基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统技术方案

本发明专利技术创造提供了一种基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，气体检测系统包括两个光源：用于检测区域中气体吸收的中红外激光器，以及用于检测中红外激光器的光程长度的近红外激光器。根据TDLAS技术，基于发射和反射的中红外光束的相对强度差确定吸收强度。中红外激光器使用波长调制技术来提高吸收测定的信噪比。通过分析另外一束近红外光束的飞行时间来确定路径长度。气体检测系统使用确定的吸收和路径长度计算区域中的气体浓度，从而推断是否存在气体泄漏以及泄漏的严重程度。

【技术实现步骤摘要】
基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统
本专利技术创造属于光学检测
，尤其是涉及一种基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统。
技术介绍
中国的天然气消费量将迅速增加。但是，与此同时，天然气输送基础设施正在老化。因此，可靠和及时的天然气泄漏检测对于确保天然气输送基础设施的可靠性至关重要。检测天然气泄漏的常规非光学方法基于各种机制，例如人工检查、声学监测、气体采样、化学传感器、流量监控等，但是，这些检测方法通常不可靠，效率低下且昂贵。现有的气体光学检测技术中，采用单激光检测，检测精度低，且不能获得绝对浓度；多激光检测也只是将多个单激光检测简单的拼凑在一起，体积大，成本高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术创造旨在提出一种基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，检测精度高。本方案的核心思想：包括两个光源：用于检测区域中气体吸收的中红外激光器，以及用于检测中红外激光器的光程长度的近红外激光器。根据TDLAS技术，基于发射和反射的中红外光束的相对强度差确定吸收强度。中红外激光器使用波长调制技术来提高吸收测定的信噪比。通过分析另外一束近红外光束的飞行时间来确定路径长度。气体检测系统使用确定的吸收和路径长度计算区域中的气体浓度，从而推断是否存在气体泄漏以及泄漏的严重程度。同时系统还可以在初步检测到疑似泄漏区后缩小中红外激光的光束大小(变焦设计)，以便更精确测量疑似泄漏区的气体浓度。为达到上述目的，本专利技术创造的技术方案是这样实现的：基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，包括：泄漏检测模块，包括第一光源、第一光检测器以及耦合至光源和光检测器的第一控制器，所述第一光源包括一个或多个激光源，所述激光源产生具有中IR范围内的波长的一个或多个光束，第一控制器确定并调整由光源发射的中红外光束的光束参数特征；所述第一光检测器包括一光电探测器，所述第一控制器调节光检测器以捕获由第一光源发射并由被检查的区域反射的光；路径长度确定模块，包括第二光源，第二光检测器和耦合到第二光源的第二控制器；第二控制器调节第二光源以发射近红外光束；所述第二光检测器包括一光电探测器，所述第二控制器调节第二光检测器以捕获由第二光源发射并由被检查的区域反射的光，并得到光程信号；浓度检测模块，包括CPU和数据采集系统，数据采集系统收集泄漏检测模块的发射光束参数和反射光束参数，还有路径长度确定模块的光程信息；CPU根据发射光束参数和反射光束参数计算吸收率，再结合光程计算浓度；同时CPU控制连接第一控制器和第二控制器。进一步的，第一光源包括聚焦光学器件，聚焦光学器件包括一个或多个光学元件，聚焦光学器件可以直接或通过光纤耦合到激光源。进一步的，第一光检测器还包括收集光学器件、滤光器和放大器，收集光学器件将收集的光聚焦到光电探测器上，光学滤波器耦合到收集光学器件和光电探测器之间，用于去除由收集光学器件收集的其他波长超出中红外范围的光；放大器耦合到光电检测器，并放大光电检测器的输出。进一步的，泄漏检测模块参考第一控制器的调制信号来分析反射的中红外光束以确定该区域中气体的吸收率。进一步的，路径长度确定模块分析所收集的近红外光束的飞行时间TOF，从而确定光束所经过的距离。进一步的，所述第一光源包括多个激光源，第一控制器以不同的频率调制激光源分别发射不同的光束，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠；第一光检测器收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；第一控制器再将不同的调制频率作为参考频率用锁相方法获得在该调制频率下获得的电信号。进一步的，所述第一光源包括多个激光源，第一光检测器收集多个激光源的发射光束对应的反射光束并转化为电信号；所述第一控制器控制多个激光源以不同的光束宽度和延迟进行发射，第一光检测器收集反射光束并转化为电信号，第一控制器对电信号进行解复用，每个解复用的电信号通过控制器的触发同步可以与单个光束相关联得到该光束对应的吸收率。进一步的，所述第一控制器将得到的吸收率与阈值进行比较以确定被检查区域是否泄漏；或者，基于波长调制光谱的原理来检测该区域中物质的泄漏。进一步的，还包括一个辅助支持模块，辅助支持模块包括与CPU信号连接的用户界面，数据端口和内部存储。相对于现有技术，本专利技术创造具有以下优势：(1)本专利技术创造通过一个中红外激光器的基于发射和反射的中红外光束的相对强度差确定吸收强度，通过另外一束近红外光束的飞行时间来确定路径长度，在结合气体检测系统得到的吸收率和路径长度计算区域中的气体浓度，从而推断是否存在气体泄漏以及根据浓度判断泄漏的严重程度。(2)本专利技术的泄漏检测模块包括多个激光源时，不需要为每一种气体配备一套检测装置和光路，只需在信号提取上采用时分复用或者调制锁相的技术就能实现检测装置和光路的共享。附图说明构成本专利技术创造的一部分的附图用来提供对本专利技术创造的进一步理解，本专利技术创造的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术创造，并不构成对本专利技术创造的不当限定。在附图中：图1为本专利技术气体检测系统的操作示例环境示意图；图2为本专利技术一个实施例的气体检测系统的示意图；图3为本专利技术创造实施例所述气体检测系统的检测气体泄漏的示例过程的流程图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本专利技术创造的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术创造。本方案主要是提供一种用于远程检测从区域中的目标泄漏的气体检测系统，使用中红外(mid-IR)激光检测气体泄漏。气体检测系统还通过确定泄漏气体对中红外激光的吸收以及近红外激光的光程来计算该区域中泄漏气体的浓度。为了确定该区域中气体的吸收率，气体检测系统会发射一个处于中红外波长范围(2-10微米)的光束，并观察反射光束。在一些实施例中，中红外光束连续扫过一定范围的波长。当中红外光束扫过波长范围时，可以对其进行调制。气体检测系统通过发射近红外波长范围内的另一光束并观察反射光束来确定光程。主要包括：第一光源，其发射具有在中红外范围内的第一波长的第一出射光束，该第一出射光束横穿系统与管道之间的区域。朝向管道区域；泄漏检测模块，用于通过以下方式确定该区域是否泄漏：检测具有第一波长的第一入射光束，该第一入射光束是从该区域的外表面反射的第一出射光束，计算吸收率。通过将第一入射光束的强度与第一反射光束的强度进行比较，并响应于确定吸收率高于阈值，来确定该区域具有泄漏。该方法称为“可调谐二极管激光吸收光谱法”(TDLAS)，它不是在宽范围内测量整个吸收光谱，而是直接测量光谱峰值处的吸收强度，排除附近的所有其他干扰。此外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于，包括：/n泄漏检测模块，包括第一光源、第一光检测器以及耦合至光源和光检测器的第一控制器，所述第一光源包括一个或多个激光源，所述激光源产生具有中IR范围内的波长的一个或多个光束，第一控制器确定并调整由光源发射的中红外光束的光束参数特征；所述第一光检测器包括一光电探测器，所述第一控制器调节光检测器以捕获由第一光源发射并由被检查的区域反射的光；/n路径长度确定模块，包括第二光源，第二光检测器和耦合到第二光源的第二控制器；第二控制器调节第二光源以发射近红外光束；所述第二光检测器包括一光电探测器，所述第二控制器调节第二光检测器以捕获由第二光源发射并由被检查的区域反射的光，并得到光程信号；/n浓度检测模块，包括CPU和数据采集系统，数据采集系统收集泄漏检测模块的发射光束参数和反射光束参数，还有路径长度确定模块的光程信息；CPU根据发射光束参数和反射光束参数计算吸收率，再结合光程计算浓度；同时CPU控制连接第一控制器和第二控制器。/n

【技术特征摘要】
1.基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于，包括：
泄漏检测模块，包括第一光源、第一光检测器以及耦合至光源和光检测器的第一控制器，所述第一光源包括一个或多个激光源，所述激光源产生具有中IR范围内的波长的一个或多个光束，第一控制器确定并调整由光源发射的中红外光束的光束参数特征；所述第一光检测器包括一光电探测器，所述第一控制器调节光检测器以捕获由第一光源发射并由被检查的区域反射的光；
路径长度确定模块，包括第二光源，第二光检测器和耦合到第二光源的第二控制器；第二控制器调节第二光源以发射近红外光束；所述第二光检测器包括一光电探测器，所述第二控制器调节第二光检测器以捕获由第二光源发射并由被检查的区域反射的光，并得到光程信号；
浓度检测模块，包括CPU和数据采集系统，数据采集系统收集泄漏检测模块的发射光束参数和反射光束参数，还有路径长度确定模块的光程信息；CPU根据发射光束参数和反射光束参数计算吸收率，再结合光程计算浓度；同时CPU控制连接第一控制器和第二控制器。


2.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：第一光源包括聚焦光学器件，聚焦光学器件包括一个或多个光学元件，聚焦光学器件可以直接或通过光纤耦合到激光源。


3.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：第一光检测器还包括收集光学器件、滤光器和放大器，收集光学器件将收集的光聚焦到光电探测器上，光学滤波器耦合到收集光学器件和光电探测器之间，用于去除由收集光学器件收集的其他波长超出中红外范围的光；放大器耦合到光电检测器，并放大光电检测器的输出。


4.根据权利要求1所述的基于中红外吸收光谱测量的气体检测系统，其特征在于：泄漏检测模块参考第一控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹真，赵婉伊，郭逊敏，
申请(专利权)人：嘉兴极光物联网科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33