专利名称：新型城市天然气管道泄漏检测定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境光谱学领域和输气管道泄漏的检测定位技术领域，具体的说 是一种用于城市天然气管道泄漏检测定位的基于可调谐激光光谱技术(TDLAS) 的CH4气体浓度测量系统及方法。
背景技术：
目前，作为城市必不可少的基础设施之一，燃气管道对人民生活水平的提高 做出了很大的贡献。但是由于管道设备老化，地理和气候条件的影响以及人为破 坏等原因经常会造成泄漏事故的发生。城市燃气管道一旦泄漏，不仅会带来经济 损失和环境污染，而且由于城市中不确定性火源很多，极易引发火灾和爆炸，造 成人员伤亡等灾难性事故，对社会产生巨大负面影响。
目前的天然气管道泄漏检测和定位方法主要分为直接法和间接法，而直接检 测天然气主要成份甲烷(95%以上)的浓度是应用较广的一类方法。
当前天然气管道泄漏检测用的气体传感器中，半导体传感器居多，但其普遍 具有响应时间长、易中毒以及易受其他气体干扰等缺点。基于激光光谱技术的气 体传感技术，能够实现对气体的高灵敏、非接触在线检测，因此其在天然气管道 泄漏检测领域有着广阔的应用前景。
已有技术中也有基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式天然气泄漏 监测方法，虽然很好地提高了大范围天然气泄漏监测的灵敏度，但是该方法采用 开放式光路结构，并不适用于城市复杂地面环境下的天然气管道泄漏检测和定 位。
发明内容
本发明提供了一种基于半导体可调谐激光吸收光谱技术的采样式城市天然 气管道泄漏检测定位方法及系统。本发明利用模块化的系统设计和简单实用的光 路结构，使用手持式探头吸气采样和定位的方式，将高灵敏的激光光谱气体浓度
测量技术成功地应用于天然气管道泄漏探测，结合了激光气体分析技术的高灵敏 抗干扰和传统半导体传感器点式测量的灵活简便的优点，有效地提高了城市复杂 地面环境下天然气泄漏检测定位的精度。 本发明的技术方案如下
新型城市天然气管道泄漏检测定位方法，其特征在于调节激光温度电流控 制器，使激光器输出波长位于CH4气体的某条吸收线中心，由信号发生器产生低 频锯齿波信号输入到激光器温度电流控制器上，使激光器输出波长缓慢扫过CH4 气体的吸收线，同吋由锁相放大器输出高频正弦信号直接输入到激光器上，对输 出光进行调制；激光器产生经过调制的激光经过准直透镜，射入多次反射吸收池， 多次反射吸收池的进气口接采样探头，出气口接微型吸气泵，微型吸气泵工作后， 向大气排气，采样探头从外界吸入需要测定的样气，多次反射吸收池中充满需要 测定的样气，从多次反射吸收池中经过来回多次反射后出射，经另一准直透镜后 光线聚焦在激光探测器的光敏面上，激光探测器将光信号转换为电信号后输出到 锁相放大器，解调得到二次谐波幅值，利用预先保存的单独通过已知浓度标准气 体校准池产生的标定信号进行线性拟合，得到要检测的GH4气体浓度。
采样探头壳体上安装有位移传感器，位移传感器产生的位移信号由信号采集 模块输入到信号分析处理模块中，得到CH4气体浓度的位置分布信息。
新型城市天然气管道泄漏检测定位系统，其特征在于在箱体内安装有红外 激光器，信号控制器的控制信号输入到激光器温度电流控制器，激乐器温度电流 控制器输出控制信号接入到红外激光器，红外激光器出光口位于多次反射吸收池 的入光窗片前端，多次反射吸收池的出气口接微型吸气泵，微型吸气泵的排气口 通向箱体外大气，多次反射吸收池的进气口接软管，软管端部接有采样探头，进 入多次反射吸收池的激光从出光窗片出射，由激光探测器接收，激光探测器的信 号输出到锁相放大器，再经过信号采集模块，接入到信号分析处理模块，锁相放 大器输出控制信号接入到红外激光器。
所述的多次反射吸收池的入光窗片、出光窗片前均安装有准直透镜。
所述的箱体内安装有可见光激光器，其出光口连接有光纤，红外激光器出光 口连接有光纤，二束光纤耦合，定位于多次反射吸收池的入光窗片前端。
所述的多次反射吸收池的出光窗片与激光探测器之间安装有CH4标准气体校准池。
采样探头外壁上安装有位移传感器，位移传感器的输出端连接信号采集模块。
所述的采样探头结构由手柄、金属管身、接口法兰、接头组成，接口法兰与 接头之间内置有过滤网。
本发明除采样探头外的部件均内置于箱体内，采样探头通过管道与机箱内的 多次反射吸收池进气口连通。
所述的采样探头为一进气管道，前端还安装有过滤网。
本发明的原理
强度为/。，频率为U的单色激光，通过长度为Z的吸收介质(气体)后，在接 收端测得的强度为/，遵循朗伯比尔定律
/(u) = /0(u)exp(-咖)肌)
其中o"(u)为气体分子中心吸收截面，7V为气体的摩尔浓度。 当激光的中心频率R受到振幅为频率为ST的正弦调制波调制时，激光频率可
以表示为
U = Uc + 5l> COS ^
将上式用/(a)的余弦傅立叶级数可以写为
=^]v4"(Lfc)COS(W嗣
=0
2 ( ■ — —
J"(iA;) = — l To(t)c + 3t)COSfiX)exp[—cr(Dc +化cosG^)M]coswft^
理想情况下/。不是频率u的函数，在测痕量气体时，7V为一极小值，因此 cr(ti + ^;cos嗣iVL《1 ， 上式近似写成
因此，n次谐波分量与痕量气体浓度成正比。
即将已知浓度为N。的GH4通入多次反射吸收池，测得并记录二次谐波信号强 度为A。，则测量CH4浓度Nx可表示为 本发明产生的有益效果
(1) 分辨率高，采用激光光谱技术，仅仅对CH4气体反应，检测限达百万 分子一 (PPM)级别，可以检测到由于天然气管道泄漏所产生的泄漏
点周围GH4气体浓度微小变化；
(2) 采用探头吸气式采样的方式，使检测更加灵活方便；
(3) 在探头上安装有位移传感器，得到气体泄漏的位置分布信息；
(4) 模块化设计，装置简单，便于安装和拆卸维护以及功能扩展。
图1是本发明整体结构示意图
图2是本发明部件多次反射吸收池结构图
具体实施例方式
结合图1、图2，图中标号1、红外激光器，2、可见光激光器，3、输入光 纤耦合器，4、入射准直透镜，5、出射准直透镜，6、多次反射吸收池，7、微型 吸气泵，8、吸气采样探头，9、激光器温度电流控制器，10、信号发生器，11、 激光探测器，12、标准气体校准池，13、显示终端，14、锁相放大器，15、信号 分析处理模块，16、信号采集模块，17、位移传感器，18、主镜调节旋钮，19、 入光窗片，20、进气口， 21、主反射镜，22、副反射镜，23、出气口， 24、出光 窗片，25，反射角镜，26、副反射镜，27、副镜调节旋钮。
调节激光温度电流控制器9，使红外激光器1输出波长位于CH4气体的某条 吸收线中心，信号发生器10产生低频锯齿波信号输入到激光器温度电流控制器 9上，使红外激光器1输出波长缓慢扫过CH4气体的吸收线，同时锁相放大器14 输出高频正弦信号直接输入到红外激光器1上，对输出光进行调制。红外激光器 1产生经过调制的激光通过光纤传输到输入光纤耦合器3上，经过准直透镜5， 经入光窗片19射入多次反射吸收池5中，多次反射吸收池5的进气口通过管路 接吸气采样探头8，出气口接微型吸气泵7，微型吸气泵7工作后，向大气排气，
采样探头8从外界吸入需要测定的样气，多次反射吸收池5中充满需要测定的样 气，入射激光在主镜21和副镜22、 26之间来回多次反射后由出光窗片24出射， 经放置在窗片24前端的准直透镜4后光线聚焦在激光探测器11的光敏面上，探 测器11将光信号转换为电信号后输出到锁相^t大器14，解调得到二次谐波幅值， 利用预先保存的通过已知浓度标准气体校准池12产生的标定信号进行线性拟 合，得到要检测的CH4气体浓度，同时位移传感器17产生的位移信号也由信号 采集模块16输入到信号分析处理模块15中，得到CH4气体浓度的位置分布信息。 本实施例中
1、 红外激光器1使用了近红外可调谐单模分布反馈式二极管激光器(NTT Electronics),典型波长为1653. 74nm，波长可调谐范围为2nm。
2、 信号发生器10产生的低频锯齿波频率为50Hz。
3、 多次反射吸收池为环特式(Whitecell)，最大反射次数为100次，总光 程可达20米，容积为0.0015立方米。
4、 微型吸气泵流量范围为0. 014-0. 017立方米每分钟。
5、 可见光激光器2为指示激光器，用于测试前多次反射池的光路调节。
6、 标准气体校准池12充满已知浓度的标准CH4气体，用于系统的标定。
权利要求
1、新型城市天然气管道泄漏检测定位方法，其特征在于调节激光温度电流控制器，使激光器输出波长位于CH4气体的某条吸收线中心，由信号发生器产生低频锯齿波信号输入到激光器温度电流控制器上，使激光器输出波长缓慢扫过CH4气体的吸收线，同时由锁相放大器输出高频正弦信号直接输入到激光器上，对输出光进行调制；激光器产生经过调制的激光经过准直透镜，射入多次反射吸收池，多次反射吸收池的进气口接采样探头，出气口接微型吸气泵，微型吸气泵工作后，向大气排气，采样探头从外界吸入需要测定的样气，多次反射吸收池中充满需要测定的样气，从多次反射吸收池中经过来回多次反射后出射，经另一准直透镜后光线聚焦在激光探测器的光敏面上，激光探测器将光信号转换为电信号后输出到锁相放大器，解调得到二次谐波幅值，利用预先保存的单独通过已知浓度标准气体校准池产生的标定信号进行线性拟合，得到要检测的CH4气体浓度。
2、 根据权利要求1所述的新型城市天然气管道泄漏检测定位方法，其特征 在于采样探头壳体上安装有位移传感器，位移传感器产生的位移信号 由信号采集模块输入到信号分析处理模块中，得到CH4气体浓度的位置 分布信息。
3、 新型城市天然气管道泄漏检测定位系统，其特征在于在箱体内安装有 红外激光器，信号控制器的控制信号输入到激光器温度电流控制器，激 乐器温度电流控制器输出控制信号接入到红外激光器，红外激光器出光 口位于多次反射吸收池的入光窗片前端，多次反射吸收池的出气口接微 型吸气泵，微型吸气泵的排气口通向箱体外大气，多次反射吸收池的进 气口接软管，软管端部接有采样探头，进入多次反射吸收池的激光从出 光窗片出射，由激光探测器接收，激光探测器的信号输出到锁相放大器， 再经过信号采集模块，接入到信号分析处理模块，锁相放大器输出控制 信号接入到红外激光器。
4、 根据权利要求3所述的新型城市天然气管道泄漏检测定位系统，其特征 在于所述的多次反射吸收池的入光窗片、出光窗片前均安装有准直透镜。
5、 根据权利要求3所述的新型城市天然气管道泄漏检测定位系统，其特征 在于所述的箱体内安装有可见光激光器，其出光口连接有光纤，红外激 光器出光口连接有光纤，二束光纤耦合，定位于多次反射吸收池的入光窗片前端。
6、 根据权利要求3所述的新型城市天然气管道泄漏检测定位系统，其特征 在于所述的多次反射吸收池的出光窗片与激光探测器之间安装有CH4标 准气体校准池。
7、 根据权利要求3所述的新型城巿天然气管道泄漏检测定位系统，其特征 在于采样探头外壁上安装有位移传感器，位移传感器的输出端连接信号 采集模块。
8、 根据权利要求3所述的新型城市天然气管道泄漏检测定位系统，其特征 在于所述的采样探头结构由手柄、金属管身、接口法兰、接头组成，接 口法兰与接头之间内置有过滤网。
全文摘要
本发明是一种新型城市天然气管道泄漏检测定位方法及系统，在箱体内安装有红外激光器、激光器温度电流控制器，信号发生器，红外激光器出光口位于多次反射吸收池的入光窗片前端，多次反射吸收池的出气口接微型吸气泵，进气口接软管，软管端部接有采样探头，微型吸气泵的排气口通向箱体外大气，进入多次反射吸收池的激光从出光窗片出射，由激光探测器接收，激光探测器的信号输出进行信号处理。采用采样探头吸气式采样，使检测更加灵活方便，分辨率高，采用激光光谱技术，仅仅对CH<sub>4</sub>气体反应，检测限达百万分子—(PPM)级别，可以检测到由于天然气管道泄漏所产生的泄漏点周围CH<sub>4</sub>气体浓度微小变化。
文档编号F17D5/00GK101178153SQ20071019126
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者张启兴, 张永明, 俊 方, 王进军, 祝玉泉 申请人:中国科学技术大学