专利名称：隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置的制作方法
技术领域：
隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置
一、技术领域[0001]本实用新型属于光谱学和电子学领域，具体涉及一种隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置。具体来说，是采用可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术进行气体泄漏检测的 方法，其技术关键是使用了可调谐二极管激光器作为光源，利用二极管激光器的窄线宽和 可调谐等特性，对天然气中CH4和H2S气体分子的吸收谱线进行测量，具有灵敏度高、选择性 好、精度高、响应速度快、远距离遥测等特点。
二背景技术：
随着原油供求矛盾的加剧和人们对环境问题的日益关注，天然气作为一种高效、 优质的清洁能源，其开发和利用日益受到重视。但是国内很多气田天然气中H2S含量较高。 H2S是一种呈剧毒的危害性气体，一旦天然气发生泄漏事故，天然气中所含有的毒性物质就 会随着泄漏过程的进行而不断泄漏到大气中。如果泄漏量得不到及时发现和有效控制，那 么泄漏到空气中会对环境造成重大威胁，引发重大安全事故。国内目前对于气体泄漏进行监测所采用的是传统的固定式气体传感器。气体传感 器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。气体的采样方法直接影响传感 器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。这 些仪器虽然在灵敏度上能够达到检测要求，但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，需要定期标定。而且点式仪器是接触监测，需要 在污染云团到达传感器敏感元件表面才能被检测到，监测的范围有限，在需要对大范围区 域进行监测时，采用这些传感器会十分昂贵。国外当前对天然气泄漏检测的主要研究方向 是利用激光、光电传感器技术实现的主动光电检测技术以及利用泄漏气体的吸收辐射特性 实现的被动光电测技术。该技术具有灵敏度高、防爆以及抗电磁干扰等特点、能在瞬间或比 较短的时间获得待测气体的浓度及泄漏情况，但价格昂贵。
三、发明内容本实用新型的目的是设计一种适用于隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，对 泄漏产生的CH4和H2S两种气体泄漏情况进行实时检测报警，具有高灵敏度、高分辨率和响 应速度快等特点。本实用新型研制了一种适用于隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，可实现对 隧道内天然气管线的CH4和H2S气体泄漏情况的实时在线检测。本实用新型采用先进的红 外可调谐二极管激光差分吸收光谱技术、微弱信号检测技术及计算机软硬件技术，完成隧 道天然气管线泄漏情况的实时检测报警。隧道开放光路实时检测天然气泄漏装置，其特征在于其装置结构由激光发射装 置、激光接收装置和装有激光吸收光谱分析仪、显示器、工控机、键盘鼠标的主控机柜组成， 其中激光吸收光谱分析仪内部安装有可调谐二极管激光器、激光器温度和电流控制电路、 光电探测器、信号采集处理器。采用可调谐二极管激光器作为激光光源，激光器温度和电流控制电路通过对激光温度、电流控制将激光器输出波长调谐到气体吸收线中心。可调谐二 极管激光器发出的近红外激光通过单模光纤连接到隧道内的激光发射装置的光纤耦合器 上，激光通过存在泄漏气体的待测区域后，由安装在隧道另一端的激光接收装置接收，由激 光接收装置内光电探测器完成所接收光信号的光电转换，转换后的电信号由传输电缆连接 到控制机柜的激光气体分析仪中，通过信号采集处理器后，由工控机进行软件分析，实现隧 道内天然气管道泄漏检测，同时实现预警功能，相应的浓度显示及报警信息在显示器上进 行显示，工控机的操作由键盘鼠标来实现。隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，核心技术采用红外可调谐二极管激光差 分吸收光谱法(TDLAS)，红外可调谐二极管激光差分吸收光谱法采用波长扫描调制的二次 谐波检测方法，使得泄漏天然气中CH4和H2S浓度与二次 谐波成正比。隧道开放光路实时检测天然气泄漏装置，采用两种不同波长的红外可调谐二极管 激光器，其中采用中心波长为1576. 3nm的近红外DFB半导体激光器作为H2S的检测激光光 源，采用中心波长为1653. 7nm的近红外DFB半导体激光器作为CH4的检测激光光源，可同 时检测泄漏天然气中CH4和H2S浓度情况，并报警。本实用新型的创新点及效果a、激光光谱分析监测技术采用了先进的可调谐红外二极管激光器作为光源，用光谱法实时在线检测泄漏天 然气中CH4和H2S浓度情况，并报警。克服了传统的半导体型气体传感器、电化学型气体传 感器等存在监测范围有限、灵敏度低、响应速度慢、抗干扰能力差、表面易污染等问题。b、高灵敏度激光监测及气体泄漏预警技术采用了目前分析微量元素的最佳手段-光谱法，红外波段采用最具有窄线宽的二 极管调谐激光技术，精确获得CH4和H2S气体的吸收谱线特征。浓度的反演算法采用吸收信 号的二次谐波检测，这种方法具有消除直接吸收谱线的倾斜背景，减少KHz探测的低频噪 声，提高带宽吸收分子的鉴别、零基线信号，消除在两个大信号间测量微小差别的要求。在红外所选用的工作波段内没有水分和其它气体的特征吸收，因此所获得的特征 光谱不受其它气体的特征吸收，因此所获得的特征光谱不受其它成分的干扰，实用指标可 以达到PPm量级。C、同时检测两种气体应用可调谐二极管激光器输出波长在一定范围内可调的优点。与传统的点式电化 学的分析方法相比，通过输出波长范围的调节，同时实现泄漏天然气中CH4和H2S浓度的在 线检测。
四
图1是本实用新型的结构原理图。图2是本实用新型的组成示意图。
五、实施例为进一步公开本实用新型的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作详细描 述如图1、图2所示，本实用新型采用可调谐二极管激光器1、激光器温度和电流控制电路2、工控机3、鼠标键盘4、显示器5、光电探测器6、信号采集处理器7、激光发射装置8、激光 接收装置9组成。本实用新型采用的技术手段如图2所示采用可调谐二极管激光器1作为 激光光源，激光器温度和电流控制电路2通过对激光温度和电流控制将激光器输出波长调 谐到气体吸收线中心。可调谐二极管激光器1发出的近红外激光通过单模光纤连接到隧道 内的激光发射装置8的光纤耦合器上，激光通过存在泄漏气体的待测区域后，由安装在隧 道另一端的激光接收装置9接收，由激光接收装置内9光电探测器6完成所接收光信号的光电转换，转换后的电信号由传输电缆直接传输到控制机柜的激光气体分析仪中，通过信 号采集处理器7后，由工控机3进行软件分析，实现隧道内天然气管道泄漏检测，同时实现 预警功能，相应的浓度显示及报警信息在显示器5上进行显示，工控机的操作由键盘鼠标4 来实现。
权利要求一种适用于隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，其特征在于装置结构由激光发射装置、激光接收装置和装有激光吸收光谱分析仪、显示器、工控机、键盘鼠标的主控机柜组成，其中激光吸收光谱分析仪内部安装有可调谐二极管激光器、激光器温度和电流控制电路、光电探测器、信号采集处理器；采用可调谐二极管激光器作为激光光源，激光器温度和电流控制电路通过对激光温度、电流控制将激光器输出波长调谐到气体吸收线中心；可调谐二极管激光器发出的近红外激光通过单模光纤连接到隧道内的激光发射装置的光纤耦合器上，激光通过存在泄漏气体的待测区域后，由安装在隧道另一端的激光接收装置接收，由激光接收装置内光电探测器完成所接收光信号的光电转换，转换后的电信号由传输电缆连接到控制机柜的激光气体分析仪中，通过信号采集处理器后，由工控机进行软件分析，实现隧道内天然气管道泄漏检测，同时实现预警功能，相应的浓度显示及报警信息在显示器上进行显示，工控机的操作由键盘鼠标来实现。
2.根据权利要求1所述的隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，其特征在于采用两 种不同波长的红外可调谐二极管激光器，其中采用中心波长为1576. 3nm的近红外DFB半导 体激光器作为H2S的检测激光光源，采用中心波长为1653. 7nm的近红外DFB半导体激光器 作为CH4的检测激光光源。
专利摘要一种适用于隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置。采用可调谐二极管激光器作为激光光源，激光器温度和电流控制电路通过对激光温度、电流控制将激光器输出波长调谐到气体吸收线中心；可调谐二极管激光器发出的近红外激光通过光纤连接到激光发射装置上，激光通过存在泄漏气体的待测区域后，由安装在隧道另一端的激光接收装置接收，由激光接收装置内光电探测器完成所接收光信号的光电转换，转换后的电信号由传输电缆连接到控制机柜的激光气体分析仪中，通过信号采集处理器后，由工控机进行软件分析，实现隧道内天然气管道泄漏检测，同时实现预警功能，相应的浓度显示及报警信息在显示器上进行显示，工控机的操作由键盘鼠标来实现。
文档编号G01N21/39GK201575308SQ20092022534
公开日2010年9月8日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者于殿强, 张帅, 张建, 张玉钧, 束小文, 董金婷, 赵海培, 鄢召民, 阚瑞峰, 陈莉 申请人:胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司