本发明涉及一种掺氢天然气管道泄漏监测装置及方法，属于输气管道泄漏监测技术领域。
背景技术：
近年来随着社会的发展，以石油、煤炭等化石燃料为主导的一次能源难以满足需求，出现的环境污染、温室效应和化石能源逐渐枯竭等问题，使得寻找新型清洁能源迫在眉睫。由于氢气燃烧只产生水，对环境无污染，能源利用效率高，而受到广泛关注。我国西部地区能源储量高、氢气来源广，但是该地区氢气需求相对单一，而东部地区对氢气的深度应用需求较高，这为氢气长距离输送提出了市场需求。目前业内认为，将氢气掺入在役天然气管网，并在下游分离提纯或直接用于民用是实现大规模氢气运输的有效途径之一。
由于氢气密度小，渗透率远大于天然气，在输送过程中，氢气在管道中尤其是法兰、密封螺纹等处更容易渗漏、扩散到外界。通常认为氢气在空气中燃烧范围是4.1％～74.1％，燃烧范围广，火焰速度快，一旦泄漏极易造成火灾、爆炸等严重事故，对生命和财产安全构成极大威胁。现行的气体泄漏检测装置及方法不能对掺氢天然气管道的密封性进行检测，而且针对法兰、密封螺纹等处的检测很困难，不再适用于掺氢天然气管道微小渗漏的检测。
因此，针对上述问题设计一种掺氢天然气管道泄漏监测装置及方法，可以针对掺氢天然气管道密封性、法兰、密封螺纹等处的微小渗漏进行检测，对输气管线的安全、经济运行，提高生产经济效益具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种掺氢天然气管道泄漏监测装置及方法，从确保管线安全运行的高度出发，设计密封壳体、微透镜型光纤氢传感器、声光报警器、信号处理系统，可实现掺氢天然气管道密封性、法兰、密封螺纹等处的微小渗漏监测，及时发现隐患，降低风险，实现安全运输。
本发明主要解决以下问题：
(1)设计空心半圆柱状密封壳体和密封胶塞，可实现在密封环境下，对掺氢天然气管道密封性、法兰、密封螺纹等处的微小渗漏的检测，提高检测准确度。
(2)设计微透镜型光纤氢传感器及方法，传感器探头环绕式安装在密封壳体内侧，检测密封壳体内氢气浓度。
(3)设计信号处理系统，将微透镜型光纤氢传感器传感探头检测到的反应氢气浓度的光信号转化为电信号，设计单片机将电信号转换为数字信号，并将数据无线传输到上位机，当氢气浓度达到预定报警值时，自动启动声光报警装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种掺氢天然气管道泄漏监测装置，其特征在于：包括掺氢天然气管线1、法兰2、法兰垫片3、螺栓4、第一密封壳体5、第二密封壳体6、密封垫片7、第一耳板8、第二耳板9、第三耳板10、第四耳板11、声光报警装置12、信号处理系统13、微透镜型光纤氢传感器14、第一半环形胶塞15、第二半环形胶塞16、第三半环形胶塞17、第四半环形胶塞18、第一手轮传动胶塞密封装置19、第二手轮传动胶塞密封装置20、第三手轮传动胶塞密封装置21、第四手轮传动胶塞密封装置22；
所述掺氢天然气管线1内端固结法兰2，所述法兰2内端面夹持法兰垫片3，所述法兰2通过螺栓4连接，所述第一密封壳体5、第二密封壳体6中间夹持密封垫片7，通过第一耳板8、第二耳板9、第三耳板10、第四耳板11连接，所述第一密封壳体5上安装有声光报警装置12和信号处理系统13，所述微透镜型光纤氢传感器14安装在第一密封壳体5、第二密封壳体6内侧，所述掺氢天然气管线1和第一密封壳体5中间夹持第一半环形胶塞15、第三半环形胶塞17进行密封，和第二密封壳体6中间夹持第二半环形胶塞16、第四半环形胶塞18进行密封，所述第一手轮传动胶塞密封装置19与第一半环形胶塞15连接调节胶塞密封程度。
进一步的，所述第一手轮传动胶塞密封装置19、第二手轮传动胶塞密封装置20、第三手轮传动胶塞密封装置21、第四手轮传动胶塞密封装置22为相同型号规格，所述第一手轮传动胶塞密封装置19包括转轮191、传动轴192、传动齿条193、传动齿轮194、凸块195；
所述转轮191连接传动轴192，所述传动轴192末端连接传动齿轮194，所述传动齿轮194与传动齿条193啮合，所述传动齿条193末端连接凸块195，所述凸块195被第一半环形胶塞15包裹固定。
进一步的，所述微透镜型光纤氢传感器14包括光源141、单模光纤142、耦合器143、传感探头144，光电探测器145；
所述光源141采用半导体激光二极管，所述光源141通过单模光纤142与耦合器143连接，所述传感探头144位于单模光纤142末端，所述光电探测器145与耦合器143连接，光电探测器145利用光电效应将传感探头144探测到的反应氢气浓度信息的光信号转换为电信号。
进一步的，所述传感探头144包括纤芯148、包层147、钯膜146，包层147包裹在纤芯148外层，单模光纤142末端端面上蒸镀一层厚度为10～20nm的钯膜146。
进一步的，所述信号处理系统13包括数据采集子模块131、单片机132、a/d转换133、异步收发传输器134、上位机135、i/o单元136；
所述数据采集子模块131与异步收发传输器134在单片机132上完成，所述数据采集子模块131将采集到的电信号经a/d转换133为数字信号再送往单片机132进行数据处理，所述单片机132通过异步收发传输器134向上位机135传输采集的数据，所述上位机135完成数据的转换处理并分析和储存，当氢气浓度达到爆炸下限的25％时，通过单片机132的i/o单元136自动启动声光报警装置12。
一种掺氢天然气管道泄漏监测方法，包括以下步骤：
s1：将规格相同的多个传感探头144组成微透镜型光纤氢传感器14安装在第一密封壳体5、第二密封壳体6内侧，第一密封壳体5、第二密封壳体6通过耳板连接，其中第一耳板8与第二耳板9通过螺栓连接、第三耳板10与第四耳板11通过螺栓连接；
s2：第一密封壳体5与管道本体之间通过第一半环形胶塞15、第三半环形胶塞17密封，第二密封壳体6与管道本体之间通过第二半环形胶塞16、第四半环形胶塞18密封，四个半环形胶塞规格相同；
s3：通过规格相同的第一手轮传动胶塞密封装置19、第二手轮传动胶塞密封装置20、第三手轮传动胶塞密封装置21、第四手轮传动胶塞密封装置22调整密封壳体与管道本体之间的密封程度，转动转轮191带动传动轴192，传动轴192末端连接传动齿轮194，传动齿轮194与传动齿条193啮合，传动齿条193末端连接凸块195，凸块195与第一半环形胶塞15连接，通过转轮191调节管道本体与密封壳体之间的密封程度；
s4：微透镜型光纤氢传感器14通过传感探头144检测密封壳体内氢气浓度，当光波从光纤一端射入到达光纤另一端时，光波在光纤末端钯膜146的表面产生反射，钯膜146会与氢气产生可逆化学反应
s5：将反应氢气浓度信息的光信号经光电探测器145转换为电信号，电信号在单片机132上通过a/d转换133为数字信号，再通过异步收发传输器134向上位机135传输采集的数据，上位机135完成数据的转换处理、分析和储存；
s6：声光报警装置12、信号处理系统13安装在第一密封壳体5上，当氢气浓度达到爆炸下限的25％时，通过单片机132的i/o单元136自动启动声光报警装置12。
该发明的有益效果在于：
(1)本发明设计空心半圆柱状密封壳体和密封胶塞，可实现在密封环境下，对掺氢天然气管道密封性、法兰、密封螺纹等处的微小渗漏的检测，提高检测准确度。
(2)设计微透镜型光纤氢传感器及方法，传感器探头环绕式安装在密封壳体内侧，检测密封壳体内氢气浓度。
(3)设计信号处理系统，将微透镜型光纤氢传感器传感探头检测到的反应氢气浓度的光信号信号转化为电信号，设计单片机上将电信号转换为数字信号，并将数据无线传输到上位机，当氢气浓度达到预定报警值时，自动启动声光报警装置。
附图说明
图1是本发明实施例中掺氢天然气管道泄漏监测装置结构示意图。
图2是本发明实施例中掺氢天然气管道泄漏监测装置左视图。
图3是本发明实施例中手轮传动胶塞密封装置结构示意图。
图4是本发明实施例中微透镜型光纤氢传感器原理图。
图5是本发明实施例中信号处理系统流程图。
图6是本发明实施例中单片机工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例
本实施例中，图1为掺氢天然气管道泄漏监测装置结构示意图，图2是掺氢天然气管道泄漏监测装置左视图，掺氢天然气管道泄漏监测装置包括掺氢天然气管线1、法兰2、法兰垫片3、螺栓4、第一密封壳体5、第二密封壳体6、密封垫片7、第一耳板8、第二耳板9、第三耳板10、第四耳板11、声光报警装置12、信号处理系统13、微透镜型光纤氢传感器14、第一半环形胶塞15、第二半环形胶塞16、第三半环形胶塞17、第四半环形胶塞18、第一手轮传动胶塞密封装置19、第二手轮传动胶塞密封装置20、第三手轮传动胶塞密封装置21、第四手轮传动胶塞密封装置22；
所述掺氢天然气管线1内端固结法兰2，所述法兰2内端面夹持法兰垫片3，所述法兰2通过螺栓4连接，所述第一密封壳体5、第二密封壳体6中间夹持密封垫片7，通过第一耳板8、第二耳板9、第三耳板10、第四耳板11连接，所述第一密封壳体5上安装有声光报警装置12和信号处理系统13，所述微透镜型光纤氢传感器14安装在第一密封壳体5、第二密封壳体6内侧，所述掺氢天然气管线1和第一密封壳体5中间夹持第一半环形胶塞15、第三半环形胶塞17进行密封，与第二密封壳体6中间夹持第二半环形胶塞16、第四半环形胶塞18进行密封，所述第一手轮传动胶塞密封装置19与第一半环形胶塞15连接调节胶塞密封程度。
图3是本发明实施例中手轮传动胶塞密封装置结构示意图，第一手轮传动胶塞密封装置19、第二手轮传动胶塞密封装置20、第三手轮传动胶塞密封装置21、第四手轮传动胶塞密封装置22规格相同，第一手轮传动胶塞密封装置19包括转轮191、传动轴192、传动齿条193、传动齿轮194、凸块195；
所述转轮191连接传动轴192，所述传动轴192末端连接传动齿轮194，所述传动齿轮194与传动齿条193啮合，所述传动齿条193末端连接凸块195，所述凸块195与第一半环形胶塞15包裹固定。
图4是本发明实施例中微透镜型光纤氢传感器原理图，微透镜型光纤氢传感器14包括光源141、单模光纤142、耦合器143、传感探头144，光电探测器145；
所述光源141采用半导体激光二极管，所述光源141通过单模光纤142与耦合器143连接，所述传感探头144位于光纤142末端，所述光电探测器145与耦合器143连接，光电探测器145利用光电效应将传感探头144探测到的反应氢气浓度信息的光信号转换为电信号，所述传感探头144包括纤芯148、包层147、钯膜146，包层147包裹在纤芯148外层，单模光纤142端面上蒸镀一层钯膜146。
图5是本发明实施例中信号处理系统流程图，信号处理系统13包括数据采集子模块131、单片机132、a/d转换133、异步收发传输器134、上位机135、i/o单元136；
所述数据采集子模块131与异步收发传输器134在单片机132上完成，所述数据采集子模块131将采集到的电信号经a/d转换133为数字信号再送往单片机132进行数据处理，单片机132通过异步收发传输器134向上位机135传输采集的数据，所述上位机135完成数据的转换处理并分析和储存，当氢气浓度达到爆炸下限的25％时，通过单片机132的i/o单元136自动启动声光报警装置12。
图6是本发明实施例中单片机工作流程图，首先进行单片机132和各设备的初始化，通过ad采样100次，删除偏差较大的点，根据剩余点求得氢气浓度的平均值，如果氢气浓度超标将自动启动声光报警装置12，并通过异步收发传输器134将数据传输到上位机135。
一种掺氢天然气管道泄漏监测方法，包括以下步骤：
s1：将规格相同的多个传感探头144组成微透镜型光纤氢传感器14安装在第一密封壳体5、第二密封壳体6内侧，第一密封壳体5、第二密封壳体6通过耳板连接，其中第一耳板8与第二耳板9通过螺栓连接、第三耳板10与第四耳板11通过螺栓连接；
s2：第一密封壳体5与管道本体之间通过第一半环形胶塞15、第三半环形胶塞17密封，第二密封壳体6与管道本体之间通过第二半环形胶塞16、第四半环形胶塞18密封，四个半环形胶塞规格相同；
s3：通过规格相同的第一手轮传动胶塞密封装置19、第二手轮传动胶塞密封装置20、第三手轮传动胶塞密封装置21、第四手轮传动胶塞密封装置22调整密封壳体与管道本体之间的密封程度，转动转轮191带动传动轴192，传动轴192末端连接传动齿轮194，传动齿轮194与传动齿条193啮合，传动齿条193末端连接凸块195，凸块195与第一半环形胶塞15连接，通过转轮191调节管道本体与密封壳体之间的密封程度；
s4：微透镜型光纤氢传感器14通过传感探头144检测密封壳体内氢气浓度，当光波从光纤一端射入到达光纤另一端时，光波在光纤末端钯膜146的表面产生反射，钯膜146会与氢气产生可逆化学反应
s5：将反应氢气浓度信息的光信号经光电探测器145转换为电信号，电信号在单片机132上通过a/d转换133为数字信号，再通过异步收发传输器134向上位机135传输采集的数据，上位机135完成数据的转换处理、分析和储存；
s6：声光报警装置12、信号处理系统13安装在第一密封壳体5上，当氢气浓度达到爆炸下限的25％时，通过单片机132的i/o单元136自动启动声光报警装置12。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
