器的调制信号来分析反射的中红外光束以确定该区域中气体的吸收率。
5.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：路径长度确定模块分析所收集的近红外光束的飞行时间TOF，从而确定光束所经过的距离。
6.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：所述第一光源包括多个激光源，第一控制器以不同的频率调制激光源分别发射不同的光束，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠；第一光检测器收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；第一控制器再将不同的调制频率作为参考频率用锁相方法获得在该调制频率下获得的电信号。
7.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：所述第一光源包括多个激光源，第一光检测器收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；所述第一控制器控制多个激光源以不同的光束宽度和延迟进行发射，第一光检测器收集反射光束并转化为电信号，第一控制器对电信号进行解复用，每个解复用的电信号通过控制器的触发同步可以与单个光束相关联得到该光束对应的吸收率。
8.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：所述第一控制器将得到的吸收率与阈值进行比较以确定被检查区域是否泄漏；或者，基于波长调制光谱的原理来检测该区域中物质的泄漏。
9.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：还包括一个辅助支持模块，辅助支持模块包括与CPU信号连接的用户界面，数据端口和内部存储。
10.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：第一控制器和第二控制器由同一硬件控制器实现。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112927463A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-08 | 华侨大学 | 一种热解粒子电气火灾监控装置、方法及配电箱 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101109701A (zh) * | 2007-07-30 | 2008-01-23 | 天津大学 | 多成分气体在线检测方法及装置 |
| US20080259340A1 (en) * | 2007-04-19 | 2008-10-23 | Science & Engineering Services, Inc. | Airborne tunable mid-ir laser gas-correlation sensor |
| US20140319352A1 (en) * | 2012-05-22 | 2014-10-30 | Los Gatos Research | Long-path infrared spectrometer |
| CN105277503A (zh) * | 2015-08-20 | 2016-01-27 | 安徽大学 | 基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法 |
| US10113956B1 (en) * | 2017-08-15 | 2018-10-30 | Aurora Innovative Technology LLC | Remote gas leakage detection systems using mid-infrared laser |
| US20190003918A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Aurora Innovative Technology LLC | Multi-laser gas leakage detector |
| CN109406438A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-03-01 | 宁波海尔欣光电科技有限公司 | 光源封装体和用于检测气体的浓度的系统 |
-
2020
- 2020-01-20 CN CN202010067095.4A patent/CN111208082A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080259340A1 (en) * | 2007-04-19 | 2008-10-23 | Science & Engineering Services, Inc. | Airborne tunable mid-ir laser gas-correlation sensor |
| CN101109701A (zh) * | 2007-07-30 | 2008-01-23 | 天津大学 | 多成分气体在线检测方法及装置 |
| US20140319352A1 (en) * | 2012-05-22 | 2014-10-30 | Los Gatos Research | Long-path infrared spectrometer |
| CN105277503A (zh) * | 2015-08-20 | 2016-01-27 | 安徽大学 | 基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法 |
| US20190003918A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Aurora Innovative Technology LLC | Multi-laser gas leakage detector |
| US10113956B1 (en) * | 2017-08-15 | 2018-10-30 | Aurora Innovative Technology LLC | Remote gas leakage detection systems using mid-infrared laser |
| CN109406438A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-03-01 | 宁波海尔欣光电科技有限公司 | 光源封装体和用于检测气体的浓度的系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| CHEN CHEN等: "A Trace Methane Gas Sensor Using Mid-Infrared Quantum Cascaded Laser at 7.5 mu m", 《SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS》 * |
| 郑文雪等: "一种中红外带间级联激光甲烷传感器的研制", 《光学学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112927463A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-08 | 华侨大学 | 一种热解粒子电气火灾监控装置、方法及配电箱 |
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