CN211260376U - 一种气体泄漏遥测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种气体泄漏遥测装置。它包括可设置于待测区域一侧的激光源和光发射单元,可设置于待测区域另一侧的光接收单元；还包括探测单元、控制单元和提示单元；光发射单元对激光源的出射光线进行准直并发射；光接收单元位于所述光发射单元的出射光线的传播路径上，将通过待测区域的光线汇聚并耦合输入所述探测单元的光输入端；激光源的出射光线波段包括红外光波段和可见光波段。无需采用反射式检测中的大尺寸的汇聚透镜或反射镜来收集光信号，使得装置体积更小巧、轻便，结构紧凑，便于携带，简化了调试过程。在激光源的输出光线中设置可见光波段光线，用于指示激光源输出光线的传播路径，便于调试光路，可应用于长距离遥测。

Description

一种气体泄漏遥测装置

技术领域

本实用新型涉及气体检测领域，具体涉及一种气体泄漏遥测装置。

背景技术

随着天然气工业的不断发展，在油气存储、运输过程中，天然气的相关工业已经进入了快速发展阶段，西气东输为代表的长距离输气管线，以及储气站与使用用户之间的存储与运输管网构成了我国能源管网安全的一个重要环节；运输和存储过程中天然气的泄漏危害严重，除去泄漏时候的直接经济损失之外，当逃逸到空气中的天然气浓度达到一定程度后还有爆炸的风险。因此目前越来越重视于生产、运输、存储过程中的气体泄漏情况的监测，常规的监测方法各有各的检测弊端，化学检测方法、电化学传感器等传统天然气检测设备需要与待测气体接触，当发生天然气泄漏时，检测人员需要进入危险环境中检测其浓度，存在一定的风险。

虽然现在也有很多基于激光技术的气体遥测装置，能够远距离、无接触地对气体泄漏情况进行检测，但是大多都包含一个巨大的用于接收回光信号的反射/透射镜，这便导致他们体积巨大的同时便携性也欠佳，且对于不同距离的检测背景需要通过调焦或者改变探测器位置才能达到最佳探测效果。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种气体泄漏遥测装置。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种气体泄漏遥测装置，包括可设置于待测区域一侧的激光源和光发射单元,可设置于待测区域另一侧的光接收单元；

还包括探测单元、控制单元和提示单元；

所述光发射单元对所述激光源的出射光线进行准直并发射；

所述光接收单元位于所述光发射单元的出射光线的传播路径上，将通过待测区域的光线汇聚并耦合输入所述探测单元的光输入端；

所述探测单元的输出端与控制单元的输入端连接，所述控制单元的输出端与所述提示单元的输入端连接；

所述激光源的出射光线波段包括红外光波段和可见光波段。

上述技术方案的有益效果为：将光发射单元设置于光接收单元的出射光线的传播路径上来接收穿过待测区域的探测光线，无需采用反射式检测中的大尺寸的汇聚透镜或反射镜来收集光信号反射镜，使得装置体积更小巧、轻便，结构紧凑，便于携带，简化了调试过程。此外，在激光源的输出光线中设置了可见光波段的光线，可用于指示激光源输出光线的传播路径，便于调试光路。可广泛应用于天然气管道巡检、天然气加工厂泄露检测、城市天然气输送管道泄露遥测等室外领域，既可以用于长期实时监测，也可用于人工巡检时的准确检测，可用于长距离遥测。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述激光源包括红外激光器、可见光激光器和合光器件；

所述合光器件将所述红外激光器的出射光线和可见光激光器的出射光线合为一束光线；

所述合光器件的出射光线全部或部分入射到所述光发射单元的入射面。

上述技术方案的有益效果为：使得可见光波段光线与红外光线具有很好的同轴性，对红外线的指示效果更好。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述合光器件为光纤合束器，所述光纤合束器的第一光输入端与所述红外激光器的光输出端通过光纤连接，光纤合束器的第二光输入端与所述可见光激光器的光输出端通过光纤连接，光纤合束器的光输出端与光发射单元的光输入端通过光纤连接。

上述技术方案的有益效果为：采用光纤合束器进行合光，极大的减轻了光路调节难度，且简化了结构，占用空间小。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述光发射单元为光纤准直透镜，所述光接收单元为光纤准直透镜。

上述技术方案的有益效果为：采用了光纤准直镜到光纤准直镜对射耦合的方式，在待测区域可以做到本质无源，安全可靠。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述激光源和光发射单元通过光纤连接；

所述光接收单元与探测单元通过光纤连接。

上述技术方案的有益效果为：通过光纤连接，能够减小光路占用空间。光接收单元汇聚输出的光信号采用光纤传输的方式传输至探测单元，由于近红外光在光纤中有很低的传输损耗，结合长工作距离的光纤准直透镜，可以轻易实现几百米甚至几千米的长探测距离，且通过光纤传输光信号，光损较小，使得探测单元接收到的光信号强度更强，有利于提高测量结果的准确性。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述控制单元包括控制电路板；

所述控制电路板上设置有模数转换电路、数字锁相放大器、处理单元、正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器、加法器、激光器温度控制电路和激光器电流驱动电路；

所述模数转换电路的输入端连接所述探测单元的输出端，所述模数转换电路的输出端连接所述数字锁相放大器的输入端，所述数字锁相放大器的输出端连接所述处理单元的信号处理输入端，所述处理单元的信号处理输出端与所述提示单元的输入端连接；

所述处理单元的多个驱动信号输出端分别连接所述正弦波信号发生器的输入端、锯齿波信号发生器的输入端和激光器温度控制电路的输入端，所述正弦波信号发生器的输出端和锯齿波信号发生器的输出端分别连接加法器的两个输入端，加法器的输出端连接所述激光器电流驱动电路的输入端，所述激光器电流驱动电路的输出端和激光器温度控制电路的输出端均与所述红外激光器的输入端连接，所述红外激光器的温度反馈端与所述处理单元的驱动信号输入端连接；

所述处理单元的可见光控制端与所述可见光激光器的启动端连接。

上述技术方案的有益效果为：实现了红外激光器输出光线的稳定控制。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括壳体，所述探测单元、控制单元、激光源和光发射单元位于所述壳体内，所述提示单元为显示面板，所述显示面板嵌设于所述壳体上。

上述技术方案的有益效果为：一体化设置，便于携带。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括设置于所述壳体上的瞄准望远镜。

上述技术方案的有益效果为：辅助光发射单元和光接收单元的光路对准，和观测光路。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括电池，所述电池位于所述控制单元和所述显示面板之间，电池的输出端分别与所述控制单元的供电端和所述显示面板的供电端连接。

上述技术方案的有益效果为：便于野外检测。

本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一种优选实施方式中的安装布局示意图；

图2是本实用新型一种优选实施方式中激光源的结构示意图；

图3是本实用新型一种优选实施方式中的系统框图；

图4是本实用新型一种优选实施方式中控制单元结构图。

附图标记：

1待测区域；2激光源；21红外激光器；22可见光激光器；23合光器件；3光接收单元；4光发射单元；5探测单元；6控制单元；7瞄准望远镜。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

本实用新型公开了一种气体泄漏遥测装置，在一种优选实施方式中，如图1所示，包括可设置于待测区域1一侧的激光源2和光发射单元4,可设置于待测区域1另一侧的光接收单元3；

还包括探测单元5、控制单元6和提示单元；

光发射单元4对激光源2的出射光线进行准直并发射；

光接收单元3位于光发射单元4的出射光线的传播路径上，将通过待测区域1的光线汇聚并耦合输入探测单元5的光输入端；

探测单元5的输出端与控制单元6的输入端连接，控制单元6的输出端与提示单元的输入端连接；

激光源2的出射光线波段包括红外光波段和可见光波段。

在本实施方式中，待测区域1可为室外或野外的天然气输送管道附近，也可为化工厂周边区域等，被检测的气体可为天然气、CO等各种气体。该装置的泄漏检测原理主要是基于不同气体(如天然气、CO等)分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔Lambert-Beer定律)鉴别待测区域中是否存在被检测气体(如天然气、CO等)以及该被检测气体的浓度。

在本实施方式中，提示单元优选但不限于为蜂鸣器、振动器、指示灯或显示器等。

在本实施方式中，光发射单元4优选但不限于为准直镜或凸透镜，光接收单元3优选但不限于为汇聚透镜。探测单元5优选但不限于为近红外探测器，可包括InGaAs光电二极管和放大电路板，放大电路板可采用现有的I-V转换放大电路(即电流电压转换放大电路)，具体结构在此不再赘述。如图3所示，近红外探测器将光接收单元3输出的光信号转换为电信号，并将该电信号传输至控制单元。优选的，在光接收单元3和探测单元5之间，或者探测单元5的入射光面上设置滤光器件滤除可见光，这样使得探测单元5输出的电信号中直流本底噪声减小，提高信噪比。

在本实施方式中，在对一些特定场景中，如野外的天然气输送管道区域进行泄漏检测时，已明确了待测区域1中待测气体的组分，选择的近红外探测器的波长敏感范围和激光源2输出的红外光波段范围应包含待测气体的吸收光谱，激光源2可选择发射红外波段的窄线宽激光器，如Eblana公司的EP-1654-DM系列激光器。优选的，控制单元6包括比较器和参考电源，探测单元5的输出端与比较器的负向输入端连接，参考电源的输出端与比较器的正向输入端连接，比较器的输出端与提示单元的启动端连接。参考电源的输出电压值为泄漏气体浓度达到预设的浓度阈值时，探测单元5输出的电压值，该浓度阈值可根据安规防爆标准确定，也可用户自己定义。当待测气体浓度达到浓度阈值时，提示单元工作，否则，提示单元不工作。

在本实施方式中，提示单元优选但不限于为蜂鸣器、指示灯等；优选的，在提示单元的供电电路中串接有电控开关(MOS管、三极管等)，电控开关的控制端(如NMOS管的栅极、三极管的基极等)与比较器的输出端连接，比较器优选但不限于为LM2903。参考电源包括现有产品中的电压基准芯片，或者还包括与电压基准芯片输出端连接的电阻分压网络。

在本实施方式中，在某些应用场景中，并不清楚待测区域中气体成分时，这时优选的，控制单元6包括位于光接收单元3和探测单元5之间光路上的单色器组件，以及信号放大器和信号处理器，单色器组件接收光接收单元3汇聚输出的光线，单色器组件使各种波长的光按顺序出射至探测单元5，探测单元5将接收的光线转换为电信号后，信号放大器对该电信号进行方法处理，信号处理器对放大后的电信号进行处理并将处理结果通过提示单元(此时提示单元可为显示器)进行显示，显示出待测气体的组分结构以及浓度。单色器组件、信号放大器和信号处理器的具体结构和详细工作原理可参见现有技术中公开号为CN207540968U的中国专利，在此不再赘述。在这些应用场景中，激光源2可选择发射红外波段的宽带光源，如上海复享光学股份有限公司的HL2000-LL超长寿命卤素光源。

在本实施方式中，可见光波段光线优选但不限于为红光，可选择现有的红光激光器产品，在此不再赘述。

在本实施方式中，激光源2可选择一个红外激光器和一个可见光激光器尽可能的靠近放置来实现。

在一种优选实施方式中，激光源2包括红外激光器21、可见光激光器22和合光器件23；

合光器件23将红外激光器21的出射光线和可见光激光器22的出射光线合为一束光线；

合光器件23的出射光线全部或部分入射到光发射单元4的入射面。

在本实施方式中，合光器件23优选但不限于选择现有的半反射半透射镜组成的合束镜组件，或者参考公开号为CN105511085A的中国专利中披露的技术方案。

在本实用新型的一种优选实施方式中，如图2所示，合光器件23为光纤合束器，光纤合束器的第一光输入端与红外激光器21的光输出端通过光纤连接，光纤合束器的第二光输入端与可见光激光器22的光输出端通过光纤连接，光纤合束器的光输出端与光发射单元4的光输入端通过光纤连接。

在本实施方式中，光纤合束器可选择现有产品，如Thorlabs公司的单模1x2光纤耦合器等。

在一种优选实施方式中，光发射单元4为光纤准直透镜，光接收单元3为光纤准直透镜。

在本实施方式中，光纤准直透镜均可选择现有产品。

在一种优选实施方式中，激光源2和光发射单元4通过光纤连接；

光接收单元3与探测单元5通过光纤连接。

在本实施方式中，可选择现有产品中带光纤连接口的激光源2和光接收单元3。

在一种优选实施方式中，如图4所示，控制单元6包括控制电路板；

控制电路板上设置有模数转换电路、数字锁相放大器、处理单元、正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器、加法器、激光器温度控制电路和激光器电流驱动电路；

模数转换电路的输入端连接探测单元5的输出端，模数转换电路的输出端连接数字锁相放大器的输入端，数字锁相放大器的输出端连接处理单元的信号处理输入端，处理单元的信号处理输出端与提示单元的输入端连接；

处理单元的多个驱动信号输出端分别连接正弦波信号发生器的输入端、锯齿波信号发生器的输入端和激光器温度控制电路的输入端，正弦波信号发生器的输出端和锯齿波信号发生器的输出端分别连接加法器的两个输入端，加法器的输出端连接激光器电流驱动电路的输入端，激光器电流驱动电路的输出端和激光器温度控制电路的输出端均与红外激光器21的输入端连接，红外激光器21的温度反馈端与处理单元的驱动信号输入端连接；

处理单元的可见光控制端与可见光激光器22的启动端连接。

在本实施方式中，将红外激光器21的输出调制光信号，已避免干扰，提高检测精度，红外激光器21优选但不限为DFB(Distributed Feedback Laser)激光器，即分布式反馈激光器。探测单元5优选但不限为InGaAs探测器。光接收单元3作为准直器1，光发射单元4作为准直器2，均可选择光纤准直镜。

在本实施方式中，模数转换电路、数字锁相放大器、正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器、加法器、激光器温度控制电路和激光器电流驱动电路均可选择现有电路结构，在此不再赘述。处理单元优选但不限于为单片机、MCU等，且处理单元对红外激光器21的光信号进行调制，通过数字锁相放大器对微弱信号进行提取，以及对红外激光器21进行激光控制这些技术手段均为现有技术，如可参考现有技术中公开号为CN101387607B的中国专利所披露的技术内容。

在本实施方式中，优选的，控制单元还包括一个手动开关，通过该手动开关启动或关闭可见光激光器22。

在本实用新型的一种优选实施方式中，还包括壳体，探测单元5、控制单元6、激光源2和光发射单元4位于壳体内，提示单元为显示面板，显示面板嵌设于壳体上。

在一种优选实施方式中，如图1所示，还包括设置于壳体上的瞄准望远镜7。

在本实施方式中，瞄准望远镜7可设置于壳体侧部、或壳体上部，优选的，瞄准望远镜7与壳体可拆卸连接。

在一种优选实施方式中，还包括电池，电池位于控制单元6和显示面板之间，电池的输出端分别与控制单元6的供电端和显示面板的供电端连接。

在本实施方式中，该电池优选的为可充电电池。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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实用新型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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种气体泄漏遥测装置，其特征在于，包括可设置于待测区域一侧的激光源和光发射单元,可设置于待测区域另一侧的光接收单元；

还包括探测单元、控制单元和提示单元；

所述光发射单元对所述激光源的出射光线进行准直并发射；

所述光接收单元位于所述光发射单元的出射光线的传播路径上，将通过待测区域的光线汇聚并耦合输入所述探测单元的光输入端；

所述探测单元的输出端与控制单元的输入端连接，所述控制单元的输出端与所述提示单元的输入端连接；

所述激光源的出射光线波段包括红外光波段和可见光波段。

2.如权利要求1所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，所述激光源包括红外激光器、可见光激光器和合光器件；

所述合光器件将所述红外激光器的出射光线和可见光激光器的出射光线合为一束光线；

所述合光器件的出射光线全部或部分入射到所述光发射单元的入射面。

3.如权利要求2所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，所述合光器件为光纤合束器，所述光纤合束器的第一光输入端与所述红外激光器的光输出端通过光纤连接，光纤合束器的第二光输入端与所述可见光激光器的光输出端通过光纤连接，光纤合束器的光输出端与光发射单元的光输入端通过光纤连接。

4.如权利要求1所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，所述光发射单元为光纤准直透镜，所述光接收单元为光纤准直透镜。

5.如权利要求4所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，所述激光源和光发射单元通过光纤连接；

所述光接收单元与探测单元通过光纤连接。

6.如权利要求2所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，所述控制单元包括控制电路板；

所述控制电路板上设置有模数转换电路、数字锁相放大器、处理单元、正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器、加法器、激光器温度控制电路和激光器电流驱动电路；

所述模数转换电路的输入端连接所述探测单元的输出端，所述模数转换电路的输出端连接所述数字锁相放大器的输入端，所述数字锁相放大器的输出端连接所述处理单元的信号处理输入端，所述处理单元的信号处理输出端与所述提示单元的输入端连接；

所述处理单元的多个驱动信号输出端分别连接所述正弦波信号发生器的输入端、锯齿波信号发生器的输入端和激光器温度控制电路的输入端，所述正弦波信号发生器的输出端和锯齿波信号发生器的输出端分别连接加法器的两个输入端，加法器的输出端连接所述激光器电流驱动电路的输入端，所述激光器电流驱动电路的输出端和激光器温度控制电路的输出端均与所述红外激光器的输入端连接，所述红外激光器的温度反馈端与所述处理单元的驱动信号输入端连接；

所述处理单元的可见光控制端与所述可见光激光器的启动端连接。

7.如权利要求1-6之一所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，还包括壳体，所述探测单元、控制单元、激光源和光发射单元位于所述壳体内，所述提示单元为显示面板，所述显示面板嵌设于所述壳体上。

8.如权利要求7所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，还包括设置于所述壳体上的瞄准望远镜。

9.如权利要求7所述的气体泄漏遥测装置，其特征在于，还包括电池，所述电池位于所述控制单元和所述显示面板之间，电池的输出端分别与所述控制单元的供电端和所述显示面板的供电端连接。

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