专利名称：实时移动遥测传感器对天然气及有毒气体的检测方法
技术领域：
本发明属环镜科学和光谱学领域，具体涉及一种利用实时移动遥测传感器对天然气及有毒气体的检测方法。
背景技术：
天然气的易燃、易爆性和具有毒性等特点，确保输气管道和气处理站场设施的安全运行非常重要。天然气输送管道长时间服役后，会因外部干扰、腐蚀、管材和施工质量等原因发生失效事故，导致火灾、爆炸、中毒，造成重大经济损失及人员伤亡和环境污染。此外，我国已探明天然气储量中高含硫天然气占有相当大比重。高含硫天然气的特点是不仅高含H2S，而且富含CO2。这两种酸性物质的复合对集输管道以及处理站场的金属管材设备产生严重的腐蚀，往往造成高压状态下的金属材质无预兆、突发性的应力开裂以及集输管道的爆管。该种高含硫天然气一旦泄漏不仅会引发爆炸，而且因神经剧毒气体H2S的漂移扩散将造成重在人身伤害和环境污染。我国曾发生多起高含硫天然气开发而引发的事故，其中2003年重庆开县高含硫天然气井喷事故致使243人死亡，而并存的安全检测设备的落后直接造成我国高含硫天然气开发基本停顿，并形成了天然气市场的用气紧张局面。
我国天然气管道正处于大发展时期，工业和居民用户迅速增长。新建成的西气东输管线、陕京二线等管道沿线地形地貌复杂，地质灾害类型多，穿过活动断裂带多。管道下游是人口稠密、经济发过省市，这些管线一旦发生泄漏或火灾爆炸事故将带来严重的经济损失和恶劣的社会影响。管道线路及站场设施安全保障的重要性和紧迫性尤为突出。因此，为保障天然气生产管线及城市管网的安全高效运行，迫切需要对天然气管线及生产设施进行安全监测。而目前对天然气泄漏进行监检测的手段主要是采用各类化学、金属氧化物以及红外瓦斯等固定置入式气体传感器。化学传感器有较高的灵敏度，但易“中毒”失效，需频繁维护；半导体传感器选择性较差，容易受大气中其它气体成份的干扰，虚警率高，同时仪器也需要定期进行零点标定。金属氧化物传感器除具有半导体传感器的缺点外，还具有睡眠的缺陷。红外瓦斯传感器则由于原理上原因而存在检测灵敏度低、易受干扰的缺陷，造成后期维护费用高。我国高含硫天然气气藏所在的西南地区处山区，该地区地形复杂、地质灾害多发、局部气象多变；另一方面，天然气下游城市人口稠密、管网铺设复杂、城市迅速扩大以及地面建筑的影响使得上述传感器在天然气集输、长输以及城市管网等实际应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时移动遥测传感器对天然气及有毒气体的检测方法，解决上述已有技术存在的问题。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的本发明利用多谐波的调制半导体激光吸收光谱法、光电接收系统、DSP软硬件技术及激光驱动电路，通过由调制半导体激光器、光纤、准直镜、滤波片、光电探测器、微焦比反射镜构成的红外激光发射接收单元发射激光经光纤传输准直镜准直后输出，遇目标物散射后，由滤波片选频滤后被反射镜聚焦到光电探测器光敏面上接收，然后将光电探测的模拟信号经数字化后送入DSP信号处理器处理，给出发射激光与目标物之间待检天然气或有毒气体的浓度信息，实现对侵入生产现场或非生产现场的天然气或有毒气体的连续移动监测，维护生产现场或非生产现场的安全。
本发明的天然气或有毒气体的遥测移动实时传感器，由反射镜、镜筒、防尘片、光电探测器、激光器、准直镜DSP信号处理器和激光驱动器组成，其特征在于反射镜安装在镜筒的左端部，凹面向右，在反射镜的聚焦点处安装有光电探测器和DSP信息处理器的接口；在镜筒的右端部安装有激光器准直镜和激光驱动器的接口，准直镜轴线与光电探测器及反射镜同轴，激光驱动器及DSP信号处理器共同单独封装在一个仪器盒内，通过电缆和光纤分别与光电探测器和准直镜联接；在激光器准直镜与光电探测之间设有防尘片，防尘片固定在镜筒上。
天然气或有毒气体的遥测移动实时传感器，激光器的中心频率在1.65um附近，并经过扫描和发射激光的正弦调制。
微焦比反射镜的焦距为60mm。
本发明与已有技术相比具有以下优点移动遥感监测传统的传感器是一种静态监测技术，即一种固定于现场的监测技术。传统的需定期维护，因此对于长输管网、复杂城市管网等远距离、复杂位置、不宜进入现场等场所缺乏有效的监测能力。本发明是一种可移动、无需进入现场的高灵敏度遥感监测技术。
多谐波信号检测调制半导体激光吸收光谱法多采用原始信号的二次谐波进行气体浓度的检测。本检测方法利用不同谐波对噪声和信号的反映不同来标定噪声，通过标定的噪声再校正用于反演气体浓度的信号，从而提高基于调制半导体激光吸收光谱法传感器的灵敏度。
四
图1-本发明结构示意2-多谐波检测原理的示意1中1-反射镜 2-镜筒 3-防尘片 4-目标反射物体 5-光电探测器 6-激光器、准直镜 7-DSP信号处理器 8-激光驱动器图2中a-原始吸收光谱 b-一次谐波曲线 c-二次谐波曲线 d-三次谐波曲线五具体实施方式
经激光驱动器8驱动的调制半导体激光器6发射的激光经光纤耦合后通过准直镜6准直整形发射到开放的空间里，发射的激光碰到目标反射物4后向周围空间产生漫散射，这些漫散射的部分光被光电接收单元接收。接收的漫散射光滤波后经过微焦比的反射镜1聚焦到光电探测器5光敏面上被接收。经数字化后送交DSP数字信号处理器7进行多谐数字解调，获得原始吸收光谱的多个谐波波形成份。理想条件下这些谐波成分中偶次谐波成分偶对称，频率中心信号强度不为零；其次谐波成分奇对称，频率中心为零。但实际情况下，信号本身会受到各种干扰的影响，例如背景光噪声、边缘干涉等。如图2b和d所示，频率中心会偏离零点，通过奇次谐波对噪声进行标定，再对偶次谐波进行扣除，然后再进行气体浓度信息提取处理，给出发射激光器和目标反射物体之间的气体浓度信息。镜筒2上的防尘片是防止灰尘进入反射镜，影响其反射效果。
权利要求
1.一种实时移动遥测传感器对天然气及有毒气体的检测方法，其特征在于利用多谐波的调制半导体激光吸收光谱法、光电接收系统、DSP软硬件技术及激光驱动电路，通过由调制半导体激光器、光纤、准直镜、滤波片、光电探测器、微焦比反射镜构成的红外激光发射接收单元发射激光经光纤传输准直镜准直后输出，遇目标物散射后，由滤波片选频滤后被反射镜聚焦到光电探测器光敏面上接收，然后将光电探测的模拟信号经数字化后送入DSP信号处理器处理，给出发射激光与目标物之间待检天然气或有毒气体的浓度信息，实现对侵入生产现场或非生产现场的天然气或有毒气体的连续移动监测，维护生产现场或非生产现场的安全。
2.一种对天然气或有毒气体移动实时遥测传感器，由反射镜、镜筒、防尘片、光电探测器、激光器、准直镜DSP信号处理器和激光驱动器组成，其特征在于反射镜安装在镜筒的左端部，凹面向右，在反射镜的聚焦点处安装有光电探测器和DSP信息处理器的接口；在镜筒的右端部安装有激光器准直镜和激光驱动器的接口，准直镜轴线与光电探测器及反射镜同轴，激光驱动器及DSP信号处理器共同单独封装在一个仪器盒内，通过电缆和光纤分别与光电探测器和准直镜联接；在激光器准直镜与光电探测之间设有防尘片，防尘片固定在镜筒上。
3.根据权利要求2所述的一种对天然气或有毒气体移动实时遥测传感器，其特征在于激光器的中心频率在1.65um附近，并经过扫描和发射激光的正弦调制。
4.根据权利要求2所述的一种对天然气或有毒气体移动实时遥测传感器，其特征在于微焦比反射镜的焦距为60mm。
全文摘要
一种实时移动遥测传感器对天然气及有毒气体的检测方法，利用多谐波的调制半导体激光吸收光谱法、光电接收系统、DSP软硬件技术及激光驱动电路，通过由调制半导体激光器、光纤、准直镜、滤波片、光电探测器、微焦比反射镜构成的红外激光发射接收单元发射激光经光纤传输准直镜准直后输出，遇目标物散射后，由滤波片选频滤后被反射镜聚焦到光电探测器光敏面上接收，然后将光电探测的模拟信号经数字化后送入DSP信号处理器处理，给出发射激光与目标物之间待检天然气或有毒气体的浓度信息，实现对侵入生产现场或非生产现场的天然气或有毒气体的连续移动监测，维护生产现场或非生产现场的安全。
文档编号G01N21/31GK101038252SQ20071001433
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月14日 优先权日2007年4月14日
发明者张健, 常岐海, 于殿强, 董金婷, 董建军 申请人:胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司