用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统及方法

1.本发明属于天然气泄漏监测技术领域，具体涉及用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统及方法。


背景技术：

2.目前，天然气管道泄漏检测技术分接触式和非接触式两种方式，接触式泄漏检测技术主要通过人员的日常巡检巡视和远程监测系统相结合的方式对天然气场站及相关设备实现日常管理和维护。传统人工巡检方式存在着劳动强度大、工作效率低、巡检质量由于人员素质不同而参差不齐，巡检数据的准确性差等缺点。远程监测系统则采用在各个阀门与管道连接处等易泄露位置布置监测设备，可进行多点多线监测，但配件消耗量大，数据处理复杂，后期维护量大。
3.利用比较成熟的非接触式激光泄漏检测技术进行天然气场站天然气泄漏检测，具有广阔的发展前景和广泛的应用市场。然而目前市面上的激光检测器大都采用单波段吸收峰对应的光谱吸收谱线来检测甲烷浓度，需要从吸收谱线中确定峰值差来对应吸收强度的大小。峰值差的确定一般选取吸收峰峰值处与非吸收峰值处对应的光电信号值之间的差值，但是非吸收峰值位置的选取存在不确定性，另外随着气压的升高有限的dfb半导体激光器扫描范围无法实现全谱线扫描，会对吸收谱线探测的完整性和准确性带来一定的困难。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统及方法，其目的在于解决单一波段吸收峰反演甲烷浓度时不确定性高和对目标气体识别能力差的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，包括布设在天然气场站中的激光气体遥测装置和反射镜，所述激光气体遥测装置包括用于发射第一波长激光的第一激光发射器、用于发射第二波长激光的第二激光发射器、用于按照一定时间间隔将第一波长激光和第二波长激光交替输出的时分复用装置、用于对交替输入的第一波长激光和第二波长激光进行准直扩束后发射至所述反射镜的激光准直扩束器、用于对所述反射镜反射回的第一波长激光和第二波长激光进行聚焦的菲涅尔透镜、用于将聚焦后的第一波长激光和第二波长激光转换为对应的电信号的光电探测器、用于将对应的电信号解调为对应的二次谐波信号的锁相放大器、用于将对应的二次谐波信号转换为对应的数字信号的模数转换器以及用于利用对应的数字信号计算天然气场气体浓度的微控制器。
7.进一步地，所述利用对应的数字信号计算天然气场气体浓度，具体为：
[0008][0009]
其中，
[0010][0011][0012][0013][0014]
式中，c为天然气场气体浓度；a1和a2分别为第一波长激光和第二波长激光下待测气体的光谱吸光度；i1和i2分别为出射光在第一波长激光和第二波长激光吸收谱线处的光照强度值，i0为入射光的光强值；s
v1
(t)和s
v2
(t)分别对应吸收谱线在参考温度t下的吸收线强；τ(v1)和τ(v2)分别为第一波长激光和第二波长激光穿透同一气体介质后造成的光强衰减；和分别为为第一波长激光和第二波长激光下气体吸收谱线线型函数；p为气体介质总压,单位为atm；l为吸收光程，单位为cm。
[0015]
进一步地，所述激光气体遥测装置包括用于滤除聚焦后的第一波长激光和第二波长激光中可见光的滤光镜。
[0016]
进一步地，所述激光气体遥测装置布设在天然气场站工作区的中央顶部位置，若干所述反射镜均布在天然气场站工作区周围。
[0017]
进一步地，在天然气场站工作区的中央顶部位置设置有第一立杆，所述第一立杆上连接有电动云台，所述激光气体遥测装置设置在所述电动云台上。
[0018]
进一步地，所述电动云台上设置有角度调节支架，所述角度调节支架用于实现垂直方向-45
°
～+45
°
的旋转运动，所述激光气体遥测装置安装在所述角度调节支架上。
[0019]
进一步地，在天然气场站工作区周围均布设置有若干第二立杆，每个所述第二立杆上套设有可移动支架，所述反射镜与对应的可移动支架连接。
[0020]
进一步地，所述反射镜与对应的可移动支架之间设置有可转动装置。
[0021]
一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测方法，应用所述的检测系统进行检测，包括：
[0022]
第一激光发射器发射第一波长激光；
[0023]
第二激光发射器发射第二波长激光；
[0024]
时分复用装置按照一定时间间隔将第一波长激光和第二波长激光交替输出；
[0025]
激光准直扩束器对交替输入的第一波长激光和第二波长激光进行准直扩束后发射至所述反射镜；
[0026]
菲涅尔透镜对所述反射镜反射回的第一波长激光和第二波长激光进行聚焦；
[0027]
光电探测器将聚焦后的第一波长激光和第二波长激光转换为对应的电信号；
[0028]
锁相放大器将对应的电信号解调为对应的二次谐波信号；
[0029]
模数转换器将对应的二次谐波信号转换为对应的数字信号；
[0030]
微控制器利用对应的数字信号计算得到天然气场气体浓度。
[0031]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，使用时，第一激光发射器发射第一波长激光，第二激光发射器发射第二波长激光，时分复用装置按照一定时间间隔将第一波长激光和第二波长激光交替输出，激光准直扩束器对交替输入的第一波长激光和第二波长激光进行准直扩束后发射至所述反射镜，菲涅尔透镜对所述反射镜反射回的第一波长激光和第二波长激光进行聚焦，光电探测器将聚焦后的第一波长激光和第二波长激光转换为对应的电信号，锁相放大器将对应的电信号解调为对应的二次谐波信号，模数转换器将对应的二次谐波信号转换为对应的数字信号，微控制器利用对应的数字信号计算得到天然气场气体浓度。可见，本发明通过双波段同时对甲烷吸收，解决单一波段吸收峰反演甲烷浓度时不确定性高和对目标气体识别能力差的问题，优化后的双波段探测概率明显优于单波段任一探测概率，在现实中，可以在一定程度上弥补了探测器性能的不足；其次，即使当探测器水平退化很严重的情况下，也能保证优于较好的探测水平，通过此方法来提升以自然物体表面作为反射目标遥测情形下系统检测灵敏度。
[0032]
进一步地，激光气体遥测装置还包括滤光镜，利用滤光镜滤除聚焦后的第一波长激光和第二波长激光中可见，避免可见光对监测结果的影响。
[0033]
进一步地，本发明将激光气体遥测装置布设在天然气场站工作区的中央顶部位置，将若干反射镜均布在天然气场站工作区周围，使得激光气体遥测装置的照射范围覆盖面广，同时反射镜的反射效果也好。
[0034]
进一步地，本发明在天然气场站工作区的中央顶部位置设置有第一立杆，在第一立杆上连接有电动云台，将激光气体遥测装置设置在电动云台上，利用电动云台控制激光气体遥测装置实现360
°
的水平旋转，对各个角度均可进行监测。
[0035]
进一步地，本发明在电动云台上设置有角度调节支架，角度调节支架用于实现垂直方向-45
°
～+45
°
的旋转运动，将激光气体遥测装置安装在角度调节支架上，便于调节激光气体遥测装置在垂直方向上的角度。
[0036]
进一步地，本发明在天然气场站工作区周围均布设置有若干第二立杆，每个第二立杆上套设有可移动支架，将反射镜与对应的可移动支架连接，在反射镜与对应的可移动支架之间设置有可转动装置，能够实现反射镜的高度调节和角度调节。
[0037]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
[0039]
图1是本发明一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测方法流程示意图；
[0040]
图2是本发明一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统的布置示意图；
[0041]
图3是本发明激光气体遥测装置的安装结构示意图；
[0042]
图4是本发明反射镜装置的安装结构示意图；
[0043]
图5是是本发明一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统原理图。
[0044]
1-激光气体遥测装置；101-微控制器；102-第一激光发射器；103-第二激光发射器；104-时分复用装置；105-激光准直扩束器；106-菲涅尔透镜；107-光电探测器；108-锁相放大器；109-模数转换器；110-滤光镜；2-反射镜；3-第一立杆；4-电动云台；5-角度调节支架；6-第二立杆；7-可移动支架；8-可转动装置；9-法兰。
具体实施方式
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
作为本发明的某一具体实施方式，结合图1至图5所示，一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，包括布设在天然气场站中的激光气体遥测装置1和反射镜2，具体地说，如图2所示，激光气体遥测装置1布设在天然气场站工作区的中央顶部位置，若干反射镜2均布在天然气场站工作区周围。本实施方式中，四个反射镜2均布在天然气场站工作区周围。
[0047]
如图3所示，在天然气场站工作区的中央顶部位置设置有第一立杆3，优选的，多个第一立杆3之间可通过法兰9进行拼接，第一立杆3的拼接数量与激光气体遥测装置1的安装高度有关，根据需求调整第一立杆3的数量。第一立杆3上连接有电动云台4，电动云台4可以进行水平360
°
的旋转运动，进而带动激光气体遥测装置1实现水平360
°
的旋转运动；电动云台4上设置有角度调节支架5，角度调节支架5用于实现垂直方向-45
°
～+45
°
的旋转运动，激光气体遥测装置1安装在角度调节支架5上。更加优选的，在激光气体遥测装置1上还安装有遮阳罩。本实施例中，电动云台4由云台控制服务器控制，通过设定预设点通知云台在一定时间间隔转动到设定的预设点。
[0048]
如图4所示，在天然气场站工作区周围呈圆形阵列状均布设置有四个第二立杆6，每个第二立杆6上套设有可移动支架7，通过可移动支架7可以调节反射镜2的高低程度，反射镜2与对应的可移动支架7之间设置有可转动装置8，通过可转动装置8可以调节反射镜2的反射角度。
[0049]
如图5所示，激光气体遥测装置1包括微控制器101、第一激光发射器102、第二激光发射器103、时分复用装置104、激光准直扩束器105、菲涅尔透镜106、光电探测器107、锁相放大器108、模数转换器109和滤光镜110，光电探测器107位于菲涅尔透镜106的焦点上，滤光镜110位于光电探测器107的正前方，具体如下：
[0050]
第一激光发射器102用于发射第一波长激光，第二激光发射器103用于发射第二波长激光，通过调整激光电流或温度调谐两种波段激光输出的初始功率大小相同。本实施例中，第一波长激光的波长为1647nm，第二波长激光的波长为1653nm，第一波长激光和第二波长激光均为从hitran数据库上查找到的吸收光谱数据。
[0051]
时分复用装置104用于按照一定时间间隔将第一波长激光和第二波长激光交替输出，使得第一波长激光和第二波长激光分别经过激光准直扩束器105。
[0052]
激光准直扩束器105用于对交替输入的第一波长激光和第二波长激光进行准直扩束后发射至反射镜2，反射镜2再将第一波长激光和第二波长激光反射到菲涅尔透镜106。
[0053]
菲涅尔透镜106用于对反射镜2反射回的第一波长激光和第二波长激光进行聚焦。
[0054]
滤光镜110用于滤除聚焦后的第一波长激光和第二波长激光中可见光。
[0055]
光电探测器107用于将聚焦后的第一波长激光和第二波长激光转换为对应的电信号。
[0056]
锁相放大器108用于将对应的电信号解调为对应的二次谐波信号。
[0057]
模数转换器109用于将对应的二次谐波信号转换为对应的数字信号。
[0058]
微控制器101用于利用对应的数字信号计算得到天然气场气体浓度，具体地说，利用如下公式进行计算：
[0059][0060]
其中，
[0061][0062][0063][0064][0065]
式中，c为天然气场气体浓度；a1和a2分别为第一波长激光和第二波长激光下待测气体的光谱吸光度；i1和i2分别为出射光在第一波长激光和第二波长激光吸收谱线处的光照强度值，i0为入射光的光强值；s
v1
(t)和s
v2
(t)分别对应吸收谱线在参考温度t下的吸收线强，从数据库hitran中可查找到其具体数值；τ(v1)和τ(v2)分别为第一波长激光和第二波长激光穿透同一气体介质后造成的光强衰减；和分别为为第一波长激光和第二波长激光下气体吸收谱线线型函数；p为气体介质总压,单位为atm；l为吸收光程，单位为cm。
[0066]
也就是说，本发明通过出射光和入射光的关系得到两种波段下待测气体的光谱吸光度；当吸收谱线的线强确定时，采用双波段光谱吸光度差值法完成气体浓度的检测，并判定天然气是否有泄漏。
[0067]
激光气体遥测装置为开放式监测仪器，以可调谐激光吸收光谱技术为基础，选择甲烷在1647nm和1653nm附近波段两个吸收峰对应的光谱吸光度大小进行归一化，其中较强吸收峰对应的光谱吸光度作为信号点，而相对较弱吸收峰的光谱吸光度作为参考点可实现开放光路下气体浓度的遥感测量，通过此方法来提升以自然物体表面作为反射目标遥测情形下系统检测灵敏度。
[0068]
第一激光发射器和第二激光发射器产生需要频率的激光信号，激光发射器输出光束经过激光准直扩束器后，穿过开放性长光程后，其中一部分光被目标气体所吸收，还有适
射过来的激光，这束适射光到达反射镜，经反射镜反射回来部分光，再次回穿被测气体，由于光经过数次的反射和折射光束较为分散，所以透射光强被激光气体遥测装置上面的菲涅尔透镜收集并汇聚，光电探测器位于菲涅尔透镜的焦点上，同时在探测器前安放有一块滤光镜，可以有效滤除杂散光，提高信号对比度。光电探测器将光信号转变为电信号后，送入锁相放大器中解调，最后把解调得到的测量信号经过模数转换器后将数字信号传输到微控制器中，就可以通过微控制器智能化地控制测量系统，在pc端测得想要的结果。
[0069]
参考图1所示，本发明一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测方法，具体如下：
[0070]
第一激光发射器102发射第一波长激光；
[0071]
第二激光发射器103发射第二波长激光；
[0072]
时分复用装置104按照一定时间间隔将第一波长激光和第二波长激光交替输出；
[0073]
激光准直扩束器105对交替输入的第一波长激光和第二波长激光进行准直扩束后发射至反射镜2；
[0074]
菲涅尔透镜106对反射镜2反射回的第一波长激光和第二波长激光进行聚焦；
[0075]
光电探测器107将聚焦后的第一波长激光和第二波长激光转换为对应的电信号；
[0076]
锁相放大器108将对应的电信号解调为对应的二次谐波信号；
[0077]
模数转换器109将对应的二次谐波信号转换为对应的数字信号；
[0078]
微控制器101利用对应的数字信号计算得到天然气场气体浓度，根据计算得到的天然气场气体浓度判定天然气是否有泄漏，具体地说，利用如下公式进行计算：
[0079][0080]
其中，
[0081][0082][0083][0084][0085]
式中，c为天然气场气体浓度；a1和a2分别为第一波长激光和第二波长激光下待测气体的光谱吸光度；i1和i2分别为出射光在第一波长激光和第二波长激光吸收谱线处的光照强度值，i0为入射光的光强值；s
v1
(t)和s
v2
(t)分别对应吸收谱线在参考温度t下的吸收线强，从数据库hitran中可查找到其具体数值；τ(v1)和τ(v2)分别为第一波长激光和第二波长激光穿透同一气体介质后造成的光强衰减；和分别为为第一波长激光和第二波长激光下气体吸收谱线线型函数；p为气体介质总压,单位为atm；l为吸收光程，单位为cm。
[0086]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。