氣體泄漏探測裝置及氣體泄漏位置的探測方法與流程
本發明涉及一種氣體泄露探測裝置，尤其涉及一種含有多路傳感器探頭的能夠快速遠程探測氣體泄漏的裝置，以及確定氣體具體泄漏位置的探測方法。
背景技術：
在石油、化工和半導體制造等多項工業領域中各種氣體被廣泛使用，從安全等各個角度來看，氣體泄漏的探測有廣泛的需求和應用，尤其是針對易燃、易爆或有毒氣體，即使是微小的泄漏也需要能夠被快速準確地探測到。目前現有的氣體泄漏探測裝置普遍存在探測精度不高、探測速度較慢和報警信號單一等問題，尤其缺乏能夠快速確定氣體具體泄漏位置的系統探測方法。
技術實現要素：
本發明的主要目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種能夠精確探測到氣體泄漏源的探測裝置及探測方法。
為達成上述目的，本發明提供一種氣體泄漏探測裝置，用于探測待測區域內的氣體泄漏位置。所述氣體泄漏探測裝置包括：N個檢測單元，用于探測泄漏氣體的氣體濃度，N為大于等于3的正整數；定位單元，用于在所述待測區域中定義多個坐標點；計算單元，當至少三個檢測單元檢測出泄漏氣體的氣體濃度時，根據各所述檢測單元至各所述坐標點的距離計算該泄漏氣體從每一所述檢測出氣體濃度的檢測單元擴散至各所述坐標點處的氣體濃度推算值，并將每一所述坐標點處、由不同檢測單元檢測的氣體濃度所計算出的氣體濃度推算值疊加；確定單元，根據各所述坐標點處氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。
優選地，每一所述檢測單元包括傳感器探頭和傳感器探頭檢測電路，其中所述傳感器探頭用于探測氣體濃度并成比例轉換為電流信號，所述傳感器探頭檢測電路用于將該電流信號放大轉換為電壓信號。
優選地，所述氣體泄漏探測裝置還包括控制單元，以及通訊驅動電路、報警信號電路、和繼電器開關信號電路中的至少一個；當所述檢測單元探測到泄漏氣體的氣體濃度時，所述控制單元通過所述通訊驅動電路發送信號至上位機和/或通過報警信號電路發出報警信號進行報警和/或通過繼電器開關信號電路發出繼電器開關信號以關閉氣源的閥門。
優選地，所述氣體泄漏探測裝置還包括控制單元和通訊驅動電路，當至少三個所述檢測單元探測到泄漏氣體的氣體濃度時，所述控制單元通過所述通訊驅動電路將所述氣體泄漏源的位置及該位置處的氣體濃度推算值輸出至上位機。
優選地，所述多個坐標點呈矩陣規則分布于所述待測區域中。
優選地，所述計算單元根據氣體濃度函數計算出所述泄漏氣體從檢測出氣體濃度的檢測單元擴散至各所述坐標點處的氣體濃度推算值，所述氣體濃度函數僅以到達檢測出氣體濃度的檢測單元的距離為變量。
根據本發明的另一方面，提供了一種氣體泄漏位置探測方法，包括以下步驟：
S1：在待測區域中設置N個檢測單元，用于探測泄漏氣體的氣體濃度，N為大于等于3的正整數；
S2：在所述待測區域中定義多個坐標點；
S3：當至少三個所述檢測單元檢測出泄漏氣體的氣體濃度時，根據各所述檢測單元至各所述坐標點的距離計算該泄漏氣體從每一所述檢測出氣體濃度的檢測單元擴散至各所述坐標點處的氣體濃度推算值；
S4：將每一所述坐標點處、由不同檢測單元檢測的氣體濃度所計算出的氣體濃度推算值疊加；以及
S5：根據各所述坐標點處氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。
優選地，每一所述檢測單元包括傳感器探頭和傳感器探頭檢測電路，其中所述傳感器探頭用于探測氣體濃度并成比例轉換為電流信號，所述傳感器探頭檢測電路用于將該電流信號放大轉換為電壓信號。
優選地，當所述檢測單元探測到泄漏氣體的氣體濃度時發出信號至上位機和/或發出報警信號和/或發出繼電器開關信號以關閉氣源的閥門。
優選地，所述氣體泄漏位置探測方法還包括步驟還包括步驟：
S6：將計算得到的氣體泄漏源的位置及該位置處的氣體濃度推算值輸出至上位機。
優選地，所述多個坐標點呈矩陣規則分布于所述待測區域中。
優選地，步驟S3中根據氣體濃度函數計算出泄漏氣體從檢測出氣體濃度的檢測單元擴散至各所述坐標點處的氣體濃度推算值，所述氣體濃度函數僅以到達檢測出氣體濃度的檢測單元的距離為變量。
相較于現有技術，本發明通過在待測區域設置多個檢測單元并定義多個坐標點、將每個檢測單元檢測到的氣體泄漏濃度推算到每個坐標點，以及將每個坐標點推算出的氣體泄漏濃度值疊加，能夠獲得每個坐標點處的氣體泄漏濃度總量，從而精確判斷出氣體泄漏源的位置。
附圖說明
圖1所示為本發明一實施例的氣體泄漏探測裝置的方塊圖；
圖2所示為本發明一實施例的電流/電壓放大器的電路圖；
圖3所示為本發明另一實施例的電流/電壓放大器的電路圖；
圖4所示為本發明一實施例中待測區域內傳感器探頭和坐標點的位置示意圖；
圖5所示為氣體泄漏的擴散示意圖；
圖6所示為在不同位置處泄漏氣體的濃度與時間的關系圖；
圖7所示為本發明一實施例的氣體泄漏位置探測方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護范圍內。
圖1所示為本發明一實施例的一種氣體泄漏探測裝置的方塊圖，如圖1所示，本實施例中，氣體泄漏探測裝置包括至少三個檢測單元1，定位單元2，計算單元3，確定單元4，并且可選地還包括控制單元5，通訊驅動電路6，報警信號電路7和繼電器開關信號電路8。
其中，檢測單元1分布于待測區域中，用于探測待測區域內泄漏氣體的氣體濃度。本實施例中，每個檢測單元包括傳感器探頭和傳感器探頭檢測電路。其中，傳感器探頭的接口優選為是標準通用的接口，從而可以配置不同氣體的傳感器探頭來檢測不同的氣體濃度。傳感器探頭可感知所處環境中的氣體濃度并成比例轉換輸出為電流信號，該電流信號在較遠的距離上也不會存在信號衰減問題，由此傳感器探頭可以布置在相對較遠的不同位置上。傳感器驅動電路將傳感器探頭輸出電流信號放大轉換為電壓信號。
本實施例中，傳感器探頭選擇反應時間較快的電解型氣體傳感器。電解型氣體傳感器工作時，被測氣體在傳感器內部發生氧化還原反應，并釋放電荷形成電流，電流的大小與被測氣體的濃度成正比，從而通過檢測此電流信號即可探測出氣體的濃度。
探頭檢測電路為高精度電流/電壓放大器，其典型的電路圖如圖2所示，圖中電容C6為濾波電容，可濾除輸入信號中的高頻噪聲，如果不考慮C6，則電路的傳遞函數為即為輸入電流到輸出電壓的放大倍數。當合理設置電阻R3、R4和R5時，即可得到所需的放大倍數。當要求放大倍數較大時，例如電流到電壓的放大倍數達到106，此時電阻(R3+R4//R5)也必須達到兆歐級，而兆歐級電阻溫度系數與精度等參數很難達到較好的指標。這種情況可以將圖2電路改進為如圖3所示的電流/電壓放大電路，當不考慮濾波電容C6時，則電路的傳遞函數為此時使用千歐級的電阻就可以達到106放大倍數，千歐級的電阻容易做到較好的溫度系數和精度，從而可以提高產品總體的精度和溫度性能。
定位單元2用于在待測區域中定義多個坐標點。如圖4所示，本實施例中傳感器探頭的數量為8個，坐標點為16個，呈4×4矩陣規則分布在待測區域中。圖中符號“×”定義為探測區域內的坐標點，按圖中順序用矩陣中的各元素表示各坐標點的名稱，符號“○”為8個傳感器探頭，其中編號為1～4的傳感器探頭放置在探測區域的四角，其余5～8號傳感器探頭呈三角形排列放置在探測區域的中部。坐標點和傳感器探頭在探測區域內的位置坐標都是確定的。
計算單元3用于計算每個坐標點處的氣體濃度推算值。具體地，當檢測單元1檢測出泄漏氣體的氣體濃度時，計算單元先根據各傳感器探頭至各坐標點的距離以及氣體濃度函數來計算該泄漏氣體從檢測單元1擴散至各坐標點處的氣體濃度推算值。
如圖5所示，當在探測區域中的某一點O發生氣體泄漏，距離O點由近到遠的三點S1、S2、S3放置了三個傳感器探頭，如果沒有其他外力影響，根據氣體的擴散原理，氣體將從濃度高的點擴散到濃度低的點，在擴散過程中，O點處氣體濃度最高，并成圓環狀逐漸降低，按時間先后距離氣體泄漏點O距離最近的S1。傳感器探頭S1最先在t1時刻檢測到泄漏氣體的存在，之后傳感器探頭S2和S3也先后在t2時刻和t3時刻檢測到泄漏氣體。氣體擴散過程中，各點濃度不相等，形成濃度梯度，如果探測區域空間足夠大，氣體濃度不會飽和，S1、S2、S3三點濃度將始終存在差值。因為查找氣體泄漏源位置可以采用氣體濃度的相對值而不需要采用絕對值，所以可以采用泄漏速度q為定值的某種確定氣體為氣體泄漏源，然后通過試驗的方法測得氣體的濃度函數f(l,t)，其中l為傳感器探頭到氣體泄漏點的直線距離，t為時間，可得到圖6所示的不同位置處的濃度-時間曲線，通過測得的濃度-時間曲線可知，當t足夠大時，S1、S2、S3三點的濃度只和各自離泄漏源的距離l有關，即可以通過測試近似得到僅以距離氣體泄漏源距離l為變量的泄漏氣體濃度函數f(l)。
如前所述，坐標點和傳感器探頭的布設位置都是確定的，因此任一傳感器探頭和任一坐標點的距離也是確定的。例如圖4中a11處發生氣體泄漏時，距a11處最近的傳感器探頭1先檢測到泄漏氣體的存在，因為探頭1和各坐標點的距離已知，所以可以通過氣體濃度函數f(l)將傳感器探頭1處測得的氣體濃度推算到從a11到a44的16個坐標點上。之后根據距離的遠近，傳感器探頭6、5、7、4、2、8、3也將相繼探測到泄漏氣體的存在，在此過程中，只要某個傳感器探頭探測到泄漏氣體，就實時地將該傳感器探頭測得的濃度通過函數f(l)推算到16個坐標點上。之后，計算單元3再將每個坐標點上的氣體濃度通過疊加原理，將由所有檢測到泄漏氣體的傳感器探頭檢測的氣體濃度所計算出的濃度推算值疊加。確定單元4根據各個坐標點的氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。優選地，計算單元還可以將各個組成矩形的相鄰4個坐標點的氣體濃度疊加值再加和，確定單元將加和最大的4個坐標點組成的矩形區域確定為氣體泄漏源的位置。
需要注意的是，當僅有1個或2個傳感器探頭檢測到氣體濃度時可能無法確定氣體泄露源的具體泄漏位置，例如當氣體泄漏源處于兩個傳感器探頭連線的垂直平分線上時，與連線中點呈對稱關系的兩個點的氣體濃度推算值相等。因此，本發明中必須當有3個檢測單元獲取氣體濃度時才可通過上述疊加原理獲得氣體泄露源的位置。檢測到濃度的檢測單元的數量越多，確定的氣體泄漏源位置也越精確。當坐標點設置比較密集時，也可以使用多臺氣體泄漏探測裝置(提供更多的傳感器探頭)進行測量，可更加精確地探測到氣體的泄漏位置。
請繼續參考圖1，本實施例中氣體泄漏探測裝置還包括控制單元5、通訊驅動電路6、報警信號電路7和繼電器開關信號電路8。
其中，控制單元5例如為微處理器，微處理器可選擇內部集成多路AD和DA的ADuC7026，例如集成16個ADC通道和4路DAC輸出。控制單元5與檢測單元1和確定單元4相連，可以采用全差分模式來實時采集多個傳感器探頭的輸入信號，當傳感器探頭檢測到氣體泄漏時，控制單元5可通過通訊驅動電路6將數字信號發送給上位機提示上位機已經出現氣體泄漏；也可以通過報警信號電路7發出報警信號至報警單元(例如是蜂鳴器或指示燈)進行聲光報警；還可以通過繼電器開關信號電路8使繼電器關閉氣源的閥門。當確定單元確定氣體泄漏源的位置時，控制單元還可通過通訊驅動電路6提供氣體泄漏源的具體濃度推算值和位置等信息給上位機。
請參見圖7，本發明還提供了一種氣體泄漏位置探測方法，包括以下步驟：
S1：在待測區域中設置多個檢測單元，用于探測泄漏氣體的氣體濃度。其中檢測單元的數量至少為3個。每一檢測單元包括傳感器探頭和傳感器探頭檢測電路，其中傳感器探頭用于探測氣體濃度并成比例轉換為電流信號，傳感器探頭檢測電路用于將該電流信號放大轉換為電壓信號。
S2：在待測區域中定義多個坐標點。
本步驟中，較佳地，坐標點是呈矩陣規則分布在待測區域中。坐標點和檢測單元在待測區域中的位置坐標都是確定的。
當要開始檢測之前，將檢測單元的各數據初始化，導入任一傳感器與任一坐標點之間的距離。
S3：當至少三個所述檢測單元檢測出泄漏氣體的氣體濃度時，根據各檢測單元和各坐標點的坐標計算該泄漏氣體從每一所述檢測出氣體濃度的檢測單元擴散至各坐標點處的氣體濃度推算值。
如圖所示，本步驟中，先獲取當前時間點各個檢測單元采樣的數據，判斷是否有至少3個檢測單元檢測到氣體濃度，若沒有則繼續獲取檢測單元的采樣數據；如果有的話則進行氣體濃度推算值的計算。具體地，根據氣體濃度函數計算出泄漏氣體從檢測出氣體濃度的檢測單元擴散至各坐標點處的氣體濃度推算值，其中氣體濃度函數僅以到達檢測出氣體濃度的檢測單元的距離為變量。
S4：將每一坐標點處、由不同檢測單元檢測的氣體濃度所計算出的氣體濃度推算值疊加。
S5：根據各坐標點處氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。
本步驟中，可直接將氣體濃度推算值的疊加值最大的坐標點作為氣體泄漏源位置，還可以將各個組成矩形的相鄰4個坐標點的氣體濃度疊加值再加和，將加和最大的4個坐標點組成的矩形區域確定為氣體泄漏源的位置。如圖所示，判斷每4個坐標點的加和值是否存在最大值，如果不存在，則重新進行檢測單元數據采樣的步驟，如果存在，那么確定加和最大的矩形區域為氣體泄漏區域。
此外，優選地，在檢測到氣體泄漏的同時，可發出通訊信號至上位機提示出現氣體泄漏，或報警信號進行報警，或發出繼電器開關信號以關閉氣源的閥門，還可將計算得到的氣體泄漏源的位置及該位置處的氣體濃度推算值也輸出至上位機。
綜上所述，本發明通過在待測區域設置多個檢測單元并定義更多的坐標點、將每個檢測單元檢測到的氣體泄漏濃度推算到每個坐標點，以及將每個坐標點推算出的氣體泄漏濃度值疊加，能夠獲得每個坐標點處的氣體泄漏濃度總量，從而精確判斷出氣體泄漏源的位置。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！