專利名稱：實時移動遙測傳感器對天然氣及有毒氣體的檢測方法
技術領域：
本發明屬環鏡科學和光譜學領域，具體涉及一種利用實時移動遙測傳感器對天然氣及有毒氣體的檢測方法。
背景技術：
天然氣的易燃、易爆性和具有毒性等特點，確保輸氣管道和氣處理站場設施的安全運行非常重要。天然氣輸送管道長時間服役后，會因外部干擾、腐蝕、管材和施工質量等原因發生失效事故，導致火災、爆炸、中毒，造成重大經濟損失及人員傷亡和環境污染。此外，我國已探明天然氣儲量中高含硫天然氣占有相當大比重。高含硫天然氣的特點是不僅高含H2S，而且富含CO2。這兩種酸性物質的復合對集輸管道以及處理站場的金屬管材設備產生嚴重的腐蝕，往往造成高壓狀態下的金屬材質無預兆、突發性的應力開裂以及集輸管道的爆管。該種高含硫天然氣一旦泄漏不僅會引發爆炸，而且因神經劇毒氣體H2S的漂移擴散將造成重在人身傷害和環境污染。我國曾發生多起高含硫天然氣開發而引發的事故，其中2003年重慶開縣高含硫天然氣井噴事故致使243人死亡，而并存的安全檢測設備的落后直接造成我國高含硫天然氣開發基本停頓，并形成了天然氣市場的用氣緊張局面。
我國天然氣管道正處于大發展時期，工業和居民用戶迅速增長。新建成的西氣東輸管線、陜京二線等管道沿線地形地貌復雜，地質災害類型多，穿過活動斷裂帶多。管道下游是人口稠密、經濟發過省市，這些管線一旦發生泄漏或火災爆炸事故將帶來嚴重的經濟損失和惡劣的社會影響。管道線路及站場設施安全保障的重要性和緊迫性尤為突出。因此，為保障天然氣生產管線及城市管網的安全高效運行，迫切需要對天然氣管線及生產設施進行安全監測。而目前對天然氣泄漏進行監檢測的手段主要是采用各類化學、金屬氧化物以及紅外瓦斯等固定置入式氣體傳感器。化學傳感器有較高的靈敏度，但易“中毒”失效，需頻繁維護；半導體傳感器選擇性較差，容易受大氣中其它氣體成份的干擾，虛警率高，同時儀器也需要定期進行零點標定。金屬氧化物傳感器除具有半導體傳感器的缺點外，還具有睡眠的缺陷。紅外瓦斯傳感器則由于原理上原因而存在檢測靈敏度低、易受干擾的缺陷，造成后期維護費用高。我國高含硫天然氣氣藏所在的西南地區處山區，該地區地形復雜、地質災害多發、局部氣象多變；另一方面，天然氣下游城市人口稠密、管網鋪設復雜、城市迅速擴大以及地面建筑的影響使得上述傳感器在天然氣集輸、長輸以及城市管網等實際應用受到限制。
發明內容
本發明的目的是提供一種實時移動遙測傳感器對天然氣及有毒氣體的檢測方法，解決上述已有技術存在的問題。
本發明的技術方案是通過以下方式實現的本發明利用多諧波的調制半導體激光吸收光譜法、光電接收系統、DSP軟硬件技術及激光驅動電路，通過由調制半導體激光器、光纖、準直鏡、濾波片、光電探測器、微焦比反射鏡構成的紅外激光發射接收單元發射激光經光纖傳輸準直鏡準直后輸出，遇目標物散射后，由濾波片選頻濾后被反射鏡聚焦到光電探測器光敏面上接收，然后將光電探測的模擬信號經數字化后送入DSP信號處理器處理，給出發射激光與目標物之間待檢天然氣或有毒氣體的濃度信息，實現對侵入生產現場或非生產現場的天然氣或有毒氣體的連續移動監測，維護生產現場或非生產現場的安全。
本發明的天然氣或有毒氣體的遙測移動實時傳感器，由反射鏡、鏡筒、防塵片、光電探測器、激光器、準直鏡DSP信號處理器和激光驅動器組成，其特征在于反射鏡安裝在鏡筒的左端部，凹面向右，在反射鏡的聚焦點處安裝有光電探測器和DSP信息處理器的接口；在鏡筒的右端部安裝有激光器準直鏡和激光驅動器的接口，準直鏡軸線與光電探測器及反射鏡同軸，激光驅動器及DSP信號處理器共同單獨封裝在一個儀器盒內，通過電纜和光纖分別與光電探測器和準直鏡聯接；在激光器準直鏡與光電探測之間設有防塵片，防塵片固定在鏡筒上。
天然氣或有毒氣體的遙測移動實時傳感器，激光器的中心頻率在1.65um附近，并經過掃描和發射激光的正弦調制。
微焦比反射鏡的焦距為60mm。
本發明與已有技術相比具有以下優點移動遙感監測傳統的傳感器是一種靜態監測技術，即一種固定于現場的監測技術。傳統的需定期維護，因此對于長輸管網、復雜城市管網等遠距離、復雜位置、不宜進入現場等場所缺乏有效的監測能力。本發明是一種可移動、無需進入現場的高靈敏度遙感監測技術。
多諧波信號檢測調制半導體激光吸收光譜法多采用原始信號的二次諧波進行氣體濃度的檢測。本檢測方法利用不同諧波對噪聲和信號的反映不同來標定噪聲，通過標定的噪聲再校正用于反演氣體濃度的信號，從而提高基于調制半導體激光吸收光譜法傳感器的靈敏度。
四
圖1-本發明結構示意2-多諧波檢測原理的示意1中1-反射鏡 2-鏡筒 3-防塵片 4-目標反射物體 5-光電探測器 6-激光器、準直鏡 7-DSP信號處理器 8-激光驅動器圖2中a-原始吸收光譜 b-一次諧波曲線 c-二次諧波曲線 d-三次諧波曲線五具體實施方式
經激光驅動器8驅動的調制半導體激光器6發射的激光經光纖耦合后通過準直鏡6準直整形發射到開放的空間里，發射的激光碰到目標反射物4后向周圍空間產生漫散射，這些漫散射的部分光被光電接收單元接收。接收的漫散射光濾波后經過微焦比的反射鏡1聚焦到光電探測器5光敏面上被接收。經數字化后送交DSP數字信號處理器7進行多諧數字解調，獲得原始吸收光譜的多個諧波波形成份。理想條件下這些諧波成分中偶次諧波成分偶對稱，頻率中心信號強度不為零；其次諧波成分奇對稱，頻率中心為零。但實際情況下，信號本身會受到各種干擾的影響，例如背景光噪聲、邊緣干涉等。如圖2b和d所示，頻率中心會偏離零點，通過奇次諧波對噪聲進行標定，再對偶次諧波進行扣除，然后再進行氣體濃度信息提取處理，給出發射激光器和目標反射物體之間的氣體濃度信息。鏡筒2上的防塵片是防止灰塵進入反射鏡，影響其反射效果。
權利要求
1.一種實時移動遙測傳感器對天然氣及有毒氣體的檢測方法，其特征在于利用多諧波的調制半導體激光吸收光譜法、光電接收系統、DSP軟硬件技術及激光驅動電路，通過由調制半導體激光器、光纖、準直鏡、濾波片、光電探測器、微焦比反射鏡構成的紅外激光發射接收單元發射激光經光纖傳輸準直鏡準直后輸出，遇目標物散射后，由濾波片選頻濾后被反射鏡聚焦到光電探測器光敏面上接收，然后將光電探測的模擬信號經數字化后送入DSP信號處理器處理，給出發射激光與目標物之間待檢天然氣或有毒氣體的濃度信息，實現對侵入生產現場或非生產現場的天然氣或有毒氣體的連續移動監測，維護生產現場或非生產現場的安全。
2.一種對天然氣或有毒氣體移動實時遙測傳感器，由反射鏡、鏡筒、防塵片、光電探測器、激光器、準直鏡DSP信號處理器和激光驅動器組成，其特征在于反射鏡安裝在鏡筒的左端部，凹面向右，在反射鏡的聚焦點處安裝有光電探測器和DSP信息處理器的接口；在鏡筒的右端部安裝有激光器準直鏡和激光驅動器的接口，準直鏡軸線與光電探測器及反射鏡同軸，激光驅動器及DSP信號處理器共同單獨封裝在一個儀器盒內，通過電纜和光纖分別與光電探測器和準直鏡聯接；在激光器準直鏡與光電探測之間設有防塵片，防塵片固定在鏡筒上。
3.根據權利要求2所述的一種對天然氣或有毒氣體移動實時遙測傳感器，其特征在于激光器的中心頻率在1.65um附近，并經過掃描和發射激光的正弦調制。
4.根據權利要求2所述的一種對天然氣或有毒氣體移動實時遙測傳感器，其特征在于微焦比反射鏡的焦距為60mm。
全文摘要
一種實時移動遙測傳感器對天然氣及有毒氣體的檢測方法，利用多諧波的調制半導體激光吸收光譜法、光電接收系統、DSP軟硬件技術及激光驅動電路，通過由調制半導體激光器、光纖、準直鏡、濾波片、光電探測器、微焦比反射鏡構成的紅外激光發射接收單元發射激光經光纖傳輸準直鏡準直后輸出，遇目標物散射后，由濾波片選頻濾后被反射鏡聚焦到光電探測器光敏面上接收，然后將光電探測的模擬信號經數字化后送入DSP信號處理器處理，給出發射激光與目標物之間待檢天然氣或有毒氣體的濃度信息，實現對侵入生產現場或非生產現場的天然氣或有毒氣體的連續移動監測，維護生產現場或非生產現場的安全。
文檔編號G01N21/31GK101038252SQ20071001433
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月14日 優先權日2007年4月14日
發明者張健, 常岐海, 于殿強, 董金婷, 董建軍 申請人:勝利油田勝利工程設計咨詢有限責任公司