CN112461453A - 一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测方法及装置，该装置包括三组透射式纹影系统，三组传感系统间隔120度均匀分布，实现对储氢罐表面的全覆盖，每组系传感统包括光源、凸透镜1、凸透镜2、准直镜、光栅、纹影镜、刀口、CCD相机组成。本发明的技术优势主要为成本低、本质安全、全覆盖。本发明的元件均价格低廉，成本低，现有技术成本高昂，一台仪器就需要几万美元甚至更多。由于氢气泄漏会发生自燃、爆炸等危险，一般的化学检测方法有一定的危险性，本发明运用光学的方法，通过光强的变化检测泄漏是否发生，对氢气泄漏无接触，本质安全。最后，本发明对储氢罐的检测是全覆盖式的，三组120°纹影系统可以全方位检测储氢罐泄露情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢气泄漏监测装置，特别是涉及一种基于纹影法的针对储氢罐表面的全覆盖式泄漏监测装置。
背景技术
随着全球能源需求的不断增长，环境污染问题日益严重，世界各国对新能源的需求不断增加。氢气作为一种能量载体，以其资源丰富、来源多样、清洁环保、高热值、可存储、可再生等优点备受世界各国青睐，是一种极具潜力的下一代战略能源。氢能可以广泛应用到交通运输、工业生产、家庭生活等各个领域，必将成为未来低碳清洁能源系统的核心组成部分。由于氢气具有易泄漏扩散、可燃范围宽、点火能极低、爆炸能量大，并对材料具有劣化作用的危险，加之氢系统结构复杂且操作条件多样，使用风险高。对于氢气的利用，运输与存储等都需要保证安全性，必须对氢气进行泄漏检测。
国内外已经进行了大量关于氢气传感器的研究，目前氢气传感器主要有电化学型、电学型、光学型三大类。总结起来国内外研究的氢气传感器的种类有以下几种，具体内容详见下表：
上表可以看出氢气传感器的设计多种多样，却没有针对性，对于氢气的储运过程泄漏检测问题效果并不够好。而本发明则是针对高压氢气储运过程中高压氢气储氢罐的泄漏检测，采用三组传感器系统可以一次快速的检测整个储氢罐的泄漏情况。
发明内容
为了克服上述现有传感器的不足，本发明提出了一种基于纹影法的氢气泄漏监测装置，结合实际储氢罐氢气泄漏位置进行聚焦纹影系统的设计，对于储氢罐的泄漏进行实时的监测。
本发明提出了一种基于纹影法的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，该装置包括三组透射式纹影系统，三组传感系统间隔120度均匀分布，实现对储氢罐表面的全覆盖，如图2所示。每组系传感统包括光源、凸透镜1、凸透镜2、准直镜、光栅、纹影镜、刀口、CCD相机组成，系统结构如图1所示。光源、凸透镜1、凸透镜2、光栅、准直镜、纹影镜、刀口和CCD相机顺次布置；前述各组成部件通过透镜成像原理进行连接其中：由于穿过凸透镜焦点的光线经过凸透镜后会形成平行于主光轴的平行光，所以在凸透镜焦点的光源发出的散射光穿过凸透镜1形成平行光；由于平行于主光轴的光线经过凸透镜后会落在焦点上，所以经由凸透镜1形成的平行光通过凸透镜2聚焦于焦点；光栅可以用于调制光源的尺寸，通过凸透镜2聚焦的光线通过光栅形成测量所需要的光源；准直镜是将来自孔径栏中每一点的光线变成一束平行的准直光柱的仪器，通过光栅形成的点光源发出的光线通过准直镜形成平行光，通过被测储氢罐表面测量区域；纹影镜为一凸透镜，将通过被测储氢罐表面的平行光聚焦于刀口位置，刀口用于切割光源像，改变进入CCD相机的光强度，光线通过刀口后由CCD相机记录下来。
所述光源为绿色单色光，产生的光线波长为520nm，能够消除光源色差对于拍摄结果产生的影响；
所述凸透镜1、凸透镜2的焦距为40mm，用于将光源产生的光线聚焦；
所述光栅用于形成测量所需要的点光源；
所述准直镜焦距为50mm，并能够将光线变成平行光，用于通过被测储氢罐表面的测量区域；
所述纹影镜用于将光线再次聚焦于刀口位置；
所述刀口水平放置，高度可调节，用于改变进入CCD相机的光强度；
附图说明
图1为本发明的单一组件示意图；
图2为本发明的各组件位置分布图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并不局限于此。
本发明为一种基于纹影法的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，包括三组透射式纹影系统，每组系统包括光源、凸透镜1、凸透镜2、准直镜、光栅、纹影镜、刀口、CCD相机组成。
为了适应所测储氢罐的尺寸，纹影系统的各结构尺寸需要具体定制。依据如下：
利用已有公式计算灵敏度、可分辨尺寸、聚焦深度等参数，要假设刀口栅是源格栅的负像，可加强纹影系统可操作性，同时提高系统灵敏度。
根据具体的监测环境，将三组纹影系统呈间隔120度布置在储氢罐周围，可以实现对储氢罐的全覆盖。每组系统中由LED光源产生波长为520nm的绿色单色光，光线先后通过凸透镜1和凸透镜2进行聚焦。利用凸透镜2之后的光栅根据衍射原理形成所需尺寸的点光源，之后再通过准直镜行成平行光。平行光透过罐体表面后进入储氢罐另一端的纹影镜后再次聚焦到水平放置的刀口上，刀口切割光源像，使进入CCD相机的光强产生变化，最终CCD相机拍摄纹影图像输入计算机。根据计算机成像即可判断是否产生泄漏。由于纹影法就是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转化为记录平面上相对光强的变化，当储氢罐发生泄漏时，会产生高压氢气射流，泄漏口处气流密度极具增大，折射率梯度改变。经由纹影系统，这样密度剧烈变化的区域会在CCD相机中产生可观察、可分辨的图像，即一条向外喷射的气流图像。
本发明的技术优势主要为成本低、本质安全、全覆盖。本发明所用的元件均价格低廉，所需成本低，现有技术成本高昂，一台仪器就需要几万美元甚至更多。由于氢气泄漏会发生自燃、爆炸等危险，一般的化学检测方法有一定的危险性，本发明运用光学的方法，通过光强的变化检测泄漏是否发生，对氢气泄漏无接触，本质安全。最后，本发明对储氢罐的检测是全覆盖式的，三组120°纹影系统可以全方位检测储氢罐泄漏情况。
Claims (9)
1.一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：该装置包括三组透射式纹影系统，三组传感系统间隔120度均匀分布，实现对储氢罐表面的全覆盖；每组系传感统包括光源、凸透镜1、凸透镜2、准直镜、光栅、纹影镜、刀口、CCD相机组成；光源、凸透镜1、凸透镜2、光栅、准直镜、纹影镜、刀口和CCD相机顺次布置。
2.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：由于穿过凸透镜焦点的光线经过凸透镜后会形成平行于主光轴的平行光，所以在凸透镜焦点的光源发出的散射光穿过凸透镜1形成平行光；由于平行于主光轴的光线经过凸透镜后会落在焦点上，所以经由凸透镜1形成的平行光通过凸透镜2聚焦于焦点；光栅用于调制光源的尺寸，通过凸透镜2聚焦的光线通过光栅形成测量所需要的光源；准直镜是将来自孔径栏中每一点的光线变成一束平行的准直光柱的仪器，通过光栅形成的点光源发出的光线通过准直镜形成平行光，通过被测储氢罐表面测量区域；纹影镜为一凸透镜，将通过被测储氢罐表面的平行光聚焦于刀口位置，刀口用于切割光源像，改变进入CCD相机的光强度，光线通过刀口后由CCD相机记录下来。
3.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：所述光源为绿色单色光，产生的光线波长为520nm，能够消除光源色差对于拍摄结果产生的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：所述凸透镜1、凸透镜2的焦距为40mm，用于将光源产生的光线聚焦。
5.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：所述光栅用于形成测量所需要的点光源。
6.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：所述准直镜焦距为50mm，并能够将光线变成平行光，用于通过被测储氢罐表面的测量区域。
7.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：所述纹影镜用于将光线再次聚焦于刀口位置。
8.根据权利要求1所述的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测装置，其特征在于：所述刀口水平放置，高度可调节，用于改变进入CCD相机的光强度。
9.利用权利要求1所述装置进行的一种基于光片技术的全覆盖式储氢罐泄漏监测方法，其特征在于：当储氢罐发生泄漏时，会产生高压氢气射流，泄漏口处气流密度极具增大，折射率梯度改变；经由纹影系统，这样密度剧烈变化的区域会在CCD相机中产生可观察、可分辨的图像，即一条向外喷射的气流图像。
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