用于在多个测试场地执行泄漏检测的测试装置

摘要

一种泄漏检测装置，所述装置包括多个测量元件（10），在测量元件内部激光束（17）的吸收会受到探漏气体的影响。所有的所述测量元件（10）通过导光光纤（28，34）连接到一主机单元（25），在所述主机单元（25）中，设置一用于调制的激光器以及一光电探测器（37），优选地，激光辐射的调制由双音频调制实现，这样，光纤长度不会明显地影响测量的结果。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在多个测试场地执行泄漏检测的装置。

背景技术

为了进行泄漏检测，可使用探漏气体进行探测，具体地，如氦、氩或其它 惰性气体，探漏气体穿过一可能存在的泄漏点在其相对面可以被检测到。为了 检测探漏气体，一般情况下，可使用质谱仪进行检测，然而由于质谱仪比较复 杂、昂贵，目前也提出了其它的方法以用于检测探漏气体。其中，有一种方法 是使用气密的测量元件，该测量元件被薄膜密封，该薄膜可以被探漏气体渗透。 对应于测量元件外部探漏气体分压在测量元件的内部会产生一总压力。通过对 测量元件内部的总压力进行测量，可以确定探漏气体是否出现，以及确定其浓 度。

探漏气体的检测也可以采用吸收光谱法。通过激发，测量元件中的探漏气 体可以被提升到一较高能量水平，此时，可以被称作亚稳态。亚稳气体原子具 有吸收光谱的特性，这样，通过光谱可以光学检测到亚稳气体原子。在光谱法 中，需要对穿过亚稳态的激光束进行调整，以对各个辐射接收机的信号进行评 估。该方法使用的装置非常复杂。因此，当存在多个测试场地时，各个技术投 资需求将成倍数增加。

本发明的目的在于提供一种装置，以用于在多个测试场地执行泄漏检测， 该装置包括一主机单元，该主机单元可用于所有的测试场地，适合于对测试场 地进行远程测试。

发明内容

本发明的装置由权利要求1定义。所述装置包括多个测量元件，以用于光 学检测探漏气体，其中，测量元件通过导光光纤连接到一主机单元上。该主机 单元包括一频率可变的激光器以及一光电探测器。该主机单元用于选择性地与 每个测量元件合作。这样，只需一个主机单元，在该主机单元中，一激光束被 生成以及调整，在主机单元中进一步包括一评估单元，以用于对接收到的激光 辐射进行评估。这样，在装置安装时，可以将大量的测量元件分配到不同的、 需要泄漏检测的测试场地，而所有泄漏测试的评估则在主机单元中进行。

用于将探漏气体转换到亚稳态的装置可以包括电极，该电极可生成一使用 缓冲气体的等离子弧，该等离子弧可以激发探漏气体进入到一较高能量状态， 在该状态下探漏气体可以被光学检测到。另一激发进入到亚稳态的方法是使用 电子源发出的电子进行轰击。在这种情况下，不需要使用缓冲气体。

在本发明提出的装置中，可以使用光导管进行信号传输，通过光导管缩短 了单个测量元件和主机单元之间的距离，在测量元件和主机单元之间建立了连 接。在主机单元中，可以对激光束进行调制，在测量元件中，调制光谱可随着 探漏气体的特征吸收线发生改变。产生的信号将通过导光光纤返回到主机单元。

优选地，激光器可使用双音频调制（TTM）进行操作。在TTM光谱法中， 两个紧密相关、邻近的调制频率被生成，两者的频率间隔（中频）非常小，优 选地，该中频少于1MHz。该中频Ω不会受到光纤中色散的影响。这样，对于 需要高调制频率且较长光传输路径的应用来说，TTM光谱法将非常有用。TTM 光谱法更具体的描述可以参考Avetisov V.G.以及Kauranen P.等人在1996年发 表的Appl.Opt.35文章4705页的描述。另一限定性因素是在光纤中对光的吸收。 对于1083纳米（nm）的波长，吸收大约为1.3dB/km，而对于更大的波长，吸 收则会降低。

附图说明

后续说明书结合说明书附图对本发明实施披露进行了充分、详细的描述， 包括本发明的最佳实施例，使得本领域技术人员可实施本发明。

图1示出了一测量元件的示意图；

图2示出了一网络示意图，该网络包括多个连接在主机单元上的测量元件；

图3示出了光纤传输—频率示意图，并在图中叠加了特征色散线；

图4示出了在输入光束的单频调制和产生的输出光束的波幅调制情形下， 导光光纤输入和输出端的频谱；

图5示出了用于双音频调制的信号频率，以及各自的特征光纤色散线；以 及

图6示出了导光光纤输入和输出端的光谱，以用于TTFM调制。

具体实施方式

图1示出了用于光学检测探漏气体的测量元件10。具体地，探漏气体为氦。 测量元件10由气体不能渗透的材料制成，具体地，可由玻璃制成。测量元件 10的内部11由测试气体入口12密封。所述测试气体入口12包括一薄膜13， 只有探漏气体、或优选地只有探漏气体能够渗透该薄膜，而其它气体则不能。 薄膜13是双向可渗透的，从而使得元件10内部11的压力与元件外部探漏气体 的分压相同。可以预先对元件10进行评估，这样，在元件10中除了探漏气体 不能包括任何其它气体。在元件10中，设置一激发装置18，以用于将探漏气 体转换到高激发状态。所述激发装置18可以为一电子源，以方便使用电子轰击 探漏气体，从而将探漏气体转换到高激发状态。在另一类型的元件中，可以提 供一气体放电路径，其中，缓冲气体将会被离子化，以用于将探漏气体转换到 高激发状态。亚稳态的诱发也可以通过X光、多光子激发、拉曼类型布局以及 通过中性原子/分子进行撞击，例如，通过超声波束。

为了对亚稳态探漏气体进行光学检测，可以使用一测量路径14，该测量路 径包括一辐射源15以及一辐射接收器16，该辐射接收器16可用于接收所述辐 射源的激光束17。由辐射源15发射的该激光束的波长可以设置为（例如） 1083.034nm，这样，当氦用作探漏气体时，从亚稳态2³S₁开始，可以达到的 2³P₂的高能量水平。当激光波长为1083.025nm时，则可以达到2³P₁的能量水 平。而当激光波长为1082.908nm时，则可以达到2³P₀的能量水平。当探漏气 体位于其亚稳态时，如果受到特定波长的激光束的撞击，则该波长的辐射将会 被吸收。具体可以参见DE 19853049C2。

作为上述类型的测量元件的替代，可以使用改进的类似测量元件，例如， 使用连接到一泵设备上的测量元件，其中，泵设备可用于从测量元件的内部移 除探漏气体。

辐射源15可以为导光光纤20的一部分，辐射接收器可以为导光光纤21 的一部分。

如图2所示，提供了一主机单元25，以用于在其中生成激光束，生成的激 光束可用于所有测量元件10，该主机单元还可以用于对从测量元件退出的激光 辐射进行评估。所述主机单元25包括一激光器26，该激光器具有可控的激光 波长。在耦合装置28a的协助下，由激光器生成的激光束27被耦合到导光光纤 28，并被引导到一分束器29。该分束器29可以将激光束同步或顺序地分配到 单个测量元件10的导光光纤20，其中，测量元件10被设置在不同的测试场地 30，使得测量元件可以在不同测试场地独立地检测探漏气体。激光束17可以从 所述导光光纤20耦合出来，穿过亚稳态探漏气体后，激光束将耦合到所述导光 光纤21。所有的所述导光光纤21都连接在一光束选择器33上，该选择器33 选择性地将导光光纤21耦合到光导管34，而光导管34连接在主机单元25上。 在这里，一输出耦合装置35被提供，以用于可操作性地向一光电探测器37提 供出射光束，其中，光电探测器37连接在一处理器38上。

所述激光器26由控制器40控制，控制器40还具有调制器功能，以用于使 用频率生成器41的两个频率对激光束进行调制。

图3和图4示出了包括测量元件10在内的整个导光光纤路径50的输入和 输出端上光谱的振幅A的示意图。输入光谱51包括一中心频率ω₀以及两个边 频带，该中心频率ω₀为激光器的辐射频率，两个边频带由调整频率定义。在图 3中还示出了导光光纤的非线性特征色散线54。在生成的输出光谱52中，两个 边频带具有不同的振幅。

图3和图4是在对激光辐射执行频率调制FM后作出的。当调制频率ω₁少于1MHz时（在波长调制中），对于几十千米的长度色散非常地小，是可忽 略的。而对于高调制频率（在GHz范围内或之上），色散将会导致一FM/AM 发生变换，这难以与测量元件中的探漏气体的吸收区分开来。

图5和图6示出了通过双音频调制（TTFM）提供的一种方案。除了使用 频率ω₁（例如，1GHz）进行第一调制之外，还使用一更低的第二频率Ω<10 MHz进行第二调制。第一频率ω₁处于GHz范围内，第一频率Ω处于MHz范 围内。在图5中示出了输入光谱51。第二调制频率ω₁和Ω被同步地生成、处 理，进而生成边频(ω₀-ω₁)+1/2Ω和(ω₀+ω₁)+1/2Ω。

在图4中，在光纤路径50的输入侧示出了具有振幅Ae、单频调制的激光 （FM）频率的光谱，而在输出侧示出了具有振幅A_a、相同的频率的示意图， 其中振幅A_a受到了光纤色散的影响。作为比较地，在图6中，在双音频调制中， 频率Ω的振幅在沿着光传导路径长度不会明显地受到影响，即不会受到色散的 影响，也不会受到吸收的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领 域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内对权利要求所限定的本发明所 作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求和其等价的技 术方案的保护范围之内。