CN113932157A - 基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于焦耳‑汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，该氢气泄露检测系统包括储存容器、温度传感器和信号传输模块。所述储存容器具有用于容纳氢气的容纳腔。所述温度传感器设置于所述容纳腔外，所述温度传感器邻近所述储存容器。所述信号传输模块与所述温度传感器通讯连接以便传输所述温度传感器的温度检测信号。本发明的氢气泄露检测系统基于焦耳‑汤姆逊效应检测氢气是否泄露，当有氢气从储存容器中泄露时，基于焦耳‑汤姆逊效应，温度传感器将会检测到该位置处温度的升高，以此工作人员能够判断出该氢气储存容器发生了氢气的泄露，并可及时进行处理，避免事故的发生。本发明的实施例的氢气泄露检测系统具有安全性高、检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。

Description

基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统及方法

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其是涉及一种基于焦耳-汤姆逊效应的检测氢气泄漏的氢气泄露检测系统及方法。

背景技术

由于气体泄漏在工业生产中会带来安全隐患，因此检测气体泄漏为气体运输或气体储存中的重要环节。例如，氢气由于其环保、可持续等特点，目前全世界都在大力发展氢能。氢能发展的一个重要环节就是加氢站。由于氢气化学性质十分活泼，发生氢气泄漏后很容易爆炸，造成严重的事故后果。因此加氢站中氢气泄漏的检测是十分重要的。现有的氢气检测系统中，通常使用半导体型氢气传感器。半导体型氢气传感器即在氢气传感器表面涂抹一层对氢气敏感的薄膜材料，当氢气传感器的表面氧化物吸附氢气后，导电率会发生改变，通过导电率的变化来检测出氢气的浓度。又例如专利(申请号CN105445367A)提出了一种采用超声谐振腔传感器检测氢气浓度的系统，氢气能够进入谐振腔，利用声波传导速度发生变化导致谐振频率变化的特性，获取氢气浓度。但是相关技术中的气体泄露检测系统始终存在检测及时性差、灵敏度低的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一方面实施例提出一种基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统。该氢气泄露检测系统具有安全性高、检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。本发明的一方面实施例提出一种基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法，该方法具有检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。

根据本发明的一方面实施例的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统包括：储存容器，所述储存容器具有用于容纳氢气的容纳腔；温度传感器，所述温度传感器设置于所述容纳腔外，所述温度传感器邻近所述储存容器；和信号传输模块，所述信号传输模块与所述温度传感器通讯连接以便传输所述温度传感器的温度检测信号。

根据本发明的一方面实施例提供的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统基于焦耳-汤姆逊效应检测氢气是否泄露，通过在邻近氢气储存容器的位置设置温度传感器，当有氢气从储存容器中泄露时，基于焦耳-汤姆逊效应，温度传感器将会检测到该位置处温度的升高，以此工作人员能够判断出该氢气储存容器发生了氢气的泄露，并可及时进行处理，避免事故的发生。相比半导体型氢气传感器和超声谐振腔传感器，温度传感器的检测及时性好、灵敏度高、精度高。

由此，本发明的实施例的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统具有安全性高、检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。

另外，根据本发明的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统还具有如下附加技术特征：

在一些实施例中，所述储存容器为氢气输送管道，所述温度传感器邻近所述氢气输送管道的端部和/或用于安装阀门、仪表的安装孔；或者，所述储存容器为氢气储罐，所述温度传感器邻近所述氢气储罐的进气口、出气口和阀门中的至少一者。

在一些实施例中，所述信号传输模块包括信号接收器和信号发送器，所述信号接收器与所述温度传感器通讯连接，所述信号发送器用于发送所述温度检测信号。

在一些实施例中，所述温度传感器为无线温度传感器。

在一些实施例中，所述信号传输模块包括无线收发芯片，所述无线收发芯片包括第一无线信号接收器和第一无线信号发射器，所述第一无线信号接收器与所述无线温度传感器之间无线通讯连接。

在一些实施例中，基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统还包括：信号处理模块，所述信号处理模块与所述信号传输模块通讯连接以便接收并处理所述温度检测信号；和显示模块，所述显示模块与所述信号处理模块通讯连接以便显示所述温度检测信号。

在一些实施例中，信号处理模块具体用于：接收所述信号传输模块传输的温度检测信号并对所述温度检测信号进行信号处理，并将经过处理的所述温度检测信号传输给显示模块；和通过所述温度检测信号判断所述温度检测器的检测温度是否超过预设阈值。

在一些实施例中，所述温度传感器为无线温度传感器，所述信号传输模块包括无线收发芯片，所述无线收发芯片包括第一无线信号接收器和第一无线信号发射器，所述第一无线信号接收器与所述无线温度传感器之间无线通讯连接，所述信号处理模块包括单片机，所述单片机包括第二无线信号接收器，所述第二无线信号接收器与所述第一无线信号发射器之间无线通讯连接。

在一些实施例中，所述显示模块与所述信号处理模块串口连接，或者，所述单片机进一步包括第二无线信号发射器，所述显示器包括第三无线信号接收器，所述第二无线信号发射器与所述第三无线信号接收器之间无线通讯连接。

在一些实施例中，基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统进一步包括报警模块，所述报警模块与所述信号处理模块通讯连接，所述报警模块用于在所述信号处理模块判断所述检测温度超过所述预设阈值时发出报警信息。

根据本发明的另一方面实施例提供的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法采用根据本发明的一方面实施例提供的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统对氢气泄露进行检测，所述氢气泄露检测方法包括以下步骤：所述温度传感器感应邻近所述储存容器的位置的环境温度，并将检测到的温度检测信号传递给所述信号传输模块；所述信号传输模块接收所述温度检测信号并对其进行传输；根据所述温度检测信号判断所述储存容器是否存在氢气泄露。

根据本发明的另一方面实施例提供的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法具有检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

焦耳-汤姆逊效应(简称“焦汤效应”，又称节流效应)，是指气体发生不可逆的绝热膨胀时温度发生变化的现象。大部分气体膨胀后，气体温度会降低，但是氢气和氦气经绝热膨胀后，温度反而会升高。

下面参考图1来描述根据本发明实施例的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统。本发明的实施例的氢气泄露检测系统包括储存容器(图中未示出)、温度传感器和信号传输模块。

所述储存容器具有用于容纳氢气的容纳腔。氢气储存在储存容器的容纳腔中。所述温度传感器设置于储存容器的容纳腔外，所述温度传感器邻近所述储存容器。温度传感器邻近储存容器设置可以对储存容器附近的气体温度进行检测，从而实现检测氢气是否泄露的目的。这是由于基于焦耳-汤姆逊效应，气体发生不可逆的绝热膨胀时温度将发生变化。大部分气体膨胀后，气体温度会降低，但是氢气和氦气经绝热膨胀后，温度反而会升高。因此，若储存容器中的氢气发生泄露，基于焦耳-汤姆逊效应，温度传感器将检测到温度升高，由此可以判断氢气发生了泄露。

所述信号传输模块与所述温度传感器通讯连接以便传输所述温度传感器的温度检测信号。

根据本发明实施例提供的氢气泄露检测系统基于焦耳-汤姆逊效应检测氢气是否泄露，通过在邻近氢气储存容器的位置设置温度传感器，当有氢气从储存容器中泄露时，基于焦耳-汤姆逊效应，温度传感器将会检测到该位置处温度的升高，以此工作人员能够判断出该氢气储存容器发生了氢气的泄露，并可及时进行处理，避免事故的发生。相比半导体型氢气传感器和超声谐振腔传感器，温度传感器的检测及时性好、灵敏度高、精度高。

由此，本发明的实施例的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统具有安全性高、检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。

可选地，所述储存容器为氢气输送管道，所述温度传感器邻近氢气输送管道的端部和/或用于安装阀门、仪表的安装孔。氢气输送管道的端部一般用于与其他设备的连接，安装孔是指为了安装阀门、仪表，氢气输送管道上开设的安装孔。例如，仪表为压力传感器。这些位置均为可能会发生气体泄露的位置，以便能够准确地对这些氢气密封薄弱处进行监控，使得氢气泄露检测系统的设计更加合理。

或者，所述储存容器为氢气储罐，所述温度传感器设在邻近所述氢气储罐的进出气口处或阀门处等可能会发生气体泄露的位置。

在一些实施例中，信号传输模块包括信号接收器和信号发送器，所述信号接收器与所述温度传感器通讯连接以便接收温度传感器的温度检测信号。信号传输模块的信号发送器用于将接收到的温度检测信号发送给下一模块。

可选地，温度传感器为无线温度传感器时，所述信号接收器与所述温度传感器之间可以通过无线通讯连接。温度传感器为有线温度传感器时，所述信号接收器与所述温度传感器之间可以进行有线通讯连接。

在一些实施例中，如图1所示，氢气泄露检测系统还包括信号处理模块和显示模块。所述信号处理模块与所述信号传输模块通讯连接以便接收并处理所述温度检测信号。所述显示模块与所述信号处理模块通讯连接。

具体地，信号处理模块用于接收所述信号传输模块传输的温度检测信号并对所述温度检测信号进行信号处理，以及将经过处理的所述温度检测信号传输给显示模块。

例如，信号传输模块发送的温度检测信号为模拟信号，信号传输模块将这种模拟信号传递给信号处理模块，信号处理模块接收到该模拟信号后将其进行转换为数字信号，并将转换后的数字信号传输给显示模块。

信号处理模块还用于通过所述温度检测信号判断所述温度检测器温度检测值是否超过预设阈值。也就是说，当温度检测器检测到其所在位置的环境温度值超过该处的预设阈值时，可认为该处极有可能发生了氢气泄露。信号处理模块可用于对温度检测值和该预设阈值进行比较判断。

可选地，若信号处理模块判断出某一温度检测器的温度检测值超过其预设阈值时，发出报警信号。

在一些实施例中，氢气泄露检测系统进一步包括报警模块，所述报警模块与所述信号处理模块通讯连接，所述报警模块用于在所述信号处理模块判断所述检测温度超过所述预设阈值时发出报警信息。

例如，报警模块包括信号接收端，该信号接收端能够接收信号处理模块发送的报警信号，报警模块从而可根据该报警信号并向外界发出报警信息。该报警信息可以是报警音或报警灯等形式。

可选地，报警模块包括语音芯片和扬声器，所述语音芯片用于驱动所述扬声器发声。作为示例，该语音芯片为智能语音芯片NRK10，利用该芯片来驱动扬声器，具有使用寿命长、简便操作等特点。

可选地，同时显示模块可以显示出现温度异常的温度传感器的位置或编号，方便工作人员快速找到故障位置。

作为示例，所述温度传感器为无线温度传感器，所述信号传输模块包括无线收发芯片，所述无线收发芯片包括第一无线信号接收器(信号接收器)和第一无线信号发射器(信号发射器)。所述第一无线信号接收器与所述无线温度传感器之间无线通讯连接。也就是说，无线温度传感器能够将温度检测信号以无线信号的形式发送给信号传输模块。信号传输模块也可以将该温度检测信号以无线信号的形式发射出去，发送给信号处理模块。

进一步地，所述信号处理模块包括单片机，所述单片机包括第二无线信号接收器，所述第二无线信号接收器与所述第一无线信号发射器之间无线通讯连接。也就是说，信号处理模块通过第二无线信号接收器接收信号传输模块的第一无线信号发射器发送的温度检测信号。单片机还可用于对该温度检测信号进行处理。

可选地，该无线收发芯片为无线收发芯片CMT2300A。CMT2300A具有超低功耗、集成度高、分辨率高、灵敏度高、成本较低的优点。此外，CMT2300A的高达+20dBm及-121dBm的灵敏度优化了应用的链路性能。CMT2300A适用于各种140至1020MHz无线应用的OOK，(G)FSK射频收发器。CMT2300A支持多种数据包格式及编解码方式，可以灵活的满足各种应用对不同数据包格式及编解码的需求。另外，CMT2300A还支持64-bytex/Rx FIFO,丰富的GPIO及中断配置，Duty-Cycle运行模式，信道侦听，高精度RSSI，低电压检测，上电复位，低频时钟输出，手动快速跳频，静噪输出等功能，使得应用设计更加灵活，实现产品差异化设计。CMT2300A工作于1.8V至3.6V。当达到-121dBm灵敏度的时候CMT2300A仅消耗8.5mA电流，CMT2300A以13dBm输出时仅消耗23mA发射电流，超低功耗接收模式可以进一步降低芯片的接收功耗。

在一些实施例中，所述显示模块与所述信号处理模块串口连接。例如，该显示模块包括电脑端，该单片机与电脑端通过串口线RS-232连接。

或者，在另一些实施例中，所述单片机进一步包括第二无线信号发射器，所述显示器包括第三无线信号接收器，所述第二无线信号发射器与所述第三无线信号接收器之间无线通讯连接。例如，该显示模块包括移动设备端，该单片机通过蓝牙传输与该移动设备端实现无线通讯连接。

可选地，显示模块用于显示氢气泄露检测系统的温度云图。具体地，在显示模块终端才用VB或VC或Labview搭建平台用于显示温度云图。工作人员可以通过温度云图观察氢气泄露检测系统的整体温度状态，从而及时判断泄漏发生的位置，采取下一步行动，提高了氢气泄露检测系统的使用安全性。

在一些实施例中，氢气泄露检测系统的供电模块包括不间断电源，所述供电模块与所述信号传输模块和所述信号处理模块相连用于向信号传输模块和所述信号处理模块供电。该不间断电源的内置电源在丧失外电源情况下可持续对系统供电，进一步保障了氢气泄露检测系统的使用安全性能。

可选地，信号传输模块、信号处理模块及供电模块的电子元器件集成在专用机柜内。机柜抗震耐温防辐照，防护等级高，可保证其内各个模块在特殊环境下正常工作，提高了氢气泄露检测系统的使用安全性能。

实施例二：

本发明的另一方面实施例提供了一种基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法，该方法采用根据本发明的一方面实施例提供的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统对氢气泄露进行检测。

该氢气泄露检测方法包括以下步骤：

所述温度传感器感应邻近所述储存容器的位置的环境温度，并将检测到的温度检测信号传递给所述信号传输模块；

所述信号传输模块接收所述温度检测信号并对其进行传输；

根据所述温度检测信号判断所述储存容器是否存在氢气泄露。

根据本发明的另一方面实施例提供的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法具有检测氢气泄露及时性好、灵敏度高、精度高的优点。

下面以图1所示的氢气泄露检测系统的工作原理图为例，详细描述其检测氢气泄露的工作过程，即基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法。

无线温度传感器设在储存容器的易发生氢气泄露的位置，对环境温度进行检测，无线温度传感器将检测到的温度检测信号无线传送给信号传输模块的第一无线信号接收器，信号传输模块的第一无线信号发射器将温度检测信号发送给信号处理模块。信号处理模块的第二无线信号接收器接收温度检测信号，信号处理模块对接收的温度检测信号进行信号处理并将处理后的温度检测信号传输给显示模块，显示模块用于显示温度云图。信号处理模块还可判断该检测温度是否超过预设阈值，若超过预设阈值，信号处理模块发出报警信号，报警系统接收到该报警信号而发出报警信息，例如发出报警音或开启报警灯，提醒工作人员及时进行处理。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，包括：

储存容器，所述储存容器具有用于容纳氢气的容纳腔；

温度传感器，所述温度传感器设置于所述容纳腔外，所述温度传感器邻近所述储存容器；和

信号传输模块，所述信号传输模块与所述温度传感器通讯连接以便传输所述温度传感器的温度检测信号。

2.根据权利要求1所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，所述储存容器为氢气输送管道，所述温度传感器邻近所述氢气输送管道的端部和/或用于安装阀门、仪表的安装孔；

或者，所述储存容器为氢气储罐，所述温度传感器邻近所述氢气储罐的进气口、出气口和阀门中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，所述信号传输模块包括信号接收器和信号发送器，所述信号接收器与所述温度传感器通讯连接，所述信号发送器用于发送所述温度检测信号。

4.根据权利要求1所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，所述温度传感器为无线温度传感器，所述信号传输模块包括无线收发芯片，所述无线收发芯片包括第一无线信号接收器和第一无线信号发射器，所述第一无线信号接收器与所述无线温度传感器之间无线通讯连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，还包括：

信号处理模块，所述信号处理模块与所述信号传输模块通讯连接以便接收并处理所述温度检测信号；和

显示模块，所述显示模块与所述信号处理模块通讯连接以便显示所述温度检测信号。

6.根据权利要求5所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，信号处理模块具体用于：

接收所述信号传输模块传输的温度检测信号并对所述温度检测信号进行信号处理，并将经过处理的所述温度检测信号传输给显示模块；和

通过所述温度检测信号判断所述温度检测器的检测温度是否超过预设阈值。

7.根据权利要求5所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，所述温度传感器为无线温度传感器，所述信号传输模块包括无线收发芯片，所述无线收发芯片包括第一无线信号接收器和第一无线信号发射器，所述第一无线信号接收器与所述无线温度传感器之间无线通讯连接，所述信号处理模块包括单片机，所述单片机包括第二无线信号接收器，所述第二无线信号接收器与所述第一无线信号发射器之间无线通讯连接。

8.根据权利要求7所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，所述显示模块与所述信号处理模块串口连接，或者，

所述单片机进一步包括第二无线信号发射器，所述显示器包括第三无线信号接收器，所述第二无线信号发射器与所述第三无线信号接收器之间无线通讯连接。

9.根据权利要求1所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统，其特征在于，进一步包括报警模块，所述报警模块与所述信号处理模块通讯连接，所述报警模块用于在所述信号处理模块判断所述检测温度超过所述预设阈值时发出报警信息。

10.一种基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测方法，其特征在于，采用根据权利要求1-9任一项所述的基于焦耳-汤姆逊效应的氢气泄露检测系统进行检测，所述氢气泄露检测方法包括以下步骤：

所述温度传感器感应邻近所述储存容器的位置的环境温度，并将检测到的温度检测信号传递给所述信号传输模块；

所述信号传输模块接收所述温度检测信号并对其进行传输；

根据所述温度检测信号判断所述储存容器是否存在氢气泄露。

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