一种激光甲烷泄漏监测器及甲烷泄露监测方法与流程

1.本发明涉及气体监测技术领域，尤其涉及一种激光甲烷泄漏监测器及甲烷泄露监测方法。


背景技术：

2.随着天然气场站、管网和天然气用户都对天然气泄漏监测有大量需求，当前天然气泄漏引起的爆炸事故频发，而且逐渐呈现出集中于城市子管网和用户端的趋势。
3.目前甲烷泄漏监测大量采用传统热导型、催化燃烧型以及红外型点式传感器监测。传统点式传感器使用滤网及泵吸等装置易出现堵塞和污染环境等问题。
4.少量采用激光光谱型传感器监测，城市子管网和用户端也少量使用激光甲烷点式传感器，点式传感器内部设置气室，当气体扩散至气室后才完成气体检测，均呈现覆盖区域小、易受干扰、易中毒、响应速度慢等缺点。现有的甲烷监测器总体上限制了天然气泄漏监测的有效性和可靠性。


技术实现要素：

5.鉴于目前甲烷泄漏检测器存在覆盖区域小、易受干扰、易中毒、响应速度慢等缺点，本发明提供一种激光甲烷泄露监测器及甲烷泄露监测方法，通过收发一体式结构，采用激光光谱气体检测技术遥测式观测，能够达到覆盖范围广、响应速度快，低成本，高可靠的效果。
6.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
7.一种激光甲烷泄露监测器，包括一本体，内部具有一腔室；一甲烷监测模块，设置于该腔室内，包含测量激光器、探测器、电路板，所述激光器、探测器集成安装于电路板上，所述测量激光器发出激光，所述激光照射目标后进行反射，所述探测器接收探测反射的激光，经过处理获得甲烷浓度信息；一通讯模块，设置于该腔室内，用于将实时气体监测信息周期性上传至一外部装置储存。
8.依照本发明的一个方面，所述甲烷监测模块还包括一指示激光器，用于标示所述测量激光器的方向，所述电路板包括设置在所述探测器后方的探测接收电路、激光驱动电路、信号处理电路，所述激光驱动电路分别与所述指示激光器、所述可调谐激光器电性连接，所述探测接收电路分别与所述探测器、所述信号处理电路电性连接。
9.依照本发明的一个方面，所述本体设有一发射激光出光口、一指示激光出光口和激光接收光学窗口，所述指示激光器和所述测量激光器轴线并列设置，所述激光接收光学窗口与所述测量激光出光口、指示激光出光口轴线并列设置，所述激光接收光学窗口设置在所述测量激光器的反射光路上，所述探测器设置在所述激光接收光学窗口后方，所述探测器与所述激光接收光学窗口轴线共线。
10.依照本发明的一个方面，还包括一用于安装固定所述监测器的固定装置，所述固定装置包括一水平锁紧装置、一安装支架、监视器安装螺钉，所述水平锁紧装置包括凸台，
安装水平轴杆，水平轴锁紧安装螺钉，所述水平锁紧装置与所述安装支架可拆卸连接，所述固定装置可以实现专用水平、垂直两维任意角度调整。
11.依照本发明的一个方面，所述本体设有安装孔，所述凸台与压紧片配合起来与安装孔对准安装，所述监视器安装螺钉没锁紧前，凸台和压紧片之间可以滑动，实现监视器的垂直角度调整；所述水平轴锁紧安装螺钉锁紧前，所述凸台与所述安装水平轴杆之间可以滑动，由此实现监视器水平角度的调整；所述水平轴锁紧安装螺钉和所述监视器安装螺钉均锁紧后监视器的安装角度确定。
12.依照本发明的一个方面，所述激光接收光学窗口为单片大数值孔径的非球面和大光敏面光学镜片。
13.依照本发明的一个方面，还包括一控制模块，控制所述甲烷监测模块启动运作，并将监测数据予以进行转换成一监测数据储存，所述控制模块还包括预警单元，所述预警单元在超过甲烷浓度设定阈值时发出警报。
14.依照本发明的一个方面，一种甲烷泄露监测方法，所述监测设备包括一激光甲烷泄漏监测器，所述甲烷泄露监测器包括一遥测式甲烷监测模块，所述甲烷泄露监测方法包括如下步骤：激光发射：测量激光器向目标发射激光；信号处理：探测器接收从目标反射回来的激光，经过处理转化成甲烷浓度信息；信号传输：所述甲烷浓度信息周期性上传至一外部装置储存。
15.依照本发明的一个方面，还包括报警判断步骤：预警单元根据预设的预警指令进行报警。
16.依照本发明的一个方面，当甲烷浓度信息大于预警指令中甲烷浓度值时，预警单元发出警报；当甲烷浓度信息小于预警指令中甲烷浓度值时，持续监测甲烷浓度。
17.本发明实施的优点：所述激光甲烷泄漏监测器，通过采用收发一体式结构与遥测式激光光谱气体检测技术，具有不中毒、不受干扰、覆盖范围广、不受高温高湿环境影响，可靠性更高的特点。设置可视化指示激光，解决传统激光反射式、对射式气体传感器安装时对准困难的问题。激光接收光学窗口为单片大数值孔径的非球面和大光敏面光学镜片，高探测灵敏度保证了激光照射普通目标即可完成气体检测，安装方便，降低了使用成本。当监测器检测气体超过预设报警指令时，所述报警器和蜂鸣器启动，实现声光多重报警，直到报警解除。同时增加物联网模块，实时监测信息可通过物联网发送至云端，并通过短信、微信、电话等方式通知值班人员，能够实现远程监控，操作方便，应用范围广泛。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明所述的一种激光甲烷泄露监测器的外观示意图；
20.图2为本发明所述的一种激光甲烷泄露监测器的剖面示意图；
21.图3为本发明所述的一种激光甲烷泄露监测器的现场安装示意图；
22.图4为本发明所述的一种激光甲烷泄露监测器的立式安装示意图；
23.图5为本发明所述的一种激光甲烷泄露监测器的挂式安装示意图。
24.图1-5中：激光接收光学窗口1，测量激光出光口2，指示激光出光口3，显示屏4，设置按键5，功能按键6，报警灯7，安装孔8，接收光学镜头9，探测器10，激光驱动电路11，探测接收电路12，报警灯电路13，显示屏驱动电路14，物联网模块15，信号处理电路16，密封塞17，线缆18，安装位置19，安装支架20，压紧片21，监视器安装螺钉22，水平锁紧装置23，锁紧装置锁紧螺钉孔24，固定螺母25，水平轴锁紧安装螺钉26，安装水平轴杆27，蜂鸣器28。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图1-5所示，一种激光甲烷泄露监测器，包括一本体，所述本体为一机箱，机箱内部具有一腔室，所述机箱上设有测量激光出光口2、指示激光出光口3和激光接收光学窗口1。一甲烷监测模块，设置于所述腔室内，包含测量激光器、探测器、电路板，所述测量激光器、探测器集成安装于电路板上。还可增加一指示激光器，用于标示测量激光器的方向。所述测量激光器通过所述测量激光出光口2向目标发射调谐激光，所述调谐激光经过目标反射后射向所述激光接收光学窗口1，通过所述激光接收光学窗口1汇聚至所述探测器10，所述探测器10输出的信号经过所述电路板处理，得到甲烷的浓度信息。一通讯模块，包括有线和无线通讯模块，具体可为一物联网模块15，所述物联网模块15设置于该腔室内，用于将实时气体监测信息周期性上传至一外部装置储存。
27.所述激光甲烷泄漏监测器工作时，所述测量激光器发射测量激光，所述测量激光通过所述测量激光出光口2射向目标，所述测量激光经过目标反射后射向所述激光接收光学窗口1，通过所述激光接收光学窗口1汇聚至所述探测器10，所述探测器10输出的信号经过所述电路板处理，根据甲烷气体对特定激光的共振吸收进行甲烷浓度检测，测量精度极高。
28.本实施例中，采用激光光谱气体检测技术，光与气体之间不发生接触式化学反应，不会影响待测气体的组分和形态，相比传统气体传感器具有不中毒、不受干扰、不受高温高湿环境影响，可靠性更高的特点。遥测式观测覆盖范围更广，相比于传统点式扩散型传感器，遥测式开放路径检测覆盖范围更广，响应速度快。由于覆盖范围更广，典型场景中需要监测器数量更少，采用激光光谱检测甲烷气体，无需频繁标定维护监测器，以及解决了恶劣环境下适应能力差和长时间可靠工作的问题，尤其是针对高粉尘、油烟等环境，传统点式传感器使用滤网及泵吸等装置易出现堵塞和污染等环境，而遥测式激光甲烷气体监测不存在以上装置，适合恶劣环境下长期稳定工作。
29.本实施例中，指示激光器采用能够发射可见光的激光器。例如，指示激光器发射出红色或者绿色等可见光，指示激光器的指向与测量激光器指向一致，用于标示测量激光器的方向。指示激光器和测量激光器轴线并列设置，位于同一平面，指示激光器和测量激光器发射激光的方向相同。通过设置指示激光，解决传统激光反射式、对射式气体传感器安装时对准困难的问题。
30.本实施例中，所述电路板包括探测接收电路12、激光驱动电路11、信号处理电路16，所述电路集成在一个电路板上。所述电路设置在所述探测器10后方，所述激光驱动电路11分别与所述指示激光器、所述测量激光器电性连接，所述探测接收电路12分别与所述探测器10、所述信号处理电路16电性连接。
31.所述电路板的合理布局设计，使各部分结构紧凑，体积减小。
32.进一步的，所述指示激光器和所述测量激光器轴线并列设置，所述激光接收光学窗口1与所述测量激光出光口2、指示激光出光口3轴线并列设置，所述激光接收光学窗口1设置在所述测量激光器的反射光路上，所述探测器10设置在所述激光接收光学窗口1后方，所述探测器10与所述激光接收光学窗口1轴线共线。
33.本实施例中，还包括ac-dc电源，所述机箱上设有供电及电缆接口，所述接口外侧环绕有密封塞17，防止漏电。所述电源通过线缆18及供电及电缆接口与所述遥测式甲烷泄漏监测器连接。本实施例中，还包括一控制模块，控制所述甲烷监测模块启动运作，并将监测数据予以进行转换成一监测数据储存。所述控制模块包括所述机箱上设置的显示屏4和按键，所述机箱内部设置有与显示屏4和按键连接的显示屏驱动电路14和按键电路。按键分为功能按键6和设置按键5，功能按键6用于指示光的开关和功能切换，设置按键5用于报警下限的设置。
34.所述控制模块还包括预警单元。所述预警单元包括报警部件及其控制电路。实际应用中，在所述机箱上设有报警灯7，所述机箱内部包括报警灯驱动电路13，用于控制报警灯7的开关。进一步的，还可在所述机箱上设置蜂鸣器蜂窝孔，机箱内部设置蜂鸣器28，所述报警灯驱动电路13用于调节控制蜂鸣器28。
35.当监视器检测到气体浓度超过检测下限时，监视器自身声光双重报警，集中监控平台和app客户端也同步报警，并以电话、短信或微信形式通知报警信息，提示用户及时处理。报警部件的设计，能及时发现并排查危险，满足实际需求。
36.本实施例中，所述遥测式物联网型激光甲烷泄漏监测器的机箱面板设计有安装孔8，所述安装孔8为螺纹孔，可通过螺栓与安装支架20配合在现场安装和调试。
37.进一步的，为实现遥测式激光甲烷泄漏监测器快速安装和水平垂直两维角度快速调整，还包括一用于安装固定所述监测器的固定装置，所述固定装置可以实现专用水平、垂直两维任意角度调整。所述固定装置包括一水平锁紧装置23、一安装支架20，所述水平锁紧装置包括凸台，安装水平轴杆27，水平轴锁紧安装螺钉26，所述水平锁紧装置23通过螺母与所述安装支架螺纹连接。
38.所述水平锁紧装置23与压紧片21配合起来与所述安装孔8对准安装和调试，实现监视器的垂直角度调整，所述水平锁紧装置23与安装水平轴杆27配合起来与所述安装支架20对准安装和调试，实现监视器的水平角度调整。
39.具体的，在所述遥测式物联网型激光甲烷泄漏监测器安装螺钉22没锁紧前，凸台和压紧片21之间可以滑动，由此实现了监视器的垂直角度调整。水平轴锁紧安装螺钉26锁紧前，水平锁紧装置23与安装水平轴杆27之间可以滑动，由此实现监视器水平角度的调整，调整好后，水平锁紧装置23通过固定螺母25与安装支架20可拆卸连接，水平轴锁紧安装螺钉26与锁紧装置锁紧螺钉孔24配合锁紧固定。水平轴锁紧安装螺钉26和监视器安装螺钉22均锁紧后监视器的安装角度确定，安装支架20通过螺钉固定于管道等安装位置19。
40.通过设置专用水平、垂直两维任意角度调整结构，安装方便，并且安装角度易调节，能够满足不同场所的需求。
41.本实施例中，所述激光接收光学窗口1的接收光学镜头9优选单片大数值孔径的非球面和大光敏面光学镜片。这样设置使用的光学接收镜头的体积比较小，焦距比较小，并且像质相比于传统球面透镜得到了极大的提高，因此使得整个装置体积比较小，但是却不影响光学接收效率，可以保证作用距离和测量灵敏度不变。也就是说，与现有技术相比，在作用距离、测量灵敏度不发生变化的前提下，体积相比现有技术的激光甲烷遥测装置降低很多。
42.本实施例中，所述监测器工作时，采取多周期累积微弱甲烷气体吸收信号提取和降噪技术。激光探测器10接收反射激光，反射激光包含了丰富信息，这些干涉信号在经过模数采样转换，去噪处理等操作后能够被传递到后一级数据处理单元，例如信号处理电路16等进行数据分析从而获得甲烷浓度信息，灵敏度高。
43.本实施例中，所述物联网模块15集成支持4g、nbiot、lora等协议的物联网通信芯片和天线，实现与无线网络的连接。激光甲烷泄漏监测器通过物联网将实时气体监测信息周期性上传至外部装置，所述外部装置可为一云端系统、一可携式装置、一电脑系统等至少其中之一。当监测到气体浓度超过报警下限时通过物联网发送至云端，并通过短信、微信、电话等方式通知值班人员。
44.实际应用中，所述遥测式物联网型激光甲烷泄漏监测器工作时，典型室内30m以内监测距离无需反射器配合，调整激光照射至安装场景中非镜面平坦的普通目标即可正常工作，解决传统激光反射式、对射式气体传感器安装时对准困难的问题。如典型室外50m以上监测距离可以选择增加反射器或反光贴配合，实现覆盖范围广的优点。
45.实际应用中，所述遥测式物联网型激光甲烷泄漏监测器支持室内或室外安装，根据天然气比空气轻，泄漏后向上扩散的特性，室内时安装在室内高处，如靠近天花板处，室外安装时，安装在被检测关键部件、管线上方。安装时打开可见激光指示光，将激光指示光瞄准到墙壁、金属、管线等固定实体目标上，为了实现更远的监测距离，如50m以上时，可以在激光指示光照射的位置加装高反射率光学角反射器阵列板和贴装反光贴。通过调整使回波信号满足规定要求，即可固定激光甲烷监视器，并通过功能按键6和设置按键5输入当前检测路径距离，监测器即可计算出甲烷平均浓度。以上调试完毕后即可设置监视器关闭屏显和关闭指示激光，进入低功耗工作状态。调试模式到工作模式时，便进入低功耗模式，保证了监视器可以市电供电也可以通过外置电池供电长时间工作。
46.所述遥测式物联网型激光甲烷泄漏监测器也可以安装在城市燃气场站或者燃气用户端，包括城市地下综合管廊、加气站、城市公共空间、工业用户、商业用户等，用于甲烷微量泄漏监测。可采用直流供电，也可采用电池供电，所述发明将监测气体浓度信息和、报警信息和工作状态通过物联网传送到云端服务器，集中监控平台也与云端服务器连接获取众多监视器气体相关数据并展示出来，个人app客户端也连接云端服务器获取多监视器气体相关数据并显示出来，当监视器检测到气体浓度超过检测下限时，监视器自身声光双重报警，集中监控平台和app客户端也同步报警，并以电话、短信或微信形式通知报警信息，提示用户及时处理。
47.本发明中，还包括一种甲烷泄露监测方法，所述监测设备包括一本体，所述本体为
一机箱，机箱内部具有一腔室，所述机箱上设有测量激光出光口2、指示激光出光口3和激光接收光学窗口1。一甲烷监测模块，设置于所述腔室内，包含测量激光器、探测器、电路板，所述测量激光器、探测器集成安装于电路板上。还可增加一指示激光器，用于标示测量激光器的方向。所述测量激光器通过所述测量激光出光口2向目标发射调谐激光，所述调谐激光经过目标反射后射向所述激光接收光学窗口1，通过所述激光接收光学窗口1汇聚至所述探测器10，所述探测器10输出的信号经过所述电路板处理，得到甲烷的浓度信息。一通讯模块，包括有线和无线通讯模块，具体可为一物联网模块15，所述物联网模块15设置于该腔室内，用于将实时气体监测信息周期性上传至一外部装置储存。所述甲烷泄露监测方法包括如下步骤：
48.步骤s1:激光发射：测量激光器向目标发射激光；
49.步骤s2:信号处理：探测器接收从目标反射回来的激光，经过处理转化成甲烷浓度信息；
50.步骤s3:信号传输：所述甲烷浓度信息周期性上传至一外部装置储存。
51.本方法中，所述测量激光器发射测量激光，所述测量激光通过所述测量激光出光口2射向目标，所述测量激光经过目标反射后射向所述激光接收光学窗口1，通过所述激光接收光学窗口1汇聚至所述探测器10，所述探测器10输出的信号经过所述电路板处理，其根据甲烷气体对特定激光的共振吸收进行甲烷浓度检测，测量精度极高。同时所述甲烷浓度信息周期性上传至一外部装置储存，进行实时监测。
52.本实施例中，所述甲烷泄露监测方法还包括报警判断步骤：预警单元根据预设的预警指令进行报警。当甲烷浓度信息大于预警指令中甲烷浓度值时，预警单元发出警报；当甲烷浓度信息小于预警指令中甲烷浓度值时，持续监测甲烷浓度。
53.本发明实施的优点：所述遥测式物联网型激光甲烷泄漏监测器，通过采用收发一体式结构与遥测式激光光谱气体检测技术，具有不中毒、不受干扰、覆盖范围广、不受高温高湿环境影响，可靠性更高的特点。设置可视化指示激光，解决传统激光反射式、对射式气体传感器安装时对准困难的问题。激光接收光学窗口为单片大数值孔径的非球面和大光敏面光学镜片，高探测灵敏度保证了激光照射普通目标即可完成气体检测，安装方便，降低了使用成本。当监测器检测气体超过预设报警指令时，所述报警器和蜂鸣器启动，实现声光多重报警，直到报警解除。同时增加物联网模块，实时监测信息可通过物联网发送至云端，并通过短信、微信、电话等方式通知值班人员，能够实现远程监控，操作方便，应用范围广泛。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。