CN111398201A - 光学气体探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学气体探测器，包括光导管路、分别设置于所述的光导管路的两端的两个光学分配器、以及分别与所述的光学分配器相连接的计算单元，每个光学分配器具有拆分器、第一传感器、第二传感器、至少两个光源，拆分器设置成拆分每个光学分配器的至少两个光源形成的总光路，使得经过拆分器的总光路包括第一光路和第二光路，第一光路经所述的光导管路传导至另一光学分配器，第二光路进入所述的第二传感器，使得第二传感器设置成检测所述的第二光路的光强，所述的第一传感器设置成接收并检测来自另一光学分配器的第一光路的光强，根据两个光学分配器中第一传感器、第二传感器检测的光强，所述的计算单元计算并判断是否存在气体泄漏。

Description

光学气体探测器
技术领域
本发明涉及气体探测器技术领域，涉及一种光学气体探测器。
背景技术
气体泄漏经常发生，气体泄漏事件的成本非常昂贵。点式气体探测器在工业中通常用于保护潜在的气体泄漏区域。但是，如果风向往相反方向吹，则点式气体探测器将无法探测到它。为了覆盖更大的面积，经常使用开放路径气体探测器。大多数开放路径气体探测器都作为一对光发射器和光接收器工作。一对开放路径气体探测器需要放置在有障碍物的直接位置。多云、有雾或烟雾将禁用开放路径气体探测器。开放路径气体探测器的其他不便之处在于：它只能在直线上工作。并且，它在发送器和接收器之间不得有任何障碍。为了覆盖1公里（1000米）的煤气管线，需要安装50个点的气体探测器（如果每20米放置一个点的气体探测器）。本专利将提出一种光纤（或光导管）气体探测器，使我们能够沿着所需保护的结构运行光缆。该光纤气体探测器的光缆是一条沿弯曲的气体管线延伸的长电缆。如果气体管线上有气体泄漏，则气体检测电缆将成为最接近的气体嗅探元件，从而增加捕获机会，更快更准确地探测泄漏气体。
发明内容
本发明的主要目的就是针对以上存在的问题，提供一种检测快速、准确的光学气体探测器。
为了实现上述目的，本发明的光学气体探测器技术方案如下：
包括光导管路、分别设置于所述的光导管路的两端的两个光学分配器、以及分别与所述的光学分配器相连接的计算单元，每个所述的光学分配器具有拆分器、第一传感器、第二传感器、至少两个光源，所述的光源设置成发出预设波长的光线，所述的至少两个光源发出的光线进入所述的拆分器，所述的拆分器设置成拆分每个光学分配器的至少两个光源形成的总光路，使得经过所述的拆分器的总光路包括第一光路和第二光路，所述的第一光路经所述的光导管路传导至另一光学分配器，所述的第二光路进入所述的第二传感器，使得所述的第二传感器设置成检测所述的第二光路的光强，所述的第一传感器设置成接收并检测来自另一光学分配器的第一光路的光强，根据两个光学分配器中第一传感器的检测值的总和、两个光学分配器中第二传感器的检测值的总和，所述的计算单元计算并判断是否存在气体泄漏。
较佳地，所述的计算单元通过以下方式计算并判断是否存在气体泄漏：
获取两个光学分配器中第一传感器的检测值的总和K1，并获取两个光学分配器中第二传感器的检测值的总和K2；
获得K1和K2的比值P，若比值P在预设范围内，则判断不存在泄漏，若比值P不在预设范围内，则判断存在泄漏。
较佳地，所述的计算单元通过以下方式计算并判断气体泄漏程度：
建立泄漏严重程度与K1/K2的比值P的关系数据库；
获得当前K1/K2的比值P；
将当前比值P对应所述的关系数据库，判断当前泄漏严重程度。
较佳地，所述的来自另一光学分配器的第一光路经过所述的拆分器被拆分后进入所述的第一传感器。优选地，所述的第一光路和第二光路均为所述的总光路的一半，第一光路中的一半进入所述的第一传感器。
较佳地，所述的光学分配器设置三个光源。
较佳地，所述的光导管路为多孔管路，所述的多孔管路设置成允许气体分子进入管路内部。
较佳地，所述的光导管路沿所检测的气体管路设置。
采用了本发明的光学气体探测器，在光导管路两端均设置光学分配器，使得两侧快速且准确。
附图说明
图1为本发明的光学气体探测器中光学分配器的结构示意图。
图2为本发明的光学气体探测器的结构示意图。
图3为本发明的光学气体探测器在使用时光损耗的示意图。
图4为本发明的光学气体探测器中拆分器的光拆分原理示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
如图1～4所示，为本发明提供的光学气体探测器实施例，其中，如图2所示，本发明的光学气体探测器包括光导管路10、分别设置于所述的光导管路的两端的两个光学分配器8、9、以及分别与所述的光学分配器相连接的计算单元7，即，光导管路的端部均设置一个光学分配器。
如图1所示，所述的光学分配器具有拆分器6、第一传感器4、第二传感器5、三个光源1、2、3，光源1发出特定预设波长的光线E1，光源2发出特定预设波长的光线E2，光源3发出特定预设波长的光线E3，光线E1、E2、E3形成总光路E4，进入拆分器6中，在所述的拆分器6中，拆分总光路E4形成包括第一光路E5和第二光路E6，其中，所述的第一光路E5作为出射光，经所述的光导管路10传导至另一光学分配器，所述的第二光路E6进入所述的第二传感器5，所述的第二传感器5检测所述的第二光路E6的光强R2，所述的第一传感器4设置成接收并检测来自另一光学分配器的第一光路E5的光强，即，所述的第一传感器4接收并检测入射光R0，根据两个光学分配器中第一传感器4、第二传感器5检测的光强，所述的计算单元计算并判断气体泄漏情况。其中，R0、R2均为相对强度。
经拆分器的两路光路，第一光路经光导管路，会被空气或可能的泄漏气云吸收，由另一端的第一传感器接收并检测被吸收后的光强，第二光路不经光导管路，不经气云或空气吸收，为参考强度。其中，为了降低制造成本，在经过拆分器6时，所述的第一光路E5和第二光路E6可以设置占所述的总光路E4的一半，即，E6=E5=（E1＋E2＋E3）/2=E4/2，即第一光路占总光路的50%，第二光路占总光路的50%，此种占比使得在生产工艺中比较容易实现，也可以将第一光路和第二光路的占比设置成60%、40%，或其他比例，此种占比要求生产工艺高，制造成本可能增加。
所述的来自另一光学分配器的第一光路E5经过所述的拆分器6进入所述的第一传感器4，优选地，出于成本考虑，可以将光学分配器的第一光路E5作为出射光和来自另一光学分配器的第一光路E5作为入射光R0设置在同一导光管中，入射光R0被拆分，一部分进入第一传感器4，一部分进入光源1、2、3。同样为了降低制造成本，优选拆分入射光R0一半进入第一传感器4中，即，所述的第一传感器4通过检测来自另一光学分配器的第一光路E5的一半光强R1而获得R0，R1=R0/2，R0为第一光路E5的光强。
当然，也可以选择，将光学分配器的第一光路E5作为出射光和来自另一光学分配器的第一光路E5作为入射光R0设置在不同导光管中，入射光R0不被拆分，或拆分成其他比例，进入第一传感器4中，这种选择可能会增加制造成本。
光路的拆分比例需要在A侧和B侧保持一致。
为便于理解拆分器的分光原理，如图4所示，光密度D的光线进入横截面均匀的管道，总能量E为光密度D乘以横截面S，将大管道分成两个小管道，在横截面为S/2的情况下，每个小管子将承载一半的光能。可以在光导管路内设置反光涂层和/或镀金层，以便于均匀反射光线并减少红外损耗。在拆分器中，可以选择拆分50%＋50%，或是60%＋40%，由于50%＋50%工艺比较容易，本发明以50%＋50%为例。
本发明的光学分配器也可以称为光学管道路由器，在光导管路的每一端部均设置一个光学分配器。
如图1～3所示，所述的光学分配器设置三个光源1、2、3，光源可以是激光光源或宽带UV-TO IR光源。在光源中，可以放置特定波长的滤光器。滤光器的选择取决于所要检测的气体，对于每一种气体都会吸收特定的光波长，当存在气体泄漏时，泄漏的气体会吸收相应波长的光，使得接收到的光强减弱。因此，可以通过泄漏气体的已知吸收波长，选择合适的滤光器。下表列出了H20、CO2、O3、CH4、N2O以及CFC的最重要的振动和旋转转变。
Figure 449775DEST_PATH_IMAGE001
在本实施例中，将具有三个带3个不同滤光器（3个不同波长）的光源为例。
如图1所示，在本实施例中，设置三个光源，可以同时探测三种不同气体，每个光源对应一种特定气体，增加或减小一个光源，可以增加或减小一种气体。例如，N2O对应三个吸收波长（7.9，17.0，4.5），因此，可以选择这3种波长中任一一种波长的滤光器。在一个光学气体探测器中，同时使用3种光源，可以更精准。以CH4为例，吸收波长为7.6μm，若检测对象为CH4气体，则只能选择具有这一种滤光器的光源。因此，可以根据气体种类、成本和精度，选择所需数量的光源。
所述的光导管路为多孔管路，所述的多孔管路设置成允许气体分子进入管路内部，所述的光导管路可以沿所检测的气体管路设置，不同的气体会吸收比其他波长更多的某些波长的光，依次来检测是否存在气体泄漏。光导管路为较长的柔性光纤管道，该管道的内壁为反射性的，允许光线向前传播并在内壁之间反射。根据光源的应用和功率，长度可以为1至1000米。
图2～3所示，本发明的光学气体传感器由2个光学分配器和之间的光导管路组成。为便于描述和区别，将2个光学分配器区别为A侧和B侧，A侧光学分配器和B侧光学分配器中涉及的标记在图1表示相同元素的标记的基础上添加A或B，例如，A侧光学分配器的光源E1为AE1，B侧光学分配器的光源E1为BE1。
从A侧发出的光路AE5将被B侧的第一传感器接收，从B侧发出的光路BE5将被A侧的第一传感器接收。
如图3所示，显示当存在气云时，本发明的光学气体探测器如何作用。AR1用于测量来自B侧的光，而AR2用于测量去往B侧的光；BR1用于测量自来A侧的光，BR2用于测量去往A侧的光。由于长光导管路内本身存在空气，空气会吸收部分光，发生光衰减现象，因此，需要在长管道的衰减之前测量出光以供参考，即，AR2、BR2测量长管道衰减之前的光。
由于本发明的光学气体探测器设置两个光学分配器，总和互补，实现误差消除。如图3所示，此时，气云更靠近A侧而远离B侧，
BR1 =平均值＋误差；AR1 =平均值–误差。
BR1＋AR1 =平均值＋误差＋平均值–误差= 2×平均值（误差相互抵消）。
因此，计算单元始终根据两个光学分配器中第一传感器的检测值的总和、两个光学分配器中第二传感器的检测值的总和来计算并判断是否存在气体泄漏。
具体地，如图3所示，AB为在没有气云出现时估算的光损耗曲线，从A到B的光路中距起点A一定距离的光强度值；AB’为在有气云出现时估算的光损耗曲线，从A到B的光路中，距起点A一定距离并吸收气体后的光强度值；BA为在没有气云出现时估算的光损耗曲线，从B到A的光路中距起点B一定距离的光强度值；BA’为在有气云时的光损耗曲线，从B到A的光路中距起点B一定距离且吸收气体后的光强度值。
因此，在没有气云前，两个光学分配器中第一传感器的检测值的总和K1（AR1＋BR1）/两个光学分配器中第二传感器的检测值的总和K2（AR2＋BR2）为一个固定的比例P0或在P0上下浮动的一个固定范围，比例P0或在P0上下浮动的一个固定范围可以通过事先多次测量获知并设定；当存在气云时，气云吸收光，使得光衰减加快，AR1和BR1检测的结果均将减小。因此，当K1/K2的比值P减少时，K1/K2＜P0或在P0上下浮动的一个固定范围，判断存在气体泄漏。
也可以使用K2/K1的比值进行比较和判断。
除此之外，计算单元计算并判断气体泄漏情况，还包括判断气体泄漏严重性。具体地，可以通过前期试验测试获得气体泄漏严重程度与K1/K2的比值P的关系数据库，例如，当全管充满泄漏气体，为泄漏严重程度100%，测试获得此时K1/K2的比值P；当管长一半充满泄漏气体，为泄漏严重程度50%，测试获得此时K1/K2的比值P，依次类推，获得泄漏严重程度与K1/K2的比值P的关系，建立数据库。当具体应用时，计算单元计算获得当前K1/K2的比值P，对应数据库即可判断当前气体泄漏严重性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种光学气体探测器，其特征在于，包括光导管路、分别设置于所述的光导管路的两端的两个光学分配器、以及分别与所述的光学分配器相连接的计算单元，每个所述的光学分配器具有拆分器、第一传感器、第二传感器、至少一个光源，所述的光源设置成发出预设波长的光线，所述的至少一个光源发出的光线进入所述的拆分器，所述的拆分器设置成拆分每个光学分配器的至少一个光源形成的总光路，使得经过所述的拆分器的总光路包括第一光路和第二光路，所述的第一光路经所述的光导管路传导至另一光学分配器，所述的第二光路进入所述的第二传感器，使得所述的第二传感器设置成检测所述的第二光路的光强，所述的第一传感器设置成接收并检测来自另一光学分配器的第一光路的光强，根据两个光学分配器中第一传感器的检测值的总和、两个光学分配器中第二传感器的检测值的总和，所述的计算单元计算并判断气体泄漏情况。
2.根据权利要求1所述的光学气体探测器，其特征在于，所述的计算单元通过以下方式计算并判断是否存在气体泄漏：
获取两个光学分配器中第一传感器的检测值的总和K1，并获取两个光学分配器中第二传感器的检测值的总和K2；
获得K1和K2的比值P，若比值P在预设范围内，则判断不存在泄漏，若比值P不在预设范围内，则判断存在泄漏。
3.根据权利要求1所述的光学气体探测器，其特征在于，所述的计算单元通过以下方式计算并判断气体泄漏程度：
建立泄漏严重程度与K1/K2的比值P的关系数据库；
获得当前K1/K2的比值P；
将当前比值P对应所述的关系数据库，判断当前泄漏严重程度。
4.根据权利要求1所述的光学气体探测器，其特征在于，所述的来自另一光学分配器的第一光路经过所述的拆分器被拆分后进入所述的第一传感器。
5.根据权利要求1所述的光学气体探测器，其特征在于，所述的光学分配器设置三个光源。
6.根据权利要求1所述的光学气体探测器，其特征在于，所述的光导管路为多孔管路，所述的多孔管路设置成允许气体分子进入管路内部。
7.根据权利要求1所述的光学气体探测器，其特征在于，所述的光导管路沿所检测的气体管路设置。
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