基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测检测装置的制作方法

本实用新型属于可燃及有毒气体泄漏监测技术领域，特别是涉及一种基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测、检测装置。

背景技术：

随着石油化工天然气等行业的高速发展，人们对石油化工天然气行业的认识也逐渐加深，对石油化工天然气行业所潜在的危险也有了进一步的认识。在石油化工天然气场所，存在着大量的可燃气体，这些可燃气体如果发生泄漏，与空气混合容易引发爆炸事故的发生，而这些爆炸事故及随之而来的火灾，极可能引发巨大的灾难，此类事故一旦发生就会给国家和人民生命财产造成巨大损失。此外，在石油化工天然气生产过程中，原油或其它原料中的硫化物因高温分解、加氢等作用均可产生高毒性硫化氢，特别是近年来随着石油资源逐渐紧缺，国内越来越多的炼油装置改炼进口高硫劣质原油，导致石化生产整个系统中硫化氢浓度大幅提高，硫化氢是剧毒的危险性气体,当空气中浓度超28mg/m³时,人就无法正常工作；超过100mg/m³时，就可引起急性中毒,造成人员死亡。

而随着我国城市的发展，居民生活水平不断提高，对石油天然气等的需求也越来越高。而目前国内可燃及有毒气体监测的技术手段主要是催化燃烧式和电化学的点式仪器。这些仪器虽然在灵敏度上能够达到检测要求，但由于传感器自身的“中毒”问题，需要经常进行标定校准，同时在高浓度的情况下使用会大大加速传感器的失效速度，普遍具有响应速度慢，容易受到其它气体成分的交叉灵敏，以及表面污染的不利影响。所以急需要更加有效的监测手段。当然现在也出现的基于激光吸收光谱的监测手段，但也有其自身的局限性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测检测装置，通过K-K关系将传统的吸收(强度)监测转变为折射率(相位)监测，解决了现有的毒气体泄漏监测检测误差大、易干扰，传输范围受限等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为一种基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测检测装置，包括激光器，所述激光器设置有温度控制模块和电流控制模块；所述电流控制模块设置有一信号发生器；调制器，所述信号发生器采集的电信号传输到激光器；所述激光器将发出的激光信号发送到调制器；卡塞格林系统探头，所述调制器将调制处理后的激光信号发送到卡塞格林系统探头；所述卡塞格林系统探头包括远端的反射装置、光电探测器、锁相放大器及数据处理模块、扫描云台装置、云台控制装置；所述扫描云台装置、锁相放大器及数据处理模块连接到卡塞格林系统探头；所述云台控制装置通过扫描云台装置控制卡塞格林系统探头的扫描路径；所述远端的反射装置位于卡塞格林系统探头扫描路径的扇形区域。

进一步地，所述调制器采用马赫曾德尔调制器；所述马赫曾德尔调制器设置有频率为Ω的调制源和偏振控制器。

进一步地，所述卡塞格林系统探头的扫描路径在0～360°的范围扫描式立体监测。

进一步地，所述卡塞格林系统探头的扫描路径固定在一个方向的对射式监测。

基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测检测方法，包括如下过程：

SS01通过给电流控制模块的控制电路输入三角波来调节DFB激光器，使其输出的激光来回扫描目标气体的特征吸收峰；

SS02激光器发出的光经光纤接入马赫曾德尔调制器,当输入光为ω0时，经过调制后会出现频率为(ω0-Ω)和(ω0+Ω)的两个边带；

SS03频率为(ω0-Ω)和(ω0+Ω)的两束光由卡塞格林系统探头通过相同的路径到达远端的反射装置并返回；

SS04当光路中有目标气体时，由于两束光对应的折射率不同，将发生色散，也就是产生了相位差；

SS05通过锁相放大器测量出两束光的相位差，即得出目标气体的浓度；

SS06卡塞格林系统探头通过云台装置进行360度(或定制)立体扫描探测；

SS07输出气体浓度信息并报警的同时，也可以定位气体泄漏的大致位置

进一步地，所述SS04当光路中有目标气体时，由于两束光对应的折射率不同，将发生色散，也就是产生了相位差；

其中，基于k-k关系通过监测相位信息来进行传感；

其中，用来传感的相位信息来源于待测气体的啁啾激光色散光谱。

进一步地，所述通过K-K关系将传统的吸收(强度)监测转变为折射率(相位)监测；当电磁波(光波)通过媒质时，折射率和吸收率分别与复折射率N＝n+ik的实部n(折射率)和虚部k(消光系数)直接相关，且都与电磁波的频率ω有关，而吸收系数α＝4πk/λ；根据k-k关系我们可以得到如下公式：

其中，α(ω')是位于频率ω'的吸收系数。

而本实用新型就是将上述机理应用于可燃及有毒气体监测领域。众所周知，许多常见的可燃及有毒气体都有其特征吸收峰(比如甲烷的在1653nm)。根据k-k关系，在其特征吸收峰对应的波长范围也同样会有折射率的变化谱，即色散光谱。当该范围内两束频率不同的光经过目标气体时，由于折射率的不同就会使其发生色散从而产生相位差。然后即可通过相位差来推算出目标气体的浓度。而这就是本实用新型所涉及到的方法，啁啾激光色散光谱方法。

而基于该方法的装置，本实用新型中主要是采用扫描式结构。将激光器发出的光调制后耦合到一个光学探头之中，通过探头发射到自由空间并接收反射回来的光。远端加反射装置或者利用自然反射体均可。该光学探头通过云台进行扫描控制。这种方式可以对目标气体进行大范围立体式监测。除了监测浓度外也可以对泄漏位置进行定位。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型主要是通过监测光学信号的相位信息来进行解调目标气体的浓度数据；抗环境干扰更强，监测距离更远。

2、本实用新型传感探头无源、本质安全、便于组网，适合石油化工等易燃易爆场所，具有防爆，安全性能好的优点；具有监测范围更大，最低检测限更小，监测距离(探头与反射装置的距离)最远可以达到1km,远远优于现有的监测手段。

3、本实用新型可以监测多种可燃及有毒气体，比如甲烷、乙烷、乙炔、硫化氢、一氧化碳等；可以进行多种气体同时监测且相互之间无干扰。

4、本实用新型的装置主要为开路扫描式，探头可以360度旋转扫描，在旋转过程中探头向自由空间发射激光，当遇到远端的反射装置或自然反射体时光会反射回探头并同时携带目标气体的浓度信息。所以本实用新型可以主动寻找泄漏源而不是传统方式中等待泄漏源扩散到监测区域。

5、本实用新型可以通过扫描角度以及时间对气体泄漏位置进行定位，也可以将探头方向固定并且在远端加装反射装置，形成对射式监测设备。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，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为本实用新型的装置系统图；

图2为相位变化示意图；

图3为本实用新型的基本原理图，即基于k-k关系的折射率与吸收系数关系图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3所示，本实用新型为基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测检测装置，包括激光器采用分布式DFB激光器，DFB激光器设置有温度控制模块和电流控制模块；电流控制模块设置有一信号发生器；马赫曾德尔调制器，信号发生器采集的电信号传输到DFB激光器；DFB激光器将发出的激光信号发送到马赫曾德尔调制器；卡塞格林系统探头，马赫曾德尔调制器将调制处理后的激光信号发送到卡塞格林系统探头；卡塞格林系统探头包括远端的反射装置、光电探测器、锁相放大器及数据处理模块、扫描云台装置、云台控制装置；扫描云台装置、锁相放大器及数据处理模块连接到卡塞格林系统探头；云台控制装置通过扫描云台装置控制卡塞格林系统探头的扫描路径；远端的反射装置位于卡塞格林系统探头扫描路径的扇形区域。

其中，马赫曾德尔调制器设置有频率为Ω的调制源和偏振控制器。

其中，卡塞格林系统探头的扫描路径在0～360°的范围扫描式立体监测。

其中，卡塞格林系统探头的扫描路径固定在一个方向的对射式监测。

基于啁啾色散光谱的可燃及有毒气体泄漏监测检测方法，利用K-K关系(图3)，气体吸收峰对应的波长位置同样也会有折射率的变化，所以当两束频率不同的光经过目标气体时就会因色散而产生相位差，通过探测这种相位差即可推算出气体泄漏的浓度情况；包括如下过程：

SS01通过给电流控制模块的控制电路输入三角波来调节DFB激光器，使其输出的激光来回扫描目标气体的特征吸收峰；

SS02激光器发出的光经光纤接入马赫曾德尔调制器,当输入光为ω0时，经过调制后会出现频率为(ω0-Ω)和(ω0+Ω)的两个边带；

SS03频率为(ω0-Ω)和(ω0+Ω)的两束光由卡塞格林系统探头通过相同的路径到达远端的反射装置并返回；

SS04当光路中有目标气体时，由于两束光对应的折射率不同，将发生色散，也就是产生了相位差；

SS05通过锁相放大器测量出两束光的相位差，即得出目标气体的浓度；

SS06卡塞格林系统探头通过云台装置进行360度(或定制范围)立体扫描探测；

SS07输出气体浓度信息并报警的同时，也可以定位气体泄漏的区域位置

其中，SS04当光路中有目标气体时，由于两束光对应的折射率不同，将发生色散，也就是产生了相位差；

其中，基于k-k关系通过监测相位信息来进行传感；

其中，用来传感的相位信息来源于待测气体的啁啾激光色散光谱。

其中，通过K-K关系将传统的吸收(强度)监测转变为折射率(相位)监测；当电磁波(光波)通过媒质时，折射率和吸收率分别与复折射率N＝n+ik的实部n(折射率)和虚部k(消光系数)直接相关，且都与电磁波的频率ω有关，而吸收系数α＝4πk/λ；根据k-k关系我们可以得到如下公式：

其中，α(ω')是位于频率ω'的吸收系数。

而本实用新型就是将上述机理应用于可燃及有毒气体监测领域。众所周知，许多常见的可燃及有毒气体都有其特征吸收峰(比如甲烷的在1653nm)。根据k-k关系，在其特征吸收峰对应的波长范围也同样会有折射率的变化谱，即色散光谱。当该范围内两束频率不同的光经过目标气体时，由于折射率的不同就会使其发生色散从而产生相位差。然后即可通过相位差来推算出目标气体的浓度。而这就是本实用新型所涉及到的方法，啁啾激光色散光谱方法。

而基于该方法的装置，本实用新型中主要是采用扫描式结构。将激光器发出的光调制后耦合到一个光学探头之中，通过探头发射到自由空间并接收反射回来的光。远端加反射装置或者利用自然反射体均可。该光学探头通过云台进行扫描控制。这种方式可以对目标气体进行大范围立体式监测。除了监测浓度外也可以对泄漏位置进行定位。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。