CN113281292B - 一种气体泄漏检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体泄漏检测装置，所述装置包括检测模块和控制模块；所述检测模块包括气室和光源探测模块；其中，所述光源探测模块包括发射端、反射端和探测器；所述发射端发出的目标波段红外光源进入所述气室，与所述气室中的待测气体作用后，经所述反射端射出；所述探测器探测所述反射端射出的被所述待测气体吸收后的所述目标波段红外光源，并将所探测的所述目标波段红外光源的光信号转换为电信号；所述控制模块用于接收所述电信号，并根据所述电信号计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值。上述装置能够提供更高精度的泄漏气体检测结果，且抗干扰能力强，能够解决环境中因低浓度泄漏而无法实时准确检测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种气体泄漏检测装置。
背景技术
反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz(E))是一种无色无味气体，它具有极低的GWP值，臭氧破坏潜值(Ozone Depletion Potential，ODP)为0，且大气代谢寿命短，目前多作为发泡剂及灭火剂应用。
研究表明，HFO-1336mzz(E)的相对介电强度高于SF6气体，且与含氟腈类气体相比，其大气寿命短、GWP和毒性低，可成为电力工业领域中替代SF6气体的新型环保绝缘气体。
目前，针对HFO-1336mzz(E)气体的泄漏检测多采用气相色谱技术。
然而，气相色谱技术往往检测周期较长，且检测准确度有限，难以实现工业现场痕量泄漏的检测。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种气体泄漏检测装置，能够提供更高精度的泄漏气体检测结果，且抗干扰能力强，可被广泛应用。
本发明提供的气体泄漏检测装置包括检测模块和控制模块；所述检测模块包括气室和光源探测模块；其中，所述光源探测模块包括发射端、反射端和探测器；所述发射端发出的目标波段红外光源进入所述气室，与所述气室中的待测气体作用后，经所述反射端射出；所述探测器探测所述反射端射出的被所述待测气体吸收后的所述目标波段红外光源，并将所探测的所述目标波段红外光源的光信号转换为电信号；所述控制模块，用于接收所述电信号，并根据所述电信号计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值。
可选的，所述气体泄漏检测装置还包括采样模块，所述采样模块包括依次连接的第一过滤器、电磁阀和气泵；其中，所述第一过滤器用于过滤所述待测气体中的尘埃；所述电磁阀用于将过滤后的所述待测气体传送至所述气泵；所述气泵接收过滤后的所述待测气体后，根据所述控制模块发出的控制信号，控制所述待测气体流入所述气室。
可选的，所述电磁阀为二位三通电磁阀，包括第一进气口和第二进气口；其中，所述第一进气口用于接入经所述第一过滤器过滤后的所述待测气体；所述第二进气口用于接入校准气体。
可选的，所述采样模块还包括第二过滤器，所述第二过滤器设置于所述气泵与所述气室之间，用于过滤所述待测气体中的水分。
可选的，所述控制模块还包括环境传感器，所述环境传感器用于获取环境参数，并根据所述环境参数对所述待测气体中的泄漏气体的浓度值进行补偿校正；其中，所述环境参数包括环境温度值和环境压力值。
可选的，所述光源探测模块还包括滤波子模块，所述滤波子模块设置于所述发射端的发射方向上，用于对所述发射端发出的红外光源进行波段过滤，得到所述目标波段红外光源。
可选的，所述控制模块还包括告警子模块，可用于当所述待测气体中的泄漏气体的浓度值大于预设阈值时，发出告警信号。
可选的，所述气体泄漏检测装置还包括回收模块，所述回收模块连接所述检测模块，用于对所述待测气体中的泄漏气体进行回收。
可选的，所述根据所述电信号计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值，具体为：根据预设公式计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值：
式中，c为所述待测气体中泄漏气体的浓度值，λ1为待测气体波长，λ2为参比波长，k为摩尔分子吸收系数，L为入射点到出射点的总距离，IM-out(λ)和IR-out(λ)分别为目标波段红外光源和预设的参考波段红外光源的反射光强。
可选的，所述待测气体中的泄漏气体，包括反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz(E))。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的气体泄漏检测装置基于气体光谱吸收原理，根据泄漏气体光学吸收峰的优化选择结果确定目标波段红外光源，再利用目标波段红外光源对目标气体进行吸收后的光谱信息计算泄漏气体的浓度值，得到准确度更高的痕量泄漏气体浓度结果，且装置结构简单，检测时间快，能够有效解决因环境中泄漏气体浓度低而无法实时精准检测的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的气体泄漏检测装置的结构示意图。
图2是本发明具体实施例提供的HFO-1336mzz(E)气体泄漏检测装置的结构图。
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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如图1所示，本发明一个实施例提供一种气体泄漏检测装置，包括检测模块1和控制模块2。
检测模块1包括气室和光源探测模块，其中，光源探测模块包括发射端、反射端和探测器。发射端发出的目标波段红外光源进入气室，与气室中的待测气体作用后，经反射端射出；探测器探测反射端射出的被待测气体吸收后的目标波段红外光源，并将所探测的目标波段红外光源的光信号转换为电信号。
需要说明的是，光源探测模块还包括滤波子模块，滤波子模块设置于发射端的发射方向上，用于对发射端发出的红外光源进行波段过滤，得到目标波段红外光源，滤波子模块中滤波片根据目标检测气体的类型进行选择和设置，以实现对光源目标波段的过滤，确保得到更准确的检测结果。
控制模块2用于接收电信号，并根据电信号计算待测气体中的泄漏气体的浓度值。
需要说明的是，控制模块2可根据预设的公式计算待测气体中的泄漏气体的浓度值：
式中，c为所述待测气体中泄漏气体的浓度值，λ1为待测气体波长，λ2为参比波长，k为摩尔分子吸收系数，L为入射点到出射点的总距离，即光程长度，IM-out(λ)和IR-out(λ)分别为目标波段红外光源和预设的参考波段红外光源的反射光强。
具体地，控制模块2还包括环境传感器，环境传感器用于获取环境参数，并根据环境参数对待测气体中的泄漏气体的浓度值进行补偿校正；其中，环境参数涉及对气体检测结果有影响的环境因素，包括但不仅限于环境温度值、环境湿度值和环境压力值等。
需要说明的是，控制模块2还包括告警子模块，可用于当待测气体中的泄漏气体的浓度值大于预设阈值时，发出告警信号，实现气体泄漏实时预警。
具体地，气体泄漏检测装置还包括采样模块，采样模块包括依次连接的第一过滤器、电磁阀和气泵；其中，第一过滤器用于过滤待测气体中的尘埃，避免杂质对检测结果的影响，提高检测准确性；电磁阀用于将过滤后的待测气体传送至气泵；气泵接收过滤后的待测气体后，根据控制模块2发出的控制信号，控制待测气体流入气室。
在一个实施例中，电磁阀为二位三通电磁阀，包括第一进气口和第二进气口；其中，第一进气口用于接入经第一过滤器过滤后的待测气体；第二进气口用于接入校准气体，并通过校准气体对气体泄漏检测装置进行校准，确保检测装置的测量精度稳定。
以下将提供一种校准流程：
首先，将电磁阀切换至校准通道：利用第二进气口接入校准气体，通过控制模块2输出发射信号，检测模块1中的光源探测模块根据发射信号发出红外光束，最后，控制模块2检测所接收的电信号，将由所接收的电信号计算得到的校准结果与标准结果进行比对，并根据比对结果调整气体泄漏检测装置。
在本实施例中，采样模块还包括第二过滤器，第二过滤器设置于气泵与气室之间，用于过滤待测气体中的水分，降低湿度干扰影响，确保检测结果的准确性。
在本实施例中，气体泄漏检测装置还包括回收模块，回收模块连接检测模块1，用于对待测气体中的泄漏气体进行回收，防止泄漏气体流入空气后对环境造成污染。
在本实施例中，所述气体泄漏检测装置可用于检测反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz(E))的浓度。
反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(又称HFO-1336mzz(E))在常温常压下为无色、无味、不燃气体，沸点约为7.43℃，其具有良好的环境特性(ODP＝0，GWP＝18，大气寿命22天)、良好的安全性、无毒、阻燃、良好的油溶性和材料兼容性，目前已在绝缘、热泵、制冷等领域得到应用。
在实际应用中，HFO-1336mzz(E)气体泄漏时通常浓度较低，难以被检测到，因而本发明提出的气体泄漏检测装置选择最优位置的吸收谱线，以实现HFO-1336mzz(E)的高精度检测。
以下将说明HFO-1336mzz(E)气体泄漏检测时光学吸收峰的优化选择实验过程：
在空气背景下，对30μL/L的HFO-1336mzz(E)气体在常温、常压条件进行0.75～25μm波段内傅里叶红外光谱数据采集实验，同时，对可能存在的干扰气体CO2及微水进行谱线交叉干扰分析。
实验结果显示，1333cm-1(即7.50μm)位置谱线吸收最强，更利于提高检出限。
通过实验可确定，本实施例中的HFO-1336mzz(E)气体泄漏检测装置的检测量程0～1800μL/L，检出限低至1μL/L。
具体地，在设计检测模块1时，可通过量程追踪光程：根据实验室测试的30μL/L浓度下该气体的光谱吸收强度进行仿真，实验结果显示，光程为5cm时，1800μL/L浓度下对应的吸收率为42.45％，而大于1800μL/L浓度时，吸收率超过了50％，此时将导致检测装置的信号分辨率下降、信噪比降低，因此，检测模块1设计量程定为0～1800μL/L。
同时，在5cm光程下，超过1μL/L的浓度，检测模块1可有效响应；浓度低于1μL/L时，检测结果失真，因而，检出限低至1μL/L。
需要说明的是，大气中含有CO2及微量的水，必须对实验所选择的谱线进行一定浓度及光程下的交叉干扰分析，确保CO2及微量水的存在不影响HFO-1336mzz(E)气体的检测结果，如影响则需要做补偿。
本实施例对大气中CO2气体带来的干扰忽略不计，但当大气相对湿度较大时，需要湿度补偿。
完成优化选择实验后，还需对HFO-1336mzz(E)气体压力、温度光谱吸收特性进行研究，得到环境传感器进行环境参数补偿的理论依据，确保环境传感器在不同地域、不同时段及不同环境参数等差异化环境下的稳定性与可靠性，进而保证气体泄漏检测结果的准确性。
具体地，HFO-1336mzz(E)气体在1333cm-1位置的光谱吸收系数会随着压强升高而增大，谱线展宽变宽；而随着温度升高，峰值吸收系数则减小，谱线展宽变窄。
以下将通过另一个具体实时例说明气体泄漏检测装置用于检测HFO-1336mzz(E)气体时的实施流程。
参照图2，在本实施例中，所述气体泄漏检测装置有三部分组成：气体采样模块101、检测集成模块102和主控电路板103。
具体地，气体采样模块101包含初始过滤器、二位三通电磁阀、气泵和二级过滤器。其中，初始过滤器的出口、二位三通电磁阀第一进气口、气泵和二级过滤器的进口之间通过气体管路串联。二位三通电磁阀的第二进气口连接校准气，初始过滤器的进气口设置于待检测位置，二级过滤器的出口连接检测集成模块102中的HFO-1336mzz(E)气体传感的气室的进口，气室出口则连接排气管。
在本实施例中，初始过滤器可采用烧结过滤器，二级过滤器可采用5A分子筛。
具体地，检测集成模块102包括光源发射/探测集成模块以及气室和反射镜模块，其中，光源发射/探测集成模块包括光源发射器件、滤波片和放大探测器，均设于气室的左侧，反射镜模块设于气室的右侧并与气室密封连接，气室的左侧设有入射和出射的透射窗，同时还设有气体进口，气室的右侧部设有气体出口；反射镜模块内固定设有三棱镜。
光源发射器件、滤波片和放大探测器与反射镜模块相互配合，使光源发射器件发出的光束经三棱镜2次反射后被光放大探测器接收，滤波片设在光源发射器件的发射方向的后级，实现对发射的光源红外波段的过滤。
需要说明的是，放大探测器的波长范围设置为2～12μm；光源选用宽带红外光源，光源发射器件后端的滤波片为中红外带通滤波片，其中心波长优选7530nm，半高宽为180nm。
具体地，可采用单光源双波长进行检测，即：装置包括两个滤波片，一个用于测量待测气体，一个用于提供参考值。
可以理解的是，当HFO-1336mzz(E)没有发生泄漏时，泵入气室中的气体为空气，当HFO-1336mzz(E)发生泄漏时，泵入气室中的气体为一定浓度的HFO-1336mzz(E)和空气的混合气体。
在气室中，光源发出的光经滤波片后，入射气室的光为一束中心波长为7530nm、半高宽为180nm的宽带红外光，该宽带红外光在气室内被反射后，被放大探测器接收；放大探测器将吸收的光由光信号转换成电信号。
在此光程中，当泵入气室中的气体为一定浓度的HFO-1336mzz(E)和空气的混合气体时，一部分光被HFO-1336mzz(E)吸收，其出射光强相比入射光强会发生变化。
当HFO-1336mzz(E)没有发生泄漏时，由于没有光的吸收，那么放大探测器检测到的电信号为入射光强的信号，由此，根据出射光强和入射光强的比值可以计算HFO-1336mzz(E)泄漏的浓度百分比。
具体地，可采用下述算法对HFO-1336mzz(E)泄漏浓度进行计算：
其中，c为HFO-1336mzz(E)的浓度，k为摩尔分子吸收系数，L为入射点到出射点的总距离(即光程长度)，IM-out(λ)和IR-out(λ)分别为测量光和参考光的出射光强；SA、SB分别为测量样品通道及参比通道输出信号反馈值，SB/SA的值表征了气室中的待测气体对光源进行吸收后，放大探测器所探测到的红外光强。
具体地，主控电路板103上设有光源驱动电路模块，可对检测集成模块102中的光源发射器件进行控制，可以理解的是，主控电路板103的控制线S1连接检测集成模块102中的光源发射器件，放大探测器的信号线S2连接主控电路板103的输入端口。
主控电路板103的外围还设置有环境传感器、声光报警器、显示模块、键盘和上位机，其中，键盘输入模块、显示模块和声光报警模块分别电连接到主控电路板103的输入、输出端口；主控电路板103的储存信息可通过RS485或CAN总线连接上位机，实现信息远程上传，远传信息包含但是不限于光探测的接收信号和环境传感器的信号。
其中，环境传感器用于实现对检测集成模块102的环境温度及压强变化的补偿；声光报警器用于发出警告声音和警告光线；显示模块用于显示测量结果及人机输出界面；键盘用于控制系统，提供人机输入界面；上位机用于输出检测信号给外部设备。
具体地，本实施例通过显示模块显示气体泄漏检测结果，并比对报警阀值，判断是否启动声光报警。
在实际使用时，可将气泵进口端的初始过滤器设于易漏点或待测点或气体实验箱，气泵周期性启停：启动时，气泵将易漏点或待测点周围的空气吸入检测集成模块102中的气室。
气泵启动时间一般设为30分钟，此时检测时间比较充分，气泵的启动周期可通过主控电路板103和上位机的操作来设定，具体可设为1h/次。
本发明提供的气体泄漏检测装置可利用实验室智能实验仓对装置性能进行验证，具体流程包括：
将初始过滤器放于密闭气体智能实验仓内扩散口的底部，同时，气体智能实验仓内的扩散口以5ml/min的流量充入HFO-1336mzz(E)气体，此时，利用本发明提供的气体泄漏检测装置测得HFO-1336mzz(E)浓度百分比示值是变化的，且浓度由高变低。
经过20分钟后，气体扩散达到平衡，此时测得HFO-1336mzz(E)浓度百分比示值为150ppm(μL/L)。
另一方面，从智能实验仓内的扩散口通入空气，并将密闭气体智能实验仓恢复到常温常压的初始状态，则此时利用本发明提供的气体泄漏检测装置测得的HFO-1336mzz(E)浓度应为零。
上述密闭气体智能实验仓还设有回收口，可回收HFO-1336mzz(E)等测试气体，使实验零污染排放，符合环保要求。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种气体泄漏检测装置， 其特征在于，包括：检测模块和控制模块；
所述检测模块，包括气室和光源探测模块；所述检测模块采用1333cm-1位置谱线，检测量程为0～1800μL/L，检出限低至1μL/L；其中，
所述光源探测模块包括发射端、反射端和放大探测器；所述发射端发出的目标波段红外光源进入所述气室，与所述气室中的待测气体作用后，经所述反射端射出；所述光源探测模块采用单光源双波长进行检测；所述发射端包括光源发射器件、滤波片；所述反射端内固定设有三棱镜；所述光源发射器件发出的光束经三棱镜2次反射后被放大探测器接收，滤波片设置在光源发射器件的发射方向的后级，实现对发射的光源红外波段的过滤；所述滤波片包括用于测量待测气体的滤波片和用于提供参考值的滤波片；
所述放大探测器探测所述反射端射出的被所述待测气体吸收后的所述目标波段红外光源，并将所探测的所述目标波段红外光源的光信号转换为电信号；
所述控制模块，用于接收所述电信号，并根据所述电信号计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值；所述待测气体中的泄漏气体包括反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz(E))；
所述控制模块还包括环境传感器，所述环境传感器用于获取环境参数，并基于HFO-1336mzz(E)气体压力、温度光谱吸收特性，根据所述环境参数对所述待测气体中的泄漏气体的浓度值进行补偿校正；其中，
所述环境参数包括环境温度值和环境压力值；
所述控制模块，还用于对所选谱线进行一定浓度及光程下的交叉干扰分析，判断是否存在CO2及微量水对HFO-1336mzz(E)气体检测结果的影响，若存在影响，则进行相应的补偿；
所述气体泄漏检测装置还包括：
采样模块，所述采样模块包括依次连接的第一过滤器、电磁阀和气泵；其中，
所述第一过滤器用于过滤所述待测气体中的尘埃；所述第一过滤器采用烧结过滤器；
所述电磁阀用于将过滤后的所述待测气体传送至所述气泵；
所述气泵接收过滤后的所述待测气体后，根据所述控制模块发出的控制信号，控制所述待测气体流入所述气室；
所述电磁阀为二位三通电磁阀，包括第一进气口和第二进气口；
其中，所述第一进气口用于接入经所述第一过滤器过滤后的所述待测气体；
所述第二进气口用于接入校准气体，并通过校准气体对所述气体泄漏检测装置进行校准；
所述采样模块还包括：
第二过滤器，所述第二过滤器设置于所述气泵与所述气室之间，用于过滤所述待测气体中的水分；所述第二过滤器采用5A分子筛；
回收模块，所述回收模块连接所述检测模块，用于对所述待测气体中的泄漏气体进行回收；
其中，所述根据所述电信号计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值，具体为：
根据预设公式计算所述待测气体中的泄漏气体的浓度值：
式中，c为所述待测气体中泄漏气体的浓度值，λ1为目标波段红外光源的波长，λ2为参考波段红外光源的波长，k为摩尔分子吸收系数，L为入射点到出射点的总距离，IM-out(λ)和IR-out(λ)分别为目标波段红外光源和预设的参考波段红外光源的出射光强；
其中，通过校准气体对所述气体泄漏检测装置进行校准，具体为：
将二位三通电磁阀切换至校准通道；利用第二进气口接入校准气体；通过控制模块输出发射信号；检测模块中的光源探测模块检测发射信号发出红外光束；控制模块检测所接收的电信号，将由接收的电信号计算得到的校准结果与标准结果进行比对，并根据比对结果调整气体泄漏检测装置。
2.根据权利要求1所述的气体泄漏检测装置，其特征在于，所述控制模块还包括：
告警子模块，用于当所述待测气体中的泄漏气体的浓度值大于预设阈值时，发出告警信号。
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