一种全量程肼类推进剂泄漏检测系统及方法

技术领域

本发明涉及肼类推进剂泄漏检测技术，具体涉及一种全量程肼类推进剂泄漏检测系统及方法。

背景技术

肼类推进剂作为运载火箭的常规液体燃料,被广泛应用于各种卫星和航天器的发射试验中,肼类推进剂具有中等以上毒性,且易燃、易爆。

在常规火箭发动机试验中，肼类推进剂的贮存、转注、加注等过程，都易出现泄漏的风险，肼类推进剂泄漏会对环境产生污染以及操作人造成危害(人员中毒伤亡)，甚至引发着火爆炸,造成试验的失败以及安全事故的发生。因此，迫切需要设计一种肼类气体浓度检测报警系统，实现对肼类推进剂库房、加注间等作业环境中肼类推进剂浓度的实时精确监测或巡检。

发明内容

为了解决现有肼类推进剂在贮存、转注、加注等过程，易出现泄漏风险，造成试验失败和安全事故发生的技术问题，本发明提供了一种全量程肼类推进剂泄漏检测系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种全量程肼类推进剂泄漏检测系统，其特殊之处在于：包括声光红外探测器、三通电磁阀、电化学探测器、气体吹扫组件以及控制机构；

所述声光红外探测器设有采样点；

所述三通电磁阀的进口端Ⅰ与声光红外探测器的排气口相连通，三通电磁阀的第一出口端与电化学探测器的进口端相连通，三通电磁阀的第二出口端与大气相通；

所述电化学探测器的出口端通过第一止回阀与大气相通；

所述气体吹扫组件包括吹扫泵和第二止回阀，第二止回阀的一端与吹扫泵相接，另一端与电化学探测器的进口端相连通；

所述控制机构用于控制三通电磁阀、吹扫泵、第一止回阀和第二止回阀的动作。

进一步地，所述声光红外探测器包括采样管、排气管、外壳，以及设置在外壳内的检测模块、进气阀、出气阀；

所述检测模块包括凹面镜以及由近及远且同轴依次设置在凹面镜反射镜面侧的红外光源、斩波器、滤波轮和声光池，滤波轮上设有圆周均布的多个光学滤光器，声光池靠近滤波轮的一侧设有光学窗口，其另一侧设有进气口和出气口；

所述采样管的进口端作为采样点，其出口端穿过外壳后与进气阀的进口端相连通，进气阀的出口端与声光池的进气口相连通；

所述出气阀的进口端与声光池的出气口相连通，出气阀的出口端与排气管的进口端相连通，排气管的出口端穿过外壳后作为与三通电磁阀进口端相接的排气口。

进一步地，所述声光红外探测器还包括吹扫阀、吸气泵、分流管以及分流阀；

所述吹扫阀的两端分别与采样管的出口侧、排气管的进口侧相连通；

所述吸气泵设置在排气管上；

所述分流管的两端分别与吸气泵的进口端、出口端相连通，分流阀设置在分流管上。

进一步地，所述电化学探测器的进口侧设有过滤器。

进一步地，所述三通电磁阀为两位三通电磁阀；

所述采样点为均布的多个。

进一步地，所述采样管上设有空滤；

所述声光池上设有麦克风；

所述分流管上设有压力表。

进一步地，所述凹面镜为球状凹面镜；

所述光学滤光器为滤光片。

同时，本发明提供了一种全量程肼类推进剂泄漏检测方法，其特殊之处在于，采用上述全量程肼类推进剂泄漏检测系统，所述检测方法包括以下步骤：

1)待测肼类气体经采样点进入声光红外探测器内；

2)若声光红外探测器检测到待测肼类气体的浓度高于或等于声光红外探测器的设定值时，声光红外探测器发出报警，三通电磁阀的进口端Ⅰ与第二出口端相通，高浓度的肼类气体通过三通电磁阀的第二出口端排空，检测结束；

若声光红外探测器检测到待测肼类气体的浓度低于声光红外探测器的设定值时，执行步骤3)：

3)控制机构向三通电磁阀发出指令，使三通电磁阀的进口端Ⅰ与第一出口端相通，且与第二出口端断开，待测肼类气体由声光红外探测器的排气口经三通电磁阀进入电化学探测器；

4)若电化学探测器检测到待测肼类气体的浓度高于或等于电化学探测器的设定值时，电化学探测器发出报警，控制机构向三通电磁阀发出指令，使三通电磁阀的进口端Ⅰ与第一出口端断开，且与第二出口端相通，待测肼类气体通过三通电磁阀的第二出口端排空；同时，控制机构向吹扫泵发出启动指令以及向第一止回阀、第二止回阀发送打开指令，吹扫泵工作对电化学探测器内的待测肼类气体进行吹除；

若电化学探测器检测到待测肼类气体的浓度低于电化学探测器的设定值时，打开第一止回阀，待测肼类气体经第一止回阀排空。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明检测系统及方法采用声光红外探测器与电化学探测器组合检测方式，通常以声光红外探测器为主要检测元件，可实现对肼类气体浓度的检测报警，此时，电化学探测器不工作；仅在肼类气体浓度较低而声光红外探测器无法进行检测时，电化学探测器才工作；在电化学探测器发生报警时，待测肼类气体通过三通电磁阀的第二出口端排空，电化学探测器未发生报警时，浓度偏低的肼类气体直接经电化学探测器排出即可；同时，在电化学探测器发生报警时，通过气体吹扫组件将电化学检测器检测管路里的肼类气体吹扫干净，避免电解质的消耗，对电化学探测器造成损坏，提高电化学探测器使用寿命。因此本发明检测系统及方法可实现肼类气体浓度的宽范围和精确检测。

2、本发明检测系统以声光红外探测器为核心检测元件，配以电化学探测器为辅助检测元件，集成设计成一套成熟可靠的、方便安装维护的结构主体，以及气体吹扫组件对电化学探测器内的肼类气体进行吹除，提高电化学探测器的使用寿命，进而实现提高整体检测系统的使用寿命。

3、本发明在排气管上设置吸气泵，为了更充分的抽净管路中残留的被测气体；以及在排气管上并联分流阀，是在高浓度气体情况下打开，以便快速排掉管道中被测气体，防止污染检测系统。

4、本发明在电化学探测器的进口侧和出口侧分别设置过滤器和第一止回阀，防止水汽和杂质进入电化学探测器内部，对电化学探测器造成损坏，影响电化学探测器的使用寿命和检测准确性。

5、本发明检测系统可灵活配置采样点，可进行多点分布检测，提高检测准确性和检测效率。

6、本发明检测方法采用声光红外探测器和电化学探测器检测量程互补，可实现对所有检测点肼类气体浓度的全量程精确检测和报警提示。

附图说明

图1是本发明全量程肼类推进剂泄漏检测系统的原理图；

图2是本发明中声光红外探测器的原理图(未示出外壳)；

图3是本发明库房采样点分布图；

其中，附图标记如下：

1-声光红外探测器，11-采样点，12-排气口，100-外壳，101-红外光源，102-凹面镜，103-斩波器，104-滤波轮，1041-光学滤光器，105-声光池，1051-光学窗口，106-麦克风，107-进气阀，108-出气阀，109-吸气泵，110-空滤，111-吹扫阀，112-压力表，113-分流阀，114-采样管，115-分流管，116-排气管；

2-三通电磁阀，21-进口端Ⅰ，22-第一出口端，23-第二出口端；

3-电化学探测器；

4-气体吹扫组件，41-吹扫泵，42-第二止回阀；

5-过滤器；

6-第一止回阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种全量程肼类推进剂泄漏检测系统，包括声光红外探测器1、三通电磁阀2、电化学探测器3、气体吹扫组件4以及控制机构；声光红外探测器1设有采样点11，采样点11的数量可为多个，本实施例中三通电磁阀2为两位三通电磁阀，三通电磁阀2的进口端Ⅰ21与声光红外探测器1的排气口12相连通，三通电磁阀2的第一出口端22接电化学探测器3的进口端，三通电磁阀2的第二出口端23与大气相通；电化学探测器3的出口端通过第一止回阀6与大气相通；气体吹扫组件4包括吹扫泵41和第二止回阀42，第二止回阀42的一端与吹扫泵41相接，第二止回阀42的另一端与电化学探测器3的进口端相连通；控制机构用于控制三通电磁阀2、吹扫泵41、第一止回阀6和第二止回阀42的动作。本发明采用声光红外探测器1与电化学探测器3组合检测的方式，实现对所有检测点肼类气体浓度的精确检测和报警提示。

声光红外探测器1原理图见图2所示，其包括外壳100(图2中未示出)、采样管114、排气管116以及设置在外壳100内的检测模块、进气阀107、出气阀108、吹扫阀111、吸气泵109、分流管115以及分流阀113；检测模块包括凹面镜102以及由近及远且同轴依次设置在凹面镜102反射镜面侧的红外光源101、斩波器103、滤波轮104和声光池105，本实施例中凹面镜102为球状凹面镜，红外光源101位于凹面镜102反射镜面侧的中部，滤波轮104上设有圆周均布的多个光学滤光器1041，本实施例中光学滤光器1041为滤光片，声光池105靠近滤波轮104的一侧设有光学窗口1051，其另一侧设有进气口和出气口；采样管114的进口端作为采样点11，其出口端穿过外壳100后与进气阀107的进口端相连通，进气阀107的出口端与声光池105的进气口相连通；出气阀108的进口端与声光池105的出气口相连通，出气阀108的出口端与排气管116的进口端相连通，排气管116的出口端穿过外壳100后作为与三通电磁阀2进口端相接的排气口12。吹扫阀111的两端分别与采样管114的出口侧、排气管116的进口侧相连通；吸气泵109设置在排气管116上，吸气泵的设置是为了在检测结束后更充分的抽净管路中残留的被测气体；分流管115的两端分别与吸气泵109的进口端、出口端连通，分流阀113设置在分流管115上，分流阀的设置是在高浓度气体情况下打开，以便快速排掉管道中被测气体，防止污染系统。

本实施例在声光池105上设置麦克风106，分流管115上设置压力表112。在采样管114上设有空滤110，防止待测气体中的杂质进入声光红外探测器内，影响检测的准确性。

声光红外探测器1的工作过程是：待测肼类气体从采样管114的进口端(进气口)并经进气阀107进入声光池105内，红外光源101发出的光入射至凹面镜102反射镜面，并经凹面镜102反射镜面反射后通过机械斩波器103，然后通过滤波轮104中一个光学滤光器1041后，从声光池105的光学窗口1051入射至声光池105内的待测肼类气体，获得待测肼类气体的浓度。滤波轮104转动光通过下一个光学滤波器1041传输，新信号被测量，重复此步骤的次数取决于被测气体的量，每一次测量的响应时间小于20秒。

本实施例在电化学探测器3的进口侧设有过滤器5，为了防止水汽和杂质进入电化学探测器3内部，电化学探测器3出口侧的第一止回阀6，也是防止大气中的水汽和杂质进入电化学探测器3内部，对电化学探测器3造成损坏，影响电化学探测器3的使用寿命和检测准确性。

本实施例检测系统以声光红外探测器1为核心检测元件，配以电化学探测器3为辅助检测元件；集成设计成一套成熟可靠的、方便安装维护的结构主体。

本实施例检测系统的主要参数指标如下：

1)测量量程

声光红外探测器1：量程0-1000ppm，分辨率1ppm，响应时间≤20s，测量精度3％；

电化学探测器3：量程0-50ppm，分辨率0.1ppm，响应时间≤60s，测量精度3％。

2)泄漏报警值

声光红外探测器1的低报警值：10ppm，高报警值：20ppm；

电化学探测器3的低报警值：0.5ppm，高报警值：5ppm。

当待测肼类气体浓度小于10ppm时，开启两位三通电磁阀，使被检测气体进入电化学探测器3，进行精确检测。

当声光红外探测器1检测到浓度大于20ppm时，考虑到电化学传感器在大浓度时电解质容易消耗完，传感器易损坏，关闭三通电磁阀2停止给电化学探测器3供气，防止电化学探测器3的传感器损坏。

3)采样点11

声光红外探测器1的采样点11可设置为小于或等于8个，通过软管按等距离分布在库房。本实施例以如图3所示，以12m×12m的推进剂贮存库房为例，共涉及6个采样点，每个采样点11之间间隔a为2米。在其它实施例中采样点11的数量和分布可根据推进剂贮罐的实际位置进行灵活分布。

本实施例控制机构负责系统设备的控制及工艺参数采集。PLC控制系统与触摸屏通过工业以太网进行连接，提供友好的人机交互界面。由于该系统应用于防爆场所，防爆环境输入输出通道分别配置了隔离安全栅(在防爆环境中的信号输出与拾取均采用安全栅隔离，满足电气防爆规范)。可以通过触摸屏对模拟量通道编辑设定报警值、阈值和安全极限，根据不同的故障级别，可设置不同等级报警(如上限、下限，上上限、下下限报警)，包括报警、停机等类别，通过组态界面和声光对报警进行警示。也可采用手动操作方式，由操作人员通过按键、旋钮等对所有被控对象进行控制，同时实时显示所有采集到得数据，方便操作人员观察。程序自动控制部分在PLC内部实现，操作界面布局合理，简单明了。

控制机构具体功能包括：

1)肼类气体探测器信号采集：小心、预警、报警、工作、气体浓度信号；

2)电化学探测器信号采集：工作信号、气体浓度信号；

3)逻辑控制功能：按照工艺逻辑控制三通电磁阀2及吹扫泵41；

4)具备手动吹扫及阀门操作功能。

基于上述全量程肼类推进剂泄漏检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)打开进气阀107和出气阀108，待测肼类气体经采样点11进入声光红外探测器1内，进行待测肼类气体的初步检测；

2)若声光红外探测器1检测到待测肼类气体的浓度高于或等于声光红外探测器1的设定值时，表示待测肼类气体的浓度较高，声光红外探测器1发出报警，三通电磁阀2的进口端Ⅰ21与第二出口端23相通，高浓度的肼类气体通过三通电磁阀2的第二出口端23排空，检测结束，操作人员及时撤离现场并开启通风设备进行处置；

若声光红外探测器1检测到待测肼类气体的浓度低于声光红外探测器1的设定值时，表示待测肼类气体的浓度稍微偏低，处于声光红外探测器1低报警值以下，声光红外探测器1不能检测该浓度的肼类气体，则需电化学探测器3进行检测，即执行步骤3)：

3)控制机构向三通电磁阀2发出指令，使三通电磁阀2的进口端Ⅰ21与第一出口端22相通，且与第二出口端23断开，低浓度的待测肼类气体由声光红外探测器1的排气口12进入三通电磁阀2，再流过电化学探测器3进行再次检测；

4)若电化学探测器3检测到待测肼类气体的浓度高于或等于电化学探测器3的设定值时，电化学探测器3发出报警，控制机构向三通电磁阀2发出指令，使三通电磁阀2的进口端Ⅰ21与第一出口端22断开，且与第二出口端23相通，待测肼类气体通过三通电磁阀2的第二出口端23排空，不再进入电化学探测器3；同时，控制机构向吹扫泵41发出启动指令以及向第一止回阀6、第二止回阀42发送打开指令，吹扫泵41工作，将电化学检测器检测管路里的待测肼类气体吹扫干净，避免电解质的消耗，对电化学探测器3造成损坏；

若电化学探测器3检测到待测肼类气体的浓度低于电化学探测器3的设定值时，表示该浓度的肼类气体浓度较低，几乎不会对电化学探测器3造成损坏，因此，只需打开第一止回阀6，待测肼类气体经第一止回阀6排空即可；

5)检测结束后，打开吹扫阀111、吸气泵109，充分抽净管路中的残留被测气体。

本实施例通常是以声光红外探测器1为主要检测元件，可实现对较高浓度肼类气体的检测报警，此时，电化学探测器3不工作；仅仅是在肼类气体浓度较低而声光红外探测器1无法进行检测时，电化学探测器3才工作，进行肼类气体浓度的精确检测，电化学探测器3的检测分为两种情况，第一种是待测肼类气体浓度较高时，声光红外探测器1发生报警，待测肼类气体通过三通电磁阀2的第二出口端23排空，并通过气体吹扫组件4将电化学检测器检测管路里的待测肼类气体吹扫干净，避免电解质的消耗，对电化学探测器3造成损坏，提高电化学探测器使用寿命；第二种是声光红外探测器1未发生报警时，表示肼类气体浓度偏低不会对声光红外探测器1产生损坏，浓度偏低的肼类气体直接经电化学探测器3排出即可。因此本实施例系统采用声光红外探测器1与电化学探测器3组合检测的方式，实现对所有检测点肼类气体浓度的精确检测和报警提示。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。