一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，包括：寬帶發(fā)光光源，傳輸用單模光纖、傳感用長周期光纖光柵(LPG)構(gòu)成的傳感單元，波長解調(diào)模塊。寬帶光源發(fā)出的非相干光耦合進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸，本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)甲烷泄漏的定位，同時(shí)具有集成度高，體積小，探測靈敏，本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜谑吞烊粴庑袠I(yè)站場或油庫甲烷泄漏監(jiān)測并且對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。
【專利說明】
-種可定位的甲燒泄漏監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型是一種基于長周期光纖光柵化PG)的分布式可定位甲燒泄漏監(jiān)測系 統(tǒng)，具有高的檢測靈敏度和響應(yīng)帶寬，可用于石油化工行業(yè)天然氣泄漏監(jiān)測，并對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn) 行定位。改變LPG的敏感層，可擴(kuò)展到對(duì)氨氣，一氧化碳等氣體濃度的監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)石油化工行業(yè)的認(rèn)識(shí)也逐漸加深，對(duì)石油 化工行業(yè)所潛在的危險(xiǎn)也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。在石油化工場所，存在著大量的可燃?xì)怏w，運(yùn) 些可燃?xì)怏w如果發(fā)生泄漏，并且與空氣混合，遇到點(diǎn)火源，則容易引發(fā)爆炸事故的發(fā)生，而 運(yùn)些爆炸事故及隨之而來的火災(zāi)，會(huì)帶來無可估量的損失。由于石油化工產(chǎn)品大都具有易 燃易爆性質(zhì)，一旦泄漏在空氣中，極可能引發(fā)巨大的災(zāi)難，此類事故一旦發(fā)生就會(huì)給國家和 人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，運(yùn)使得火災(zāi)預(yù)防，氣體濃度監(jiān)測變得至關(guān)重要。在運(yùn)種情況 下，使用代表著先進(jìn)技術(shù)的各種可燃?xì)怏w監(jiān)測手段，對(duì)各種生產(chǎn)及生活設(shè)施現(xiàn)場可燃性氣 體泄漏和積聚狀況的及時(shí)掌控，成為急待解決的重大課題。
[0003] 目前，石油化工行業(yè)中多采用催化燃燒式或電化學(xué)式傳感器，運(yùn)類傳感器最大的 缺點(diǎn)就是自身帶電，在易燃易爆等特殊環(huán)境中應(yīng)用時(shí)存在安全隱患，而且運(yùn)類傳感器壽命 短、精度低、穩(wěn)定性差、調(diào)校困難，經(jīng)常存在誤測誤報(bào)現(xiàn)象。近年來，針對(duì)石油化工易燃易爆 的工作環(huán)境特別是油庫灌區(qū)及天然氣輸氣站場，開發(fā)了激光紅外吸收光譜檢測技術(shù) (TDLAS) dTDLAS的檢測原理是根據(jù)物質(zhì)對(duì)不同頻率的電磁波有不同的吸收特征，因此吸收 譜線可作為識(shí)別不同氣體分子的"指紋"，根據(jù)吸收譜線的位置和強(qiáng)度可W確定分子的成分 和濃度。由于多數(shù)有機(jī)和無機(jī)污染成分在可見和紅外波段都具有吸收線，利用運(yùn)些吸收線 可W定量分析各種污染成分。申請(qǐng)?zhí)枺?01410541852.1的專利申請(qǐng)，提出了一種基于TDLAS 的多次反射光路的天然氣管道泄漏車載檢測設(shè)備，用與燃?xì)夤艿赖男孤z測，具有高的檢 測精度和檢測實(shí)時(shí)性，但在汽車無法進(jìn)入的管道區(qū)域則無法實(shí)現(xiàn)甲燒的檢測，具有很大的 局限性。分布式TDLAS氣體檢測系統(tǒng)及方法（申請(qǐng)?zhí)?201410206645.0),利用TDLAS技術(shù)和光 分路裝置實(shí)現(xiàn)了多個(gè)氣室的分時(shí)復(fù)用測量。TDLAS技術(shù)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，如快速調(diào)諧，非 接觸測量，響應(yīng)速度快、高檢測精度和大的檢測范圍。但是，在氣體的吸收路徑上較難實(shí)現(xiàn) 分布式測量，不能對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可定位的甲燒泄漏監(jiān) 測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)甲燒泄漏的定位，同時(shí)具有集成度高，體積小，探測靈敏，安全等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本實(shí)用新型技術(shù)解決方案：一種可定位的甲燒泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，包括寬帶激光光源 (BBS)、串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖、光譜解調(diào)系統(tǒng)；寬帶光源發(fā)出的光注入有多個(gè) LPG傳感單元的單模光纖中，該光纖通過光譜解調(diào)系統(tǒng)連接并將解調(diào)得到的光信號(hào)送計(jì)算 機(jī)處理。
[0006] 寬帶激光光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖進(jìn)入光譜解 調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)有甲燒氣體泄漏發(fā)生時(shí)，LPG傳感單元的包層模式諧振特性將發(fā)生變化，由光譜 解調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算和處理得到甲燒泄漏濃度，通過實(shí)現(xiàn)標(biāo)定好的LPG傳感單元序號(hào)，對(duì)甲燒泄 漏位置進(jìn)行定位。
[0007] 所述寬帶激光光源(BBS)的帶寬為40nmW上，W增加攜帶LPG傳感單元的能力。
[0008] 所述串聯(lián)有LPG傳感單元的單模光纖中的LPG傳感單元的間隔根據(jù)實(shí)際需求長短 可調(diào)，在1米到數(shù)10米。
[0009] 在串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖處進(jìn)行氣敏膜涂敷，采用磁控瓣射或等離 子體鍛膜方式，將鍛好膜的LPG傳感單元采用不誘鋼套管進(jìn)行封裝，W適應(yīng)工程應(yīng)用需求。
[0010] 所述LPG傳感單元的包層模式禪合特性將發(fā)生變化時(shí)，LPG傳感單元的λ波長對(duì)應(yīng) 變的靈敏度^采用下式表達(dá)： αε
[0011]
[001^ 式中，Λ是LPG傳感單元的周期，ε是應(yīng)變，nc0，nci分別是纖忍和包層模的折射率， LPG波長隨應(yīng)變的變化和包層及纖忍的折射率差有關(guān)，當(dāng)外界氣體被光纖吸附時(shí)，包層折射 率發(fā)生變化，通過探測包層諧振模波長峰值點(diǎn)的移動(dòng)，即得到LPG傳感單元對(duì)應(yīng)的包層諧振 模式的改變，包層諧振膜的波長移動(dòng)量反應(yīng)了待測氣體甲燒泄漏的濃度值C;
[0013] C = V · ε
[0014] V是LPG傳感單元的體積，
[001引狀波長變化，de應(yīng)變變化。
[0016] 所述通過實(shí)現(xiàn)標(biāo)定好的LPG傳感單元序號(hào)，對(duì)甲燒泄漏位置進(jìn)行定位的過程為:每 個(gè)LPG傳感單元對(duì)應(yīng)一個(gè)窄帶的波長范圍，為0.1 nm，每個(gè)LPG傳感單元的波長間距大致為 0.4nm.同一光源可W攜帶80個(gè)LPG傳感單元;在施工時(shí)對(duì)傳感單元進(jìn)行標(biāo)記，W確定在監(jiān)測 區(qū)域的位置；當(dāng)某一LPG傳感單元處接收到甲燒氣體時(shí)，該LPG傳感單元的包層折射率發(fā)生 變化導(dǎo)致諧振波長峰值點(diǎn)移動(dòng)，通過光譜儀即監(jiān)測得到對(duì)應(yīng)LPG傳感單元，通過對(duì)應(yīng)LPG傳 感單元的標(biāo)號(hào)可得到具體甲燒泄漏的位置。
[0017] 所述串聯(lián)有多個(gè)LPG傳感單元的單模光纖為多個(gè)，能夠并行輸出，由光譜解調(diào)系統(tǒng) 的計(jì)算和處理得到泄漏濃度的情況。
[0018] 所述光譜解調(diào)系統(tǒng)僅對(duì)LPG傳感單元的波長變化敏感，不受傳感鏈路上信號(hào)強(qiáng)度 起伏的影響。
[0019] 所述光譜解調(diào)系統(tǒng)檢測的實(shí)時(shí)性好，敏感材料和氣體的反應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)即可造成 LPG反射光譜的包層諧振模式特性變化。
[0020] LPG的敏感長度在1cm內(nèi)，當(dāng)有小于ImL甲燒氣體泄漏時(shí)，即可造成LPG傳感單元反 射光譜的包層諧振模式特性變化，實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測。
[0021] 本實(shí)用新型具有突出的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0022] (1)本實(shí)用新型可W實(shí)現(xiàn)甲燒泄漏的定位，具有簡單的結(jié)構(gòu)，并且通過光纖光柵波 長解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通一根光纖串聯(lián)多LPG的準(zhǔn)分布式探測，可W對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位；同 時(shí)具有集成度高，探測靈敏，本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，可用于站場天然氣，井口，閥室及長輸管道的 泄漏監(jiān)測。
[0023] (2)本實(shí)用新型利用在LPG外層涂敷氣體敏感膜的方式，利用LPG包層模禪合理論， 對(duì)待測氣體濃度和氣體吸收位置進(jìn)行檢測的系統(tǒng)。同比與傳統(tǒng)采用化學(xué)敏感材料的FBG應(yīng) 變傳感技術(shù)，可W將氣體傳感靈敏度提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0024] (3)利用在LPG上涂敷敏感層對(duì)甲燒的特異性吸收，僅需少量（~mL)待測甲燒氣 體，即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測。
[0025] (4)檢測的實(shí)時(shí)性好，敏感材料和氣體的反應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)即可造成LPG反射光譜的 禪合特性變化。
[0026] (5)采用波長解調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)不同探測點(diǎn)泄漏氣體的檢測，已補(bǔ)充不受系統(tǒng)鏈路的 強(qiáng)度損耗干擾。
[0027] (6化PG可W在光纜制備過程中串聯(lián)于同一根光纖中，每個(gè)LPG的間距可根據(jù)應(yīng)用 需求調(diào)整，適合長距離遠(yuǎn)程控制，同時(shí)易于規(guī)模化，降低制造成本。
[0028] (7)利用光纜中的一根光纖實(shí)現(xiàn)待測氣體分布式傳感，解調(diào)，節(jié)省通信資源。
[0029] (8)改變LPG涂敷的敏感材料即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的檢測，如氨氣，一氧化碳。
【附圖說明】
[0030] 圖1為LPG模式禪合特性及傳輸光譜圖；
[0031 ]圖2為LPG的包層模式的禪合光譜圖；
[0032] 圖3為本實(shí)用新型待測甲燒氣體和LPG作用的傳感結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4為本實(shí)用新型LPG傳感器的制備流程圖；
[0034] 圖5為一種可定位的甲燒泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖6為基于本實(shí)用新型設(shè)計(jì)思路的天然氣閥室泄漏串聯(lián)檢測方案示意圖；
[0036] 圖7為基于本實(shí)用新型設(shè)計(jì)思路的站場天然氣泄漏檢測方案示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 如圖1所示，LPG模式禪合特性及光譜圖，寬帶激光光源（BBS)光11經(jīng)過纖忍21傳 輸，經(jīng)過周期遠(yuǎn)大于波長的LPG 41傳輸，一部分經(jīng)全反射從單模光纖81出射，另一部分進(jìn)入 包層31，成為包層模61、62傳輸，形成低階及高階模式，還有少量的光71從包層溢出光纖。
[0038] 如圖2所示，圖2為采用光譜解調(diào)系統(tǒng)測得的LPG傳感單元包層模式的諧振特性的 光譜圖。lth，3th，5th，7th，9th分別為包層諧振膜的階數(shù)。通過監(jiān)測在光譜解調(diào)系統(tǒng)波段范圍 內(nèi)，特定包層模式諧振峰值的波長漂移，如9th模的波長移動(dòng)量，利用上述公式1，得到波長變 化和LPG傳感單元所受應(yīng)變的關(guān)系。通過對(duì)待測甲燒氣體濃度的標(biāo)定，可W得到待測甲燒濃 度和LPG傳感單元應(yīng)變變化的線性關(guān)系，從而對(duì)外界甲燒濃度進(jìn)行測量。
[0039] 圖3為本實(shí)用新型待測甲燒氣體和LPG傳感單元相互作用的結(jié)構(gòu)示意圖。111為待 測甲燒氣體，121為單模光纖，131為單模光纖中的LPG，在包層外涂敷對(duì)甲燒敏感的氣敏膜 141，142后，甲燒被吸收導(dǎo)致包層折射率變化，運(yùn)種變化又會(huì)引起LPG諧振包層模式的改變， 通過波長解調(diào)系統(tǒng)即可計(jì)算出甲燒吸收情況。
[0040] 如圖4所示，本實(shí)用新型的LPG傳感單元的制備流程圖為:制備含有LPG傳感單元的 單模光纖，LPG的間隔可W根據(jù)實(shí)際需求長短可調(diào)，一般在1米到數(shù)十米不等。其次，在寫有 LPG的單模光纖處進(jìn)行氣敏膜涂敷，一般采用磁控瓣射或等離子體鍛膜方式。鍛好膜的LPG 需用不誘鋼套管進(jìn)行封裝，W適應(yīng)工程應(yīng)用需求。
[0041] 具體檢測過程如圖5所示，寬帶激光光源(BBS)、串聯(lián)有LPG的傳感單模光纖，光譜 解調(diào)及PC、信號(hào)處理部分組成。BBS發(fā)出的寬帶光經(jīng)過串聯(lián)有LPG傳感單元的單模光纖進(jìn)入 光譜解調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)有甲燒氣體泄漏發(fā)生時(shí)，對(duì)應(yīng)的LPG傳感單元包層模式禪合特性將發(fā)生變 化，根據(jù)光譜解調(diào)的計(jì)算和PC信號(hào)處理得到泄漏濃度的情況。通過實(shí)現(xiàn)標(biāo)定好的LPG單元 序號(hào)，對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位。
[0042] 所述LPG傳感單元的包層模式禪合特性將發(fā)生變化時(shí)，LPG傳感單元的波長對(duì)應(yīng)變 的靈敏度可用公式1表達(dá)。式中，A是LPG傳感單元的周期，ε是應(yīng)力，nc〇，nci分別是是纖忍和 包層模的折射率。LPG波長隨應(yīng)變的變化和包層及纖忍的折射率差有關(guān)，當(dāng)外界氣體被光纖 吸附時(shí)，包層折射率發(fā)生變化，通過探測諧振波長峰值點(diǎn)的移動(dòng)，即得到LPG傳感單元由于 包層模禪合的特性導(dǎo)致諧振模式的改變，包層諧振膜的波長移動(dòng)量反應(yīng)了待測氣體的濃度 值。寬帶光源發(fā)出的LPG傳感單元吸收甲燒后會(huì)引起LPG應(yīng)力的變化，從而使包層模諧振波 長改變。甲燒的吸收濃度可W通過光譜解調(diào)系統(tǒng)中測量的LPG傳感單元波長的變化量標(biāo)定 得到。每個(gè)LPG傳感單元對(duì)應(yīng)一個(gè)窄帶的波長范圍，一般為0.1 nm，每個(gè)LPG傳感單元的波長 間距大致為〇.4nm.同一光源可W攜帶80個(gè)LPG傳感單元。在施工時(shí)對(duì)傳感單元進(jìn)行標(biāo)記，W 確定在監(jiān)測區(qū)域的位置。當(dāng)某一 LPG傳感單元處接收到甲燒氣體時(shí)，該傳感單元的包層折射 率發(fā)生變化導(dǎo)致諧振波長峰值點(diǎn)移動(dòng)，通過光譜儀即可監(jiān)測得到對(duì)應(yīng)LPG傳感單元，通過對(duì) 應(yīng)LPG傳感單元的標(biāo)號(hào)可得到具體泄漏的位置。
[0043] 圖6為基于本實(shí)用新型設(shè)計(jì)思路的天然氣閥室泄漏串聯(lián)檢測方案示意圖。光源211 可W放在控制室里，避免現(xiàn)場溫度起伏過大的影響，221、222、223、224、225為串聯(lián)在光纖中 的LPG傳感器，根據(jù)天然氣站場的現(xiàn)場情況，傳感器一般可安放在管道連接處上方。當(dāng)有泄 漏發(fā)生時(shí)，氣體通過擴(kuò)散的方式和LPG傳感器反應(yīng)，再通過光譜解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，對(duì) 應(yīng)有吸收的LPG傳感器處的包層模折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致LPG諧振波長的變化。通過波 長解調(diào)系統(tǒng)可W反演出氣體濃度信息。改變LPG的氣敏材料，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)其他氣體濃度的探 測。運(yùn)里的其他氣體可W是一氧化碳，氨氣，硫化氨等。
[0044] 圖7為基于本實(shí)用新型設(shè)計(jì)思路的天然氣站場區(qū)域泄漏檢測方案示意圖。311為光 源，一般工作功率可W設(shè)定在lOmWW內(nèi)，通過光開關(guān)321對(duì)光束進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。331、332、 333、334均為串聯(lián)LPG傳感單元的單模光纖，341為光譜解調(diào)系統(tǒng)，將光信號(hào)進(jìn)行處理并顯示 報(bào)警。在具體工程敷設(shè)時(shí)，可W為同一光纜內(nèi)的不同纖忍。根據(jù)天然氣站場的具體檢測需 求，每一鏈路可W分別安裝敷設(shè)在不同的區(qū)域，并且對(duì)該區(qū)域內(nèi)，容易出現(xiàn)甲燒泄漏安全隱 患的位置安裝LPG傳感單元進(jìn)行監(jiān)測，LPG在光纖中間距可W根據(jù)具體安裝點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào) 整，靈活方便。不同的天然氣站場可W通過光纖和光開關(guān)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，便于組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離 控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括寬帶激光光源(BBS)、串聯(lián)有多 個(gè)LPG傳感單元的單模光纖、光譜解調(diào)系統(tǒng)；寬帶光源發(fā)出的光注入有多個(gè)LPG傳感單元的 單模光纖中，該單模光纖通過光譜解調(diào)系統(tǒng)連接并將解調(diào)得到的光信號(hào)送計(jì)算機(jī)處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述寬帶激光 光源(BBS)的帶寬為40nm以上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述串聯(lián)有 LPG傳感單元的單模光纖中的LPG傳感單元的間隔在1米到數(shù)10米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:在串聯(lián)有多個(gè) LPG傳感單元的單模光纖處進(jìn)行氣敏膜涂敷，采用磁控濺射或等離子體鍍膜方式，將鍍好膜 的LPG傳感單元采用不銹鋼套管進(jìn)行封裝。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述串聯(lián)有多 個(gè)LPG傳感單元的單模光纖為多個(gè)，能夠并行輸出。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可定位的甲烷泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:LPG的敏感長 度在Icm內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK205484032SQ201521081910
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年12月21日
【發(fā)明人】李俊, 董鳳忠, 羅淵敏, 朱莉莎
【申請(qǐng)人】安徽中科智泰光電測控科技有限公司