RU2108597C1

RU2108597C1 - Method of laser location of methane leaks in industrial gas pipe-line and gear for its realization

Info

Publication number: RU2108597C1
Application number: RU95112553/09A
Authority: RU
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ"
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1998-04-10

Abstract

FIELD: gas transportation over pipe-lines. SUBSTANCE: method of laser location of methane leaks in industrial gas pipe-lines includes scanning of pipe-line with three radio frequency laser beams modulated by amplitude, selective reflected laser signal passed through cloud of methane by photodetector on three frequencies corresponding to modulation frequencies of laser beams. Modulation frequency is matched with frequency and time parameters of filters of photodetector. Gear locating methane leaks with the use of laser in industrial gas pipe-lines incorporates laser radiator 1, first amplitude modulator 2, second laser radiator 3, beam splitter 4, second amplitude modulator 7, optical system 8, photodetector 9, signal processing unit 10, scanner 11. EFFECT: improved functional reliability of gear and authenticity of method. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной локации, а именно к системам получения информации об объектах в приземном слое атмосферы с борта летательного аппарата. The invention relates to a laser location, and in particular to systems for obtaining information about objects in the surface layer of the atmosphere from an aircraft.

Целью изобретения является распознавание облака метана при контроле утечек в промышленном газопроводе. The aim of the invention is the recognition of methane clouds in the control of leaks in an industrial gas pipeline.

Известен способ получения изображения земной поверхности с использованием оптического квантового генератора, основанный на передаче излучения ОКГ на исследуемый объект, приеме отраженного от объекта излучения, преобразовании его и обработке [1]. A known method of obtaining images of the earth's surface using an optical quantum generator, based on the transmission of laser radiation to the object under study, receiving the radiation reflected from the object, converting it and processing it [1].

Известен способ дистанционного измерения параметров пространственного распределения концентрации аэрозоля в атмосфере и устройство для его осуществления (А.с. СССР N 1812535, кл. G 01 S 17/00). Устройство работает следующим образом: лазерный излучатель под управлением блока синхронизации формирует световой импульс, который фокусируется передающим каналом оптической системы и с помощью сканера излучается в начальную точку выброса. Рассеянное выбросом оптическое излучение через сканер попадает в приемный канал оптической фокусирующей системы, которая фокусирует принятое оптическое излучение на фотоприемнике. Сформированный фотоприемником электрический сигнал усиливается усилителем и поступает в измеритель, который определяет распределение по дальности концентрации загрязняющих веществ. A known method for remote measurement of the spatial distribution of the concentration of aerosol in the atmosphere and a device for its implementation (AS USSR N 1812535, class G 01 S 17/00). The device operates as follows: a laser emitter under the control of the synchronization unit generates a light pulse, which is focused by the transmitting channel of the optical system and is emitted by a scanner to the starting point of ejection. Scattered by the ejection optical radiation through the scanner enters the receiving channel of the optical focusing system, which focuses the received optical radiation on the photodetector. The electrical signal generated by the photodetector is amplified by an amplifier and enters the meter, which determines the distribution over the distance of the concentration of pollutants.

Недостатками указанного способа и устройства является отсутствие возможности точной селекции определенного газа (в данном случае, метана) и выделения этой информации на фоне мешающих атмосферных помех. The disadvantages of this method and device is the inability to accurately select a specific gas (in this case, methane) and the allocation of this information against the background of interfering atmospheric interference.

Известен способ и устройство одновременного зондирования земной поверхности излучением с различными длинами волн, приеме и обработке отраженных сигналов [2]. A known method and device for simultaneously sensing the earth's surface with radiation with different wavelengths, receiving and processing reflected signals [2].

Недостатком указанных технических решений является невозможность применения их для контроля и идентификации облака метана. The disadvantage of these technical solutions is the inability to use them for monitoring and identifying a methane cloud.

Предложенный способ отличается от описанных технических решений тем, что сканирование вдоль газопровода промодулированным лазерным излучением осуществляется тремя разночастотными лучами, промодулированными дополнительно по амплитуде, отраженные от метанового облака лучи принимаются одним фотоприемником, сканирование осуществляется синхронного с модуляцией лучей, причем скорость сканирования согласована с частотно-временными параметрами фильтров фотоприемника. The proposed method differs from the described technical solutions in that scanning along the gas pipeline with modulated laser radiation is carried out by three different-frequency rays, additionally modulated in amplitude, the rays reflected from the methane cloud are received by one photodetector, scanning is synchronous with the modulation of the rays, and the scanning speed is consistent with the time-frequency photodetector filter parameters.

Суть способа заключается в следующем. В стандартной атмосфере присутствуют ряд газов и паров, в том числе метан и пары воды, которые имеют так называемую фоновую концентрацию. Обнаружение метана производится по регистрации величины поглощения сигнала, отраженного от земной поверхности, при зондировании с летательного аппарата. Величина поглощения зависит как от интегральной концентрации метана на трассе зондирования, так и от степени совпадения длины волны зондирующего излучения со спектральным ходом поглощения метана. Поскольку в любой атмосфере имеются пары воды, спектр поглощения которой является практически непрерывным, а сечение поглощения довольно значительным, то на общую величину поглощения на спектральной линии зондирования метана сказывается влияние поглощения воды. Учитывая, что спектральный ход поглощения метана и воды имеет свои особенности, зондирование производят дополнительно на длине волны, смещенной относительно первой. Кроме поглощения парами воды на величину амплитуды отраженного сигнала влияет изменение значения отражающих свойств поверхности земли. Для учета переменного коэффициента отражения землей зондирование еще дополнительно производится на третьей длине волны излучения, поглощение на которой, в основном, зависит или только от метана, или только от воды. The essence of the method is as follows. A number of gases and vapors are present in the standard atmosphere, including methane and water vapor, which have the so-called background concentration. Methane is detected by recording the magnitude of the absorption of a signal reflected from the earth's surface when sensing from an aircraft. The absorption value depends both on the integral concentration of methane on the sensing path and on the degree of coincidence of the wavelength of the probe radiation with the spectral course of methane absorption. Since there are water vapor in any atmosphere, the absorption spectrum of which is almost continuous, and the absorption cross section is quite significant, the effect of water absorption affects the total absorption on the methane sensing spectral line. Given that the spectral behavior of the absorption of methane and water has its own characteristics, sounding is additionally performed at a wavelength offset from the first. In addition to absorption by water vapor, the magnitude of the reflected signal amplitude is affected by a change in the value of the reflecting properties of the earth's surface. To take into account the variable reflection coefficient by the ground, sounding is additionally performed at a third radiation wavelength, the absorption at which mainly depends either on methane alone or only on water.

Таким образом, получая три отраженных сигнала на трех длинах волн решается задача определения концентрации метана путем исключения влияния воды и переменной величины отражения земной поверхности. Для разделения отраженных сигналов на трех длинах волн λ₁,λ₂,λ₃ осуществляется амплитудная модуляция излучения на частотах f₁, f₂, f₃ соответственно. Отраженные сигналы регистрируются фотоприемником и разделяются за счет фильтрации на частотах амплитудной модуляции. Дальнейшая совместная обработка трех сигналов позволяет обеспечить определение количества метана в приземном слое в районе трубопровода.Thus, receiving three reflected signals at three wavelengths, the problem of determining the concentration of methane is solved by eliminating the influence of water and a variable reflection of the earth's surface. To separate the reflected signals at three wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ the amplitude modulation of radiation is carried out at frequencies f ₁ , f ₂ , f _3, respectively. The reflected signals are recorded by a photodetector and separated by filtering at the frequencies of amplitude modulation. Further joint processing of the three signals makes it possible to determine the amount of methane in the surface layer in the vicinity of the pipeline.

Отличием устройства для реализации способа является наличие преобразователя, позволяющего изменить длину волны излучения. Частотно-временные параметры фильтров фотоприемника согласованы со скоростью сканирования. The difference between the device for implementing the method is the presence of a converter that allows you to change the radiation wavelength. The time-frequency parameters of the photodetector filters are consistent with the scanning speed.

Устройство для реализации способа обнаружения утечек метана (фиг. 1) содержит: первый лазерный излучатель 1, первый амплитудный модулятор 2, второй лазерный излучатель 3, светоделитель 4, второй амплитудный модулятор 5, преобразователь частоты 6, третий амплитудный модулятор 7, оптическую систему 8, фотоприемник 9, блок обработки сигнала 10, сканирующее устройство 11. A device for implementing a methane leak detection method (Fig. 1) comprises: a first laser emitter 1, a first amplitude modulator 2, a second laser emitter 3, a beam splitter 4, a second amplitude modulator 5, a frequency converter 6, a third amplitude modulator 7, an optical system 8, photodetector 9, signal processing unit 10, scanning device 11.

На чертеже облако метана обозначено индексом 12. In the drawing, a methane cloud is indicated by index 12.

Устройство работает следующим образом: непрерывный световой поток с лазерного излучателя 1 поступает на вход амплитудного модулятора 2. Непрерывный световой поток лазерного излучателя 3 поступает на светоделитель 4. Первый световой поток лазерного излучателя 3 поступает на амплитудный модулятор 5, а второй световой поток - на преобразователь частоты 6 и амплитудный модулятор 7. Световые потоки от лазерных излучателей 1, 3 поступают на сканирующее устройство 11. Отраженные от поверхности земли световые потоки через сканирующее устройство 11 и оптическую систему 8 поступают на фотоприемник 9, с выходов которого три электрических сигнала, отфильтрованные на частотах модуляции амплитудных модуляторов 2, 5, 7, поступают в блок обработки сигнала 10. The device operates as follows: a continuous light stream from a laser emitter 1 enters the input of an amplitude modulator 2. A continuous light stream of a laser emitter 3 enters a beam splitter 4. The first light stream of a laser emitter 3 enters an amplitude modulator 5, and a second light stream enters a frequency converter 6 and an amplitude modulator 7. The light flux from the laser emitters 1, 3 enters the scanning device 11. The light flux reflected from the surface of the earth through the scanning device 11 and the optical system 8 is fed to a photodetector 9, from the outputs of which three electrical signals, filtered at the modulation frequencies of the amplitude modulators 2, 5, 7, are fed to the signal processing unit 10.

Амплитудные модуляторы 2, 5, 7 обеспечивают селективный прием излучения на фотоприемнике для разделения отраженного сигнала и позволяют сократить полосу пропускания для уменьшения влияния шумов. Лазерные излучатели 1, 3 выполнены на гелий-неоновой смеси с линиями излучения в области спектра поглощения метана. Amplitude modulators 2, 5, 7 provide selective reception of radiation at the photodetector to separate the reflected signal and reduce the bandwidth to reduce the effect of noise. Laser emitters 1, 3 are made on a helium-neon mixture with emission lines in the region of the absorption spectrum of methane.

Частота сканирования устройства 11, обеспечивающего обзор пространства поперек оси вертолета, согласована с частотой модуляции. Скорость сканирования выбирается из условий создания растра обзора с заданным шагом, а частоты амплитудной модуляции излучения выбираются исходя из скорости сканирования и согласовываются с частотно-временными параметрами электрических фильтров фотоприемника для получения требуемого отношения сигнал/шум за время однократного отсчета. Фотоприемник 9 содержит фотодетектор и усилители с фильтрами. Блок обработки регистрирует сигнал по превышению заданного отношения сигнал/шум. Сканирование осуществляется линейно, поперек оси вертолета. The scanning frequency of the device 11, providing an overview of the space across the axis of the helicopter, is consistent with the modulation frequency. The scanning speed is selected from the conditions for creating a viewing raster with a given step, and the frequencies of the amplitude modulation of radiation are selected based on the scanning speed and are consistent with the time-frequency parameters of the photodetector's electrical filters to obtain the required signal-to-noise ratio during a single counting. The photodetector 9 includes a photodetector and amplifiers with filters. The processing unit registers a signal when a predetermined signal-to-noise ratio is exceeded. Scanning is carried out linearly, across the axis of the helicopter.

Claims

1. The method of laser location of methane leaks in industrial gas pipelines, which consists in scanning regions along the gas pipeline with three different-frequency modulated laser beams and receiving a reflected laser signal, characterized in that the laser beams are modulated in amplitude, and the photodetector receiving the transmitted laser selectively receives a methane cloud, at three frequencies corresponding to the modulation frequencies of the laser beams, the scanning frequency being coordinated with the modulation frequencies, and the mode frequencies The correlations correspond with the time-frequency parameters of the photodetector filters.

2. A laser location device for methane leaks in industrial gas pipelines, including a transmitting part containing two different-frequency laser emitters, the first laser emitter being connected to the input of the first modulator, a receiving part containing an optical system in series, a photodetector with filters and a signal processing unit, a scanning device interconnecting the transmitting and receiving parts, characterized in that the first modulator is made amplitude, the second and third amplitudes are included in the transmitting part modulators, a beam splitter and a frequency converter, wherein the second laser emitter is connected to a beam splitter, the first output of which is connected in series with the second amplitude modulator, and the second output is connected in series with the frequency converter and third amplitude modulator, the laser emitters are made of a helium-neon mixture with emission lines in areas of the methane absorption spectrum, the scanning frequency of the scanning device is coordinated with the modulation frequencies of the first, second and third amplitudes GOVERNMENTAL modulators whose frequencies agree with the photodetector filters frequencies.