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1、(10)申请公布号 CN 104315348 A(43)申请公布日 2015.01.28CN104315348A(21)申请号 201410541852.1(22)申请日 2014.10.14F17D 5/02(2006.01)(71)申请人安徽皖仪科技股份有限公司地址 230088 安徽省合肥市高新区天达路71号华亿科技园B幢皖仪大厦(72)发明人阎杰 周宇 高美丽(74)专利代理机构安徽合肥华信知识产权代理有限公司 34112代理人余成俊(54) 发明名称基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备(57) 摘要本发明公开了一种基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备、结合多次反射开放。
2、式气体池的车载城市天然气管道泄漏检测的设备。该系统具有测量时不受水气等其他气体成份干扰、测量灵敏度高（达到1-2ppm）、抗干扰能力强的优点。使得车载系统能快速、准确的沿道路检测出天然气泄漏点及泄漏强度。该设备包括TDLAS的激光器驱动、信号探测、信号处理等部分，包括一开放式多次反射气体池，一GPS卫星定位系统，车载电脑等。本发明利用了TDLAS技术、多次反射池技术及GPS技术，实现了车载快速、准确检测天然气管道泄漏检测的功能。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书4页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图2页(10)申请公布号。
3、 CN 104315348 ACN 104315348 A1/1页21.基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于：包括有多次反射池和TDLAS系统，所述多次反射池和TDLAS系统共同制作成汽车保险杠的形式并取代汽车保险杆安装在汽车前部，其中多次反射池设置在中间位置，TDLAS系统设置在一端，TDLAS系统提供激光，激光进入多次反射池中与待测气体作用后返回至TDLAS系统，由TDLAS系统根据返回信号处理获得甲烷气体浓度。2.根据权利要求1所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于： 所述多次反射池基于White cell反射池原理，或者是Herriott c。
4、ell反射池原理，或者是Cavity ring-down cell反射池原理设计，多次反射池包括一对分别由支架支撑并对称设置的反射镜片，由两反射镜片构成气体开放式结构。3.根据权利要求1所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于： 所述TDLAS系统包括工作波长为1.653um的半导体DFB激光器、准直透镜、聚焦透镜、光电探测器、前置放大电路、锁相放大器、A/D转换电路；所述DFB激光器由激光器高精度温控系统控制，通过激光器高精度温控系统控制将DFB激光器发射中心波长稳定置于1.653um处，同时由80Hz扫描信号与64KHz调制信号叠加的电流驱动信号驱动DFB激光器发射激。
5、光，DFB激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至多次反射池，激光在多次反射池中多次反射并与进入多次反射池中的待测气体作用后从多次反射池出射至聚焦透镜，经过聚焦透镜会聚至光电探测器，由光电探测器将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号依次经过前置放大电路放大、锁相放大器处理后，再通过A/D转换电路转换为数字信号并送入车载电脑，车载电脑对送入的数字信号进行处理获得待测气体浓度信息，再对待测气体浓度信息进行浓度反演后获得甲烷的气体浓度。4.根据权利要求3所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于：所述锁相放大器采用二倍频信号128KHz正弦波作为参考信号，对前置放大电路放大后的模拟。
6、电信号进行处理。5.根据权利要求3所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于：所述车载电脑连接有车载GPS卫星定位系统。权 利 要 求 书CN 104315348 A1/4页3基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备技术领域0001 本发明涉及天然气泄漏检测设备领域，具体是一种基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备。背景技术0002 随着我国经济的快速发展，能源的需求也在快速增加，横贯东西纵穿南北的输气干线已经全面实施，天然气在我国能源结构中所占的比例正逐渐加大。城市天然气系统是现代化城市的“生命线”和城市建设的重要基础设施，天然气供应管道化更是城市现代化的主要标。
7、志之一。天然气是一种无毒无色无味的气体，其主要成分是甲烷（约95以上），同时含有少量的乙烷、丙烷、丁烷等烷烃。天然气的爆炸极限为515，属甲类化学危险品，稍有泄漏，很容易与空气混合形成爆炸性混合气体，遇到火源就可能发生火灾爆炸事故。但是在天然气的传输过程中，天然气管道漏失现象严重，漏失的天然气量一般要占输气总量的10左右，不仅造成了极大的经济损失，而且在近几年还引发了多次严重的爆炸事故，严重威胁着人民群众的生命安全，因此必须对天然气管道进行及时检测以便发现天然气管道的泄漏。天然气管线泄漏检测是一项艰苦的过程，近年来因城市管道网络泄漏造成的事故时有发生，现有探测技术难以满足日益增长的天然气工业发。
8、展的需求，车载式天然气管道泄漏探测技术能够以40km/h的速度沿城市道路对天然气管道进行泄漏检测，对提高管道泄漏检测效率、减少事故发生具有重大的社会意义。0003 大气中甲烷气体的含量在1至2ppm，也就是说当检测到大气中甲烷含量达到4ppm时就可能是出现了天然气的泄漏，这就要求甲烷检测设备的灵敏度达到ppm量级。目前天然气管道泄漏的检测方法有很多种，如火焰电离探测，超声测试、电化学传感器、非色散红外吸收等方法，这些方法中只有火焰电离探测、非色散红外吸收能用于车载天然气探测。但是火焰电离探测需要使用氢气作为待测气体载气，使用很不方便，并且氢气也是一种易燃易爆的气体，携带大量氢气也会带来一定的危。
9、险性，同时火焰电离探测的检测速度比较满，车载效率不高。非色散红外吸收探测气体浓度时，易受水气、灰尘等现场条件的影响，造成误判。0004 可调谐二极管激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）技术是近年来快速发展的一种痕量气体检测技术，TDLAS系统利用激光二极管有很高的光谱分辨率和可调谐性，可以对特定分子在特定光谱范围内的一条振转线的光谱吸收进行测量，从而能够把待测分子与背景的干扰区分开来，完全能够消除气体气体对待测气体浓度的干扰，同时利用半导体激光器快速响应的性质，结合谐波调制技术，可使TDLAS技术能够测量痕量气体的浓。
10、度。因此，基于TDLAS技术的车载气体检测技术在天然气管道泄漏检测领域有着广泛的应用前景。0005 发明内容 本发明的目的是提供一种基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，以解决现有技术存在的问题。0006 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：说 明 书CN 104315348 A2/4页4基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于：包括有多次反射池和TDLAS系统，所述多次反射池和TDLAS系统共同制作成汽车保险杠的形式并取代汽车保险杆安装在汽车前部，其中多次反射池设置在中间位置，TDLAS系统设置在一端，TDLAS系统提供激光，激光进入多次反射池中与待测气体作用。
11、后返回至TDLAS系统，由TDLAS系统根据返回信号处理获得甲烷气体浓度。0007 所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于： 所述多次反射池基于White cell反射池原理，或者是Herriott cell反射池原理，或者是Cavity ring-down cell反射池原理设计，多次反射池包括一对分别由支架支撑并对称设置的反射镜片，由两反射镜片构成气体开放式结构。0008 所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于： 所述TDLAS系统包括工作波长为1.653um的半导体DFB激光器、准直透镜、聚焦透镜、光电探测器、前置放大电路、锁相放大器、A/。
12、D转换电路；所述DFB激光器由激光器高精度温控系统控制，通过激光器高精度温控系统控制将DFB激光器发射中心波长稳定置于1.653um处，同时由80Hz扫描信号与64KHz调制信号叠加的电流驱动信号驱动DFB激光器发射激光，DFB激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至多次反射池，激光在多次反射池中多次反射并与进入多次反射池中的待测气体作用后从多次反射池出射至聚焦透镜，经过聚焦透镜会聚至光电探测器，由光电探测器将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号依次经过前置放大电路放大、锁相放大器处理后，再通过A/D转换电路转换为数字信号并送入车载电脑，车载电脑对送入的数字信号进行处理获得待测气体浓度信息，再对。
13、待测气体浓度信息进行浓度反演后获得甲烷的气体浓度。0009 所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于：所述锁相放大器采用二倍频信号128KHz正弦波作为参考信号，对前置放大电路放大后的模拟电信号进行处理。0010 所述的基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，其特征在于：所述车载电脑连接有车载GPS卫星定位系统。0011 本发明结合了可调谐半导体激光吸收光谱法的开放式反射池结构，实现了甲烷气体浓度的高精度测量。结合GPS及车载电脑，可快速的绘制出沿城市道路的天然气管道泄漏点的分布地图。0012 本发明利用甲烷气体在近红外光谱区的特征吸收，使用一台近红外波段DFB半导。
14、体激光器进行甲烷浓度测量，同时采用了谐波调制技术和开放式的多次反射池实现了甲烷气体浓度的高灵敏度检测。将整套设备安装于汽车前部保险杠的位置，距离地面20-30cm处，检测结构通过数据线传输到汽车内部的车载电脑上，并结合GPS卫星定位功能快速的将天然气管道泄漏点位置放置与城市地图上，方便维修人员定点施工。附图说明0013 图1为本发明设备整体正视图。0014 图2为本发明设备整体侧视图。0015 图3为本发明设备结构原理图。0016 图4为本发明运行流程图。说 明 书CN 104315348 A3/4页5具体实施方式0017 如图1、图2所示，基于多次反射光路的天然气管道泄漏车载检测设备，包括有。
15、多次反射池1和TDLAS系统2，多次反射池1和TDLAS系统2共同制作成汽车保险杠的形式并取代汽车保险杆安装在汽车3前部，其中多次反射池1设置在中间位置，TDLAS系统2设置在一端，TDLAS系统2提供激光，激光进入多次反射池1中与待测气体作用后返回至TDLAS系统2，由TDLAS系统2根据返回信号处理获得甲烷气体浓度。0018 如图3所示。多次反射池基于White cell反射池原理，或者是Herriott cell反射池原理，或者是Cavity ring-down cell反射池原理设计，多次反射池包括一对分别由支架支撑并对称设置的反射镜片，由两反射镜片构成气体开放式结构。0019 TDL。
16、AS系统包括工作波长为1.653um的半导体DFB激光器、准直透镜、聚焦透镜、光电探测器、前置放大电路、锁相放大器、A/D转换电路；DFB激光器由激光器高精度温控系统控制，通过激光器高精度温控系统控制将DFB激光器发射中心波长稳定置于1.653um处，同时由80Hz扫描信号与64KHz调制信号叠加的电流驱动信号驱动DFB激光器发射激光，DFB激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至多次反射池，激光在多次反射池中多次反射并与进入多次反射池中的待测气体作用后从多次反射池出射至聚焦透镜，经过聚焦透镜会聚至光电探测器，由光电探测器将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号依次经过前置放大电路放大、锁相放大器。
17、处理后，再通过A/D转换电路转换为数字信号并送入车载电脑4，车载电脑4对送入的数字信号进行处理获得待测气体浓度信息，再对待测气体浓度信息进行浓度反演后获得甲烷的气体浓度。0020 锁相放大器采用二倍频信号128KHz正弦波作为参考信号，对前置放大电路放大后的模拟电信号进行处理。0021 车载电脑4连接有车载GPS卫星定位系统5。0022 本发明利用甲烷气体在近红外的的特征吸收峰进行气体浓度检测，甲烷气体在近红外有两个吸收谱带 1.6um和3.3um，但是考虑到3.3um波段目前没有成熟的半导体光源，所以本发明选择1.653um作为测量甲烷浓度的工作波长。但是，1.653um波长处，甲烷的吸收线。
18、强为1.313E-21cm-1/(molecule.cm-2)，低于3.3um处吸收强度。为了达到ppm量级的甲烷浓度检测灵敏度，本发明需要结合多次反射池，使有效测量光程大于10米。0023 本发明通过精确的温度控制系统，使半导体激光器的输出波长锁定与甲烷吸收峰1.653um的中心位置，然后通过叠加80Hz低频扫描信号与64KHz高频调制信号对激光器进行电流驱动，经过气体吸收后的信号被探测电路探测并被锁相放大器解调后，获得气体浓度信息。经过浓度反演得到甲烷的气体浓度。0024 多次反射池可以采用White cell或Herriott cell或Cavity ring-down cell。利用两。
19、片或多片反射镜使经过准直的激光光束在两面反射镜间多次反射，增长与气体作用的光程。本发明设计的多次反射池省略掉了气室壁的结构，气室开放置于空气中，使得甲烷气体在汽车的移动下能自由的进入气室。0025 TDLAS系统与多次反射池通过机械结构制作成轿车保险杠的形状代替保险杠安装于轿车前部位置，当轿车前进时如果附近存在天然气泄漏，泄漏的气体会流过开放的多次反射池，被检测器探测到浓度信息。检测结果通过数据线发送到车载电脑上，结合GPS定位说 明 书CN 104315348 A4/4页6系统将泄漏点位置信息结合到城市地图上，完成快速、准确的天然气泄漏检测。0026 本发明是一种车载的、基于TDLAS技术的。
20、结合多次反射池的一种天然气泄漏检测技术。其整体结构如图1、2所示。TDLAS系统与多次反射池通过机械结构设计为类似汽车保险杠的型式，替代保险杠安装于汽车前部距离地面2030cm高的位置。当汽车沿道路前进时，如果存在天然气泄漏点，泄漏的天然气将会进入开放式的多次反射池，工作激光将会多次穿过被探测气体，获得气体浓度。气体浓度信息经过数据线传输到车载电脑上，车载电脑同时连接GPS卫星定位系统，当探测天然气浓度大于规定值时，车载电脑将自动记录GPS的位置坐标，自动绘制泄漏点地图。0027 如图3所示，是本发明中天然气泄漏检测设备的具体结构原理图。1.653um波长的DFB激光器由激光器高精度温控系统控。
21、制，将激光器发射中心波长稳定的置于1.653um处，然后经由80Hz扫描信号与64KHz调制信号叠加的电流驱动信号驱动发射激光。激光经过透镜准直后进入多次反射池，多次反射池可以采用White cell或Herriott cell或Cavity ring-down cell的多种结构，多次反射池设计去除池壁结构，成为一种开放的反射池。在多次反射池中多次反射的激光经过透镜聚焦后汇聚到光电探测器上，经前置放大电路放大后进入锁相放大器，锁相放大器采用二倍频信号128KHz正弦波为参考信号，对光电探测的信号进行处理，并经过A/D转换，经过数据线送入车载电脑数据处理后获得待测气体浓度信息。0028 如图4。
22、所示，是整机运行的流程图。首先对于图中左侧的天然气泄漏检测设备，设备启动后激光器在激光器驱动模块的驱动下发射激光工作，激光透过待测气体进行气体浓度信息的测量，测量结果经过信号处理获得待测气体的浓度结果。图中右测部分是车载GPS卫星定位系统，其功能为不断的获取轿车所在位置的绝对坐标点。两者之间通过车载电脑进行信号同步当车载电脑从天然气泄漏检测设备获取的气体浓度大于设定浓度时，认定为当前位置存在天然气泄漏。此时，车载电脑从GPS获取当前位置的绝对坐标，并将气体浓度值安装绝对坐标值绘制与车载电脑内部的城市地图上。最后将此泄漏点地图通过无线方式发送到单位，并由维护人员根据此泄漏点地图进行天然气管道的定点维修。实现了天然气管道泄漏的快速、准确、自动检测。说 明 书CN 104315348 A1/2页7图1图2图3说 明 书 附 图CN 104315348 A2/2页8图4说 明 书 附 图CN 104315348 A。