用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开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，第一激光发射器和第二激光发射器发射第一波长激光和第二波长激光；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。号计算得到天然气场气体浓度。号计算得到天然气场气体浓度。

【技术实现步骤摘要】
用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统及方法


[0001]本专利技术属于天然气泄漏监测
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术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。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0006]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。
[0007]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，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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
°
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，其特征在于，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)，所述激光气体遥测装置(1)包括用于发射第一波长激光的第一激光发射器(102)、用于发射第二波长激光的第二激光发射器(103)、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(104)、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(2)的激光准直扩束器(105)、用于对所述反射镜(2)反射回的第一波长激光和第二波长激光进行聚焦的菲涅尔透镜(106)、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(107)、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(108)、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(109)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(101)。2.根据权利要求1所述的一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，其特征在于，所述利用对应的数字信号计算天然气场气体浓度，具体为：其中，其中，其中，其中，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。3.根据权利要求1所述的一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，其特征在于，所述激光气体遥测装置(1)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(110)。4.根据权利要求1所述的一种用于天然气场站泄漏监测的双波段激光检测系统，其特征在于，所述激光气体遥测装置(1)布设...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文红，李栋，艾裕丰，吕妍，王迪，王志国，李玉爽，薛孟，佟翔宇，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司管材研究所东北石油大学，
类型：发明
国别省市：