本發(fā)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(yuǎn)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(shù)：

在石油、化工和半導(dǎo)體制造等多項工業(yè)領(lǐng)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(yīng)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(zhǔn)確地探測到。目前現(xiàn)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(tǒng)探測方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種氣體泄漏探測裝置，用于探測待測區(qū)域內(nèi)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(shù)；定位單元，用于在所述待測區(qū)域中定義多個坐標(biāo)點；計算單元，當(dāng)至少三個檢測單元檢測出泄漏氣體的氣體濃度時，根據(jù)各所述檢測單元至各所述坐標(biāo)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(biāo)點處的氣體濃度推算值，并將每一所述坐標(biāo)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(jù)各所述坐標(biāo)點處氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。

優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓信號。

優(yōu)選地，所述氣體泄漏探測裝置還包括控制單元，以及通訊驅(qū)動電路、報警信號電路、和繼電器開關(guān)信號電路中的至少一個；當(dāng)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(qū)動電路發(fā)送信號至上位機和/或通過報警信號電路發(fā)出報警信號進行報警和/或通過繼電器開關(guān)信號電路發(fā)出繼電器開關(guān)信號以關(guān)閉氣源的閥門。

優(yōu)選地，所述氣體泄漏探測裝置還包括控制單元和通訊驅(qū)動電路，當(dāng)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(qū)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(yōu)選地，所述多個坐標(biāo)點呈矩陣規(guī)則分布于所述待測區(qū)域中。

優(yōu)選地，所述計算單元根據(jù)氣體濃度函數(shù)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(biāo)點處的氣體濃度推算值，所述氣體濃度函數(shù)僅以到達(dá)檢測出氣體濃度的檢測單元的距離為變量。

根據(jù)本發(fā)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(qū)域中設(shè)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(shù)；

S2：在所述待測區(qū)域中定義多個坐標(biāo)點；

S3：當(dāng)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(jù)各所述檢測單元至各所述坐標(biāo)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(biāo)點處的氣體濃度推算值；

S4：將每一所述坐標(biāo)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(jù)各所述坐標(biāo)點處氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。

優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓信號。

優(yōu)選地，當(dāng)所述檢測單元探測到泄漏氣體的氣體濃度時發(fā)出信號至上位機和/或發(fā)出報警信號和/或發(fā)出繼電器開關(guān)信號以關(guān)閉氣源的閥門。

優(yōu)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(yōu)選地，所述多個坐標(biāo)點呈矩陣規(guī)則分布于所述待測區(qū)域中。

優(yōu)選地，步驟S3中根據(jù)氣體濃度函數(shù)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(biāo)點處的氣體濃度推算值，所述氣體濃度函數(shù)僅以到達(dá)檢測出氣體濃度的檢測單元的距離為變量。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過在待測區(qū)域設(shè)置多個檢測單元并定義多個坐標(biāo)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(biāo)點，以及將每個坐標(biāo)點推算出的氣體泄漏濃度值疊加，能夠獲得每個坐標(biāo)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(fā)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(fā)明一實施例的電流/電壓放大器的電路圖；

圖3所示為本發(fā)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(fā)明一實施例中待測區(qū)域內(nèi)傳感器探頭和坐標(biāo)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(guān)系圖；

圖7所示為本發(fā)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(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

圖1所示為本發(fā)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(qū)動電路6，報警信號電路7和繼電器開關(guān)信號電路8。

其中，檢測單元1分布于待測區(qū)域中，用于探測待測區(qū)域內(nèi)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(yōu)選為是標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境中的氣體濃度并成比例轉(zhuǎn)換輸出為電流信號，該電流信號在較遠(yuǎn)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(yuǎn)的不同位置上。傳感器驅(qū)動電路將傳感器探頭輸出電流信號放大轉(zhuǎn)換為電壓信號。

本實施例中，傳感器探頭選擇反應(yīng)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(nèi)部發(fā)生氧化還原反應(yīng)，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(shù)為即為輸入電流到輸出電壓的放大倍數(shù)。當(dāng)合理設(shè)置電阻R₃、R₄和R₅時，即可得到所需的放大倍數(shù)。當(dāng)要求放大倍數(shù)較大時，例如電流到電壓的放大倍數(shù)達(dá)到10⁶，此時電阻(R₃+R₄//R₅)也必須達(dá)到兆歐級，而兆歐級電阻溫度系數(shù)與精度等參數(shù)很難達(dá)到較好的指標(biāo)。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(dāng)不考慮濾波電容C6時，則電路的傳遞函數(shù)為此時使用千歐級的電阻就可以達(dá)到10⁶放大倍數(shù)，千歐級的電阻容易做到較好的溫度系數(shù)和精度，從而可以提高產(chǎn)品總體的精度和溫度性能。

定位單元2用于在待測區(qū)域中定義多個坐標(biāo)點。如圖4所示，本實施例中傳感器探頭的數(shù)量為8個，坐標(biāo)點為16個，呈4×4矩陣規(guī)則分布在待測區(qū)域中。圖中符號“×”定義為探測區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)點，按圖中順序用矩陣中的各元素表示各坐標(biāo)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(qū)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(qū)域的中部。坐標(biāo)點和傳感器探頭在探測區(qū)域內(nèi)的位置坐標(biāo)都是確定的。

計算單元3用于計算每個坐標(biāo)點處的氣體濃度推算值。具體地，當(dāng)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(jù)各傳感器探頭至各坐標(biāo)點的距離以及氣體濃度函數(shù)來計算該泄漏氣體從檢測單元1擴散至各坐標(biāo)點處的氣體濃度推算值。

如圖5所示，當(dāng)在探測區(qū)域中的某一點O發(fā)生氣體泄漏，距離O點由近到遠(yuǎn)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(jù)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(huán)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(qū)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(shù)f(l,t)，其中l(wèi)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(dāng)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(guān)，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(shù)f(l)。

如前所述，坐標(biāo)點和傳感器探頭的布設(shè)位置都是確定的，因此任一傳感器探頭和任一坐標(biāo)點的距離也是確定的。例如圖4中a₁₁處發(fā)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(biāo)點的距離已知，所以可以通過氣體濃度函數(shù)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(biāo)點上。之后根據(jù)距離的遠(yuǎn)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(shù)f(l)推算到16個坐標(biāo)點上。之后，計算單元3再將每個坐標(biāo)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(jù)各個坐標(biāo)點的氣體濃度推算值的疊加值確定氣體泄漏源的位置。優(yōu)選地，計算單元還可以將各個組成矩形的相鄰4個坐標(biāo)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(biāo)點組成的矩形區(qū)域確定為氣體泄漏源的位置。

需要注意的是，當(dāng)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(dāng)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(guān)系的兩個點的氣體濃度推算值相等。因此，本發(fā)明中必須當(dāng)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(shù)量越多，確定的氣體泄漏源位置也越精確。當(dāng)坐標(biāo)點設(shè)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(xù)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(qū)動電路6、報警信號電路7和繼電器開關(guān)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(nèi)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?？刂茊卧?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(dāng)傳感器探頭檢測到氣體泄漏時，控制單元5可通過通訊驅(qū)動電路6將數(shù)字信號發(fā)送給上位機提示上位機已經(jīng)出現(xiàn)氣體泄漏；也可以通過報警信號電路7發(fā)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(guān)信號電路8使繼電器關(guān)閉氣源的閥門。當(dāng)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(qū)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(fā)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(qū)域中設(shè)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓信號。

S2：在待測區(qū)域中定義多個坐標(biāo)點。

本步驟中，較佳地，坐標(biāo)點是呈矩陣規(guī)則分布在待測區(qū)域中。坐標(biāo)點和檢測單元在待測區(qū)域中的位置坐標(biāo)都是確定的。

當(dāng)要開始檢測之前，將檢測單元的各數(shù)據(jù)初始化，導(dǎo)入任一傳感器與任一坐標(biāo)點之間的距離。

S3：當(dāng)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(jù)各檢測單元和各坐標(biāo)點的坐標(biāo)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(biāo)點處的氣體濃度推算值。

如圖所示，本步驟中，先獲取當(dāng)前時間點各個檢測單元采樣的數(shù)據(jù)，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(xù)獲取檢測單元的采樣數(shù)據(jù)；如果有的話則進行氣體濃度推算值的計算。具體地，根據(jù)氣體濃度函數(shù)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(biāo)點處的氣體濃度推算值，其中氣體濃度函數(shù)僅以到達(dá)檢測出氣體濃度的檢測單元的距離為變量。

S4：將每一坐標(biāo)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(jù)各坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)點的氣體濃度疊加值再加和，將加和最大的4個坐標(biāo)點組成的矩形區(qū)域確定為氣體泄漏源的位置。如圖所示，判斷每4個坐標(biāo)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(shù)據(jù)采樣的步驟，如果存在，那么確定加和最大的矩形區(qū)域為氣體泄漏區(qū)域。

此外，優(yōu)選地，在檢測到氣體泄漏的同時，可發(fā)出通訊信號至上位機提示出現(xiàn)氣體泄漏，或報警信號進行報警，或發(fā)出繼電器開關(guān)信號以關(guān)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(fā)明通過在待測區(qū)域設(shè)置多個檢測單元并定義更多的坐標(biāo)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(biāo)點，以及將每個坐標(biāo)點推算出的氣體泄漏濃度值疊加，能夠獲得每個坐標(biāo)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(fā)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(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。